砂层隧道穿越坍方区施工

胡兆锋

1 工程概况

关角隧道为双洞单线隧道，全长32.6 km，采用钻爆法施工。隧道通过区属青藏高原亚寒带半干旱气候区，根据天竣县气象站(地理坐标:N37°18'E99°02'，海拔高程:3 417.1 m)资料，年平均气温－0.5℃，极端最高气温28.0℃，极端最低气温－35.8℃，最大月平均日温差24.7℃，年平均降水量341.6 mm，年最大降水量453.2 mm，年平均蒸发量1 791.4 mm，最大积雪厚度21 cm，最大冻结深度299 cm。

隧道进口位于布哈河阶地后缘，地形开阔，上部为第四系冲、洪积砂质黄土、细砂及粉质粘土，厚度较大，进口段550 m均以第四系细砂为主，贫水区，地质条件差，开挖后洞室自稳能力极差，极易发生坍方事故，施工风险较高。

2009年4月28日零晨2时许，正洞Ⅱ线DyK280+995前方出现裂缝并迅速扩大，5 min左右便发生坍塌，此后拱部坍腔内不断掉块，直至2009年4月28日15时，拱部坍腔高约5 m，沿隧道前进方向长度约8 m，宽度10 m。此处隧道坍方区埋深12 m～19 m，坍方的主要原因是由于现场挖掘机出渣过程中，对拱部初期支护的碰撞，导致初期支护发生变形，砂层连续滑坍，最终导致初期支护不能承载滑坍粉细砂的重量，出现坍方。

2 坍方处理

2.1 坍方情况

此次坍方面积较大，拱顶较高，坍方体体积至少在200 m3以上，拱部极其不稳定，局部掉土块，此次坍方持续时间有10 h之多，基本稳定后，拱顶形成坍腔，坍方区向洞口方向已经支护的钢拱架有4榀变形，故不敢轻易施工。已施工的φ50超前注浆导管及超前管棚全部脱落，在隧道拱顶形成一个较大的空洞。此次坍方主要原因是:上台阶开挖时机械碰撞导致，对中下台阶的影响较小，上台阶的操作空间较小，因此对于采用钢支撑支护坍方区的方案不能实施，第一安全不能保证，其次拱顶较高，人员无法进行施工;其次，内部搭设木排架等施工方案均也不能实行;再次从地表进行开挖，然后上台阶按照明洞进行支护的方案不能够满足环保的要求，因为此处隧道地表隶属高原草原生态环境，生态结构相当脆弱。

2.2 坍方处理方案

2.2.1 回填坍腔及铺垫作业平台

为了保证施工中人员及机械安全，先利用挖掘机往滑坍体上尽可能多的回填土，并用人工配合填土或者堆码砂袋封闭掌子面，回填土及堆码的砂袋尽可能超出初期支护界限(目的是在泵送完成混凝土填充后，填充混凝土的内轮廓不能侵入隧道初期支护的轮廓内，防止施作初期支护时，再次对填充混凝土进行凿出处理)，并预埋至少两根输送泵管，一根用作灌注混凝土，一根作为灌注混凝土高度的观察孔(基本了解坍腔内部填充混凝土的厚度)，要求输送泵管超出初期支护轮廓拱部1.5 m，主要是确保内部填充的泵送混凝土厚度基本能够达到1.5 m，确保上部掉块的冲击力不能将混凝土砸坏，导致后期初期支护的处理比较麻烦(见图1)。除此之外还安装了接近坍方体顶端的预留φ100喷砂管道，便于最后进行剩余空腔的喷砂填充。

填充坍腔的同时，在坍方段向洞口方向铺垫作业平台，作业平台采用洞外弃渣铺垫，铺垫高度根据现场施工需要确定。现场施工时，利用PC130挖掘机及小松380装载机配合，将洞外运至洞内的渣体向坍方口及坍腔下部进行堆放，现确保堆放的渣体对坍腔上部的掉块有一定的封挡作用，保证掉块不能沿坍方体斜坡向下滚行，伤害施工人员及对机械设备造成威胁。另外堆放渣体填充坍腔下部区域，有利于下部超前施作钢轨的下部支撑，确保填充的混凝土对钢轨的压力不能导致钢轨变形较大，确保开挖后初期支护的净空要求。

回填渣体施工至距离已施作初期支护拱顶0.6 m～1 m时，开始采用人工堆码砂袋对整个坍腔口进行封堵，封堵过程中，对内部空腔内坍方体及回填渣体没有超出初期支护界限的，用砂袋进行抛填，确保基本全部超出初期支护界限，避免泵送的混凝土侵入。

上述工作于2009年4月29日21点完成，回填渣体98 m3，堆码砂袋324个。

2.2.2 施作初支加强环

由于DyK280+992～DyK280+995段为管棚洞室，比隧道正常初期支护断面周边要扩大40 cm～60 cm，为加强已施工初支，在不侵入二衬限界的情况下，在此段管棚洞室内加设内Ⅰ16钢架(初支加强环)，钢架间距50 cm，挂φ8钢筋网，内钢架喷射25 cm厚混凝土，加强此区域初期支护强度，防止泵送混凝土填充时对此区域的影响。在DyK280+995处设置两榀并排Ⅰ16钢架，钢架与现初期支护钢架间要预埋钢轨导向管，导向管采用φ100 mm的钢管制作，长度1 m，以便方便钢轨穿过，导向管安装的上仰角度为5°，埋设导向管26根，两榀并排的钢架及导向管共同作为钢轨的后端支撑体，钢架间采用22螺纹钢(环向间距80 cm)连接牢固，喷射C25混凝土进行加固，并与原有初支钢架连接成整体(见图2)。上述工作于2009年4月30日22点完成。

2.2.3 施作超前轻轨

待掌子面封闭、加强支护、支撑钢架及导向管施作完成后，施作一环超前钢轨(24 kg/m)，钢轨长度10 m～15 m，钢轨长度确保能够插入前方未坍方的砂体内，作为钢轨的前支撑点，环向间距20 cm，角度与预埋的导向管的角度一致，超前钢轨采用挖掘机顶进。钢轨尾端采用箍筋与并列两榀工字钢焊接牢固。超前轻轨在2009年5月2日2点施工完成。

式中，f F（x1，x2）为限流器的成本；f L为限流器的损耗；x1，x2分别为不同材料的用量；C1、C2分别为不同材料的单位费用；C0为与设计变量无关的固定费用。

2.2.4 灌注C20混凝土

使用混凝土输送泵通过之前预埋的输送泵管泵送混凝土至坍腔内，考虑到钢架的承重能力，分次泵送，严格控制泵送混凝土速度及每次泵送混凝土的方量，每泵送混凝土70方时，停止3 h，待浆液从检查管溢出时，则停止施工。由于坍腔高度为5 m，考虑施工及运营安全，二衬施作完成后再次喷砂填满坍腔。

2.2.5 坍方区上台阶开挖及支护

2009年5月5日，坍腔内混凝土凝固后，以每循环进尺0.5 m，严格按照七步台阶法开挖及设计支护参数支护，每个台阶均加设临时横支撑。初支钢架与超前钢轨之间达到密实，若空间小时，用喷射混凝土喷填密实;若空间过大，初支钢架与超前钢轨间用钢架支撑连接，确保超前钢轨受力大部分转移至初支钢架上。随着开挖进尺的不断推进，钢轨的后端支撑逐渐增强。为确保钢轨前端的角度问题，填充的混凝土具体初期支护轮廓面较大，则进行超前导管支护，设置双层φ50小导管，导管长度3.5 m，内部注双液浆，水泥∶水∶水玻璃体积比为1∶1∶1，注浆压力控制在0.5 MPa～1 MPa之间，确保对松散砂体的局部固结及积压，保证了开挖支护过程中的安全、稳定施工。

在2009年5月15日对此段进行上台阶开挖及支护施工，施工采用上台阶短进尺开挖，开挖采用人工配合机械开挖，机械采用PC130挖掘机，将挖掘机斗齿进行改装，在挖斗两侧安装了两块钢板，起到铲刀的作用，避免对后端初期支护的碰撞。开挖后及时支护，喷射混凝土26 cm，在5月27日11时下导施工完成，经过量测，拱顶及边墙没有发生位移，5月27日20时，开始施工仰拱以及C10片石回填，5月30日8时施工二次衬砌。

2.2.6 喷砂回填剩余空腔

3 坍方处理注意事项

1)回填坍腔时，要确保坍腔大里程处的密封性，防止填充混凝土时，将前方未坍方段灌满混凝土，影响下步施工，同时要有专人负责对坍腔的观察，防止土层脱落，对施工机械及人员造成危害。

2)施作加强环时，要预留钢轨穿越的足够空间，并确保加强环的基底牢固，与现有初期支护进行有效连接，确保整体受力良好。

3)采用挖掘机进行顶轨施工时，挖掘机挖斗与钢轨接触面设置钢轨固定装置，可采用钢板及钢管焊接，确保顶轨过程中，安全、准确的控制钢轨的方向及位置。

4)填充混凝土时，要分次进行泵送，同时对初期支护段(DyK280+992～DyK280+995段)进行密切观察，如出现开裂等现象，立即停止施工，及时进行加强支护。

5)开挖过程中，严格控制台阶长度及开挖进尺，并及时施作横向水平支撑，严谨先拉中槽，再开挖两侧的施工方法。开挖后要及时进行初期支护，并确保施作的初期支护对钢轨或填充混凝土体有充分的支撑作用。

4 坍方处理效果

2009年7月25日对于此处坍方段，经过自检，没有出现任何位移，在业主的几次地质雷达监测过程中，发现内部密实，不存在任何的安全隐患。

经过此次坍方处理所总结的经验，这种施工工艺适用于公路隧道或铁路隧道砂层、黄土及软弱围岩的隧道坍方，并且坍方区域较大，处理时不能保证施工人员安全以及坍方有变大的趋势的隧道施工。经过在关角隧道的实际中证明，这种工法的实用性较强，因此用类似的工法，处理了其他几处小范围的坍塌，收到较好的效果。

5 结语

在关角隧道的几次隧道坍方中，应用此方案进行处理，施工进展顺利，效果很好，得到业主、监理单位以及兄弟单位的一致好评。

［1］ 冯卫星，吴康保.铁路隧道设计［M］.成都:西南交通大学出版社，1998.

［2］ 冯卫星，况 勇，陈建军.隧道坍方案例分析［M］.成都:西南交通大学出版社，2002.

［3］ 铁道部基本建设总局.铁路隧道新奥法指南［M］.北京:中国铁道出版社，1988.

［4］ 张雅鲲.大断面软弱围岩隧道穿越沈阎公路施工浅谈［J］.山西建筑，2010，36(29):325-326.

［5］ 李腾云.砂质黄土超大断面隧道下穿高速公路安全施工［J］.山西建筑，2011，37(10):153-154.