新开岭隧道围岩软弱夹层段塌方原因及工程对策

施洪乾

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

地下隧道工程开挖前，围岩应力在初始地应力场处于三轴压力的平衡状态。当隧道开挖后，围岩应力重新调整分布，使围岩物理力学参数恶化，引起围岩产生位移，形成松弛［1］－［3］。当围岩无自稳能力且支护结构没及时形成或强度不足时，引起隧道塌方［4］、［5］，从而延误工期、增加工程造价，也会对现场施工技术人员人身及生命造成巨大的危害。所以，如何避免塌方，分析塌方原因并提出合理的工程对策，保证隧道施工及运营阶段安全是隧道工程界普遍关注的问题。

本文以安徽六安某高速公路新开岭隧道围岩软弱夹层塌方段为工程背景，通过现场勘察分析其塌方原因，针对其塌方原因提出合理的工程对策，有效避免了塌方事故再次发生，确保隧道安全施工。本工程的经验可为类似隧道工程设计、施工提供参考。

1 工程概况

新开岭隧道为双车道公路隧道，右线隧道总长3 229 m，左线隧道总长3 179 m。隧址区节理、裂隙较为发育，隧道部分区段穿越强风化岩质夹层。

隧道YK33+531～YK33+524段原设计为Ⅲ级围岩，设计地质情况为弱～微风化花岗岩，岩石节理，裂隙较发育，岩体呈巨块(石)碎(石)状镶嵌结构，岩体较破碎。地下水不发育，主要为基岩裂隙水，水量贫乏，该段原设计支护形式为Ⅲ级围岩锚喷支护，围岩稳定性较好。

通过对YK33+531处掌子面围岩地质观察，其围岩为强－中风化花岗岩，岩石节理发育，掌子面围岩较为破碎，风化程度高。中部有一条自拱顶向底边贯通的夹层，围岩稳定性较差。依据动态设计、动态施工的原则，将YK33+531～YK33+524段由原设计的Ⅲ级支护形式变更为Ⅳ级围岩一般支护形式，且已经开始施工。在施工里程YK33+526.5～YK33+524.5进行立拱架、布设钢筋网、安设锚杆等工序时，在无任何征兆的情况下，该段洞顶突然出现坍方，并延伸至YK33+530.5处，将YK33+530.5～YK33+526.5段已施工的I 12工字钢拱架压垮，塌陷总体积约为400 m3，塌陷最大高度达2.8 m，塌陷平均高度为1.2 m。

塌方区原设计为Ⅲ级围岩，设计变更为Ⅳ级围岩，采用Ⅳ级一般支护形式。其具体初期支护参数:φ25中空注桨锚杆L=3.0 m，间距100 cm×100 cm，I 12工字钢，间距100 cm，喷C25混凝土，厚度18 cm。

2 塌方原因分析

2.1 地质因素

通过对塌方区地质勘察，确定塌方体为强风化花岗岩，岩石节理、裂隙发育，岩层极其破碎，结构松散，无黏结力。岩层中间夹杂着黏土，而且渗水较大。该处存在滑动面且表面光滑，由此可知该塌方区围岩地质条件差、物理力学参数低、围岩自稳性极差是造成塌方的主要原因。经判定此段符合Ⅴ级围岩特征，与原设计地质情况存在较大差别。

2.2 施工因素

塌方区原设计为Ⅲ级围岩，虽然后来通过现场掌子面描述确定围岩条件较差，但又将本属于Ⅴ级围岩判定为Ⅳ级围岩，采取Ⅳ级一般支护参数进行施工，由于对围岩级别判定不够准确，因此变更后的支护强度仍然不足，导致已支护区段也发生塌方。所以，对围岩级别判定不准确，导致初期支护强度不足是发生塌方又一原因。

2.3 地下水因素

此段隧道埋深为45～50 m，地下水类型主要为节理裂隙水，主要来自地表水补给。由于当时连日下雨，地表水下渗软化围岩，降低围岩粘聚力和摩擦角，围岩自稳能力减弱，在初期支护未及时施作完成的情况下，围岩突然失稳，发生塌方。

3 工程对策

依据塌方区工程地质条件、塌方模式、施工安全等因素确定塌方处理工程对策。

3.1 总体方案

(1)增强塌方影响区段支护强度，避免再次坍塌。对YK33+538.5～YK33+530.5段加设I 18工字钢并喷射一层30 mm厚的混凝土加强支护，拱架间距1 m，每榀拱架两侧用8根φ22长3 m砂浆锚杆进行锁脚;

(2)封闭塌方体围岩，增强其自稳性。对YK33+530.5～YK33+524.5坍方区段围岩表面喷80 mm厚的混凝土，封闭坍塌处外露表面围岩;

(3)提高塌方区支护强度，及时施作并形成护壳。将塌方区支护参数提高为Ⅴ级加强，对坍方段架立Ⅰ18工字钢拱架，拱架间距为0.5 m，安设锚杆、挂网，喷射25 cm厚的混凝土，形成护壳;

(4)填充塌腔体，避免帽顶。对塌方体空腔采用C25的泵送混凝土填充密实;

(5)加强位移监控量测。对塌方区段及其附近增加位移监控量测断面，增加量测频率，获取位移及初期支护结构拱顶及边墙的变形信息，预测和判断其稳定性。

3.2 施工方案

(1)为防止塌方继续发展，在塌方段后方8 m范围内架设I 18工字钢拱架，对已施工初期支护进行加强支撑。拱架间距为1 m，共设9榀，每榀拱架安设8根φ22长3 m的锁脚锚杆，拱墙处2根，拱脚处2根，拱架之间采用φ22纵向连接钢筋连接，环向连接钢筋间距为100 cm，在钢架支护的内缘、外缘交错布置。本段I 18工字钢支撑为临时支撑，二次衬砌施工前如该支撑未侵入限界内，则不予拆除，否则予以拆除，以保证二次衬砌混凝土厚度;

(2)在YK33+538.5～YK33+530.5段喷射一层30 mm厚的混凝土，将I 18工字钢拱架与原喷射混凝土面之间的间隙填实，使拱架受力均匀;

(3)YK33+538.5～YK33+530.5段加强支撑稳固后，在此加强拱的掩护下，对塌腔体表面初喷一层强度C25，厚8 cm混凝土，封闭塌方体围岩表面;

(4)在YK33+530处沿圆弧方向架设第1榀I 18工字钢拱架支撑，对局部侵限的部位进行修整，在未出现坍方侧面安设φ22砂浆锚杆。锚杆长度为3 m，间距为50 cm×100 cm，在拱墙及拱脚处各安设两根φ22锁脚锚杆，每榀共设8根，锚杆长度为3 m。在YK33+530.5～YK33+530段拱架间铺设φ8钢筋网，网格间距20 cm×20 cm。该榀拱架与YK33+530.5处拱架之间采用φ22纵向连接筋连接，连接筋环向间距为100 cm，在钢架支护的内缘、外缘交错布置;

(5)在YK33+530.5～YK33+530段坍塌处I 18工字钢拱架外缘支立模板，然后整段喷射一层25 cm厚的混凝土;

(6)第1榀拱架间混凝土凝固后，在该榀拱架的掩护下，于YK33+529.5处安设第2榀I 18工字钢拱架，并在未出现坍方侧面安设φ22砂浆锚杆，锚杆长度为3 m，间距为50 cm×100 cm，在拱墙及拱脚处各安设两根φ22锁脚锚杆，每榀共设8根，锚杆长度为3 m。在YK33+530～YK33+529.5段拱架间铺设φ8钢筋网，网格间距20 cm×20 cm。该榀拱架与YK33+530处拱架之间采用φ22纵向连接筋连接，连接筋环向间距为100 cm，在钢架支护的内缘、外缘交错布置;

(7)在YK33+530～YK33+529.5段坍塌处I 18工字钢拱架外缘支立模板，然后整段喷射一层25 cm厚的混凝土;

(8)在施工拱架的掩护下，采用与第一、二榀拱架相同的方法以0.5 m的间距在YK33+529、YK33+528.5、YK33+528、YK33+527.5、YK33+527、YK33+526.5、YK33+526、YK33+525.5、YK33+525、YK33+524.5处安设第 3～12榀I 18工字钢拱架，喷射一层25 cm厚的混凝土，并在第6、7榀拱架之间坍塌最高点处埋设两根φ120钢管，钢管长度为2.9 m，管口距坍塌最高点喷射混凝土面15 cm，作为在坍方处填充混凝土时的混凝土输送导管和通气管;同时在第6、7榀拱架之间埋设两根φ42注浆小导管，导管长为3.0 m，管口距塌体喷射混凝土面3 cm，作为后期注浆用;

(9)待YK33+530.5～YK33+524.5段喷射混凝土达到一定的强度后，通过埋设好的两根φ120钢管，向塌方处填充C25泵送混凝土，将空腔填实，填充数量为121.8 m3。混凝土填充分3次进行，第一次填平拱顶，填充数量为44 m3;待混凝土达到设计强度的85%时进行第二次混凝土填充，第二次填充高度为拱顶以上1 m，填充数量为42 m3;待第二次填充混凝土达到设计强度的85%时，进行第三次混凝土填充，将坍体空腔填实，填充数量为35.8 m3;

(10)塌腔混凝土达到设计强度100%，在塌体两脚边处设置φ22砂浆锚杆，锚杆长度为3.5 m，间距为50 cm×100 cm，设置6排，呈梅花型布置;

(11)通过预埋注浆小导管向塌腔内注1∶1水泥浆，使填充混凝土与原岩面紧密结合。

4 结论与建议

通过对新开岭隧道围岩软弱夹层塌方段工程对策进行详细论述主要得出以下结论和建议。

(1)地质因素为引起工程塌方的主要原因，围岩条件差其自稳性就差，易引起塌方。所以现场应做好掌子面地质描述工作，及时分析和预测掌子面前方围岩情况，确保围岩级别判定准确和支护参数满足强度要求;

(2)增强塌方影响区段支护强度;封闭塌方体围岩，增强其自稳性;提高塌方区支护强度并及时施作;填充塌腔体，避免冒顶等工程对策是处理塌方体的有效措施;

(3)该施工方案实施后，塌方段初期支护结构已趋于稳定，说明该工程措施有效、安全、可靠，其塌方工程对策为类似隧道工程设计、施工提供参考。

［1］杨会军，王梦恕.隧道围岩变形影响因素分析［J］.铁道学报，2006，28(3):92－96

［2］朱仁景.公路隧道围岩与支护结构稳定性研究［D］.重庆:重庆交通大学，2007

［3］关宝树.隧道力学概论［M］.成都:西南交通大学出版社，1993

［4］关宝树.隧道设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003

［5］JTJ042－94公路隧道施工技术规范［S］