隧道浅埋偏压断层破碎带塌方处理施工技术

陈春华

（中铁十一局集团一公司，湖北 襄阳 441104）

1 工程概况

乐昌至广州高速公路梅花隧道位于广东省乐昌市梅花镇境内，设计为左、右洞双向六车道，隧道最大开挖断面宽度19.09m。隧道左洞原设计在区域构造上属于湘粤坳褶束中的粤北凹褶束与粤中坳褶中的连龙凹褶束的接壤处，构造发育，以南北向华夏系构造为主体。左洞ZK24+205～ZK24+335段设计为V级围岩，顶板厚12.2～39.5m，该段浅埋偏压作用明显，岩性为东岗岭组（D2d）中风化灰岩，夹微风化灰岩，为断层通过地段，岩体破碎、岩溶强烈发育，富含岩溶裂隙水，岩体完整性系数Kv=0.35，稳定性较差。其中，ZK24+220～ZK24+230段为物探推测断层破碎带。ZK24+200～ZK24+330段地表为一溶蚀洼地，岩溶强烈发育，主要为半充填及全充填溶洞，呈漏斗状、串珠状延伸穿越隧道，溶洞分布数量较多，规模较大，施工开挖易产生坍塌、基底塌陷，遇雨季易产生较大规模涌水。

2 塌方段勘察情况

左洞施工至ZK24+249时，隧道ZK24+215～ZK24+248段发生塌方并冒顶，塌方由外向里延伸，塌方长度达33m。地表勘察发现地表有明显塌坑，塌坑里程ZK24+218～ZK24+249，面积约400m2、深度约1.5m；整个塌坑最宽处约25.5m，分别在距线路中心线右偏2.9m、左偏12.1m位置呈现明显的塌陷落差，在地表出现一明显的落水洞，落水洞中心距线路中心线左偏5.1m，半径约4.6m。落水洞四周地表已开裂，裂缝宽度约15cm。塌方段地表情况如图1所示。

图1 隧道塌方段洞顶塌陷地貌图

结合现场勘察情况，塌方段与设计推断ZK24+220～ZK24+230段破碎带（WF27）影响范围基本吻合。ZK24+224断面可见三块整体掉落的直立层状块石，横向宽度达6～8m，填充整个隧道断面，岩石表面较光滑，夹杂软弱层；左侧出现溶腔及填充的粘土。根据现场勘查情况并结合设计情况分析，隧道塌方段分布情况如图2所示。

图2 隧道塌方段纵向分布示意图

3 施工技术难点

施工技术难点主要包括以下内容：a）隧道塌方段已发生冒顶，围岩为松散岩堆且夹杂溶洞填充物，成拱效应极差，处理过程中极易发生二次塌方；b）隧道顶部地表为溶蚀洼地，隧道塌方处理施工时如遇雨天，地表水将沿空隙进入塌方体，给施工带来极为不利的后果；c）塌方段属浅埋偏压地段，隧道右侧偏压作用明显，隧道施工的安全风险较高；d）隧道塌方体为松散岩堆，钻孔时易造成 “卡钻”，钻孔施工难度大；注浆加固作业时浆液扩散范围大，存在注浆量大幅增加但加固效果不明显等不利因素。

4 施工处理方案

4.1 地表引水及防水处理

隧道塌方段洞顶地表覆盖土为黄褐色高液限粘土，厚度约1.5～3.0m。因隧道塌方冒顶，地表有明显陷坑及裂缝，陷坑处有水流渗入的痕迹。

沿塌方段洞顶隧道中线方向，对出现裂缝的地表覆盖层粘土进行了部分机械挖出后，进行了夯实处理。受地形限制，碾压设备无法到达隧道洞顶，夯实以挖掘机平整碾压为主，人工小范围辅助夯实为辅。

为避免地表水进入塌方体后对隧道施工造成不利影响，对陷坑渗漏处进行了灌浆堵塞处理，陷坑内壁敷设不透水土工布后进行了砂浆抹面，并挖引水沟将陷坑内的积水引走。

4.2 塌方段起点设置“锁口圈”

为防止塌方处理时塌方段向洞外方向发展，在塌方起点设置了“锁口圈”。“锁口圈”长度为10m，即在进入塌方体前的10m洞身范围按0.5m/榀设置Ⅰ18工字钢临时钢架，再设置径向φ42注浆小导管，小导管长5m，按1.0m×0.5m梅花型布置。

临时钢架设置完后，靠近塌方体一侧的4榀临时钢架以喷射砼封闭形成“锁口圈”。二衬施工靠近临时钢架时，对临时钢架及“锁口圈”进行拆除，然后再施作二衬。

4.3 洞内中管棚超前支护

洞内超前支护采用了φ108中管棚进行超前支护，管棚每循环长度12m，每环41根，沿隧道拱顶两侧对称均匀布置。

洞内管棚施作必须设置导向墙，为避免侵限，传统做法是对隧道断面进行扩挖后设置砼导向墙。为避免隧道断面扩挖对隧道围岩造成扰动，管棚导向墙以2榀并列为一体的Ⅰ20b工字钢钢架替代，管棚外插角适当增大，控制在3°～5°范围内。管棚搭设完成后进行管棚注浆，浆液采用“水泥—水玻璃”双液浆，配合比按重量比即水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶0.1配置，注浆压力为0.5～2.0MPa。注浆根据塌方体空隙情况分多次进行，即为防止浆液过度扩散造成浪费，前一次注浆完成、浆液达到初凝状态后再开始下一次的注浆。

4.4 开挖支护作业

4.4.1 控制每循环进尺

管棚超前支护完成后进行开挖作业。根据围岩情况及监控量测数据动态调整每循环开挖进尺。通常情况下，每循环开挖进尺控制在0.5m。每循环开挖完成后，及时进行钢架支护喷锚封闭。

4.4.2 小导管径向分层次打设及注浆加固

开挖支护进行6～8个循环（即累计进尺达到3～4m）后，进行小导管径向分层次打设注浆作业。这个工序是塌方段处理施工的关键一环，其目的是改善塌方段四周围岩，增强其自稳能力：即通过注浆使隧道围岩形成一圈管状的加固圈，以承载松散塌方体对其形成的压力。随着隧道开挖进尺的加长，管棚的承载作用由主要变为次要，而注浆加固圈的承载作用则由次要变为主要。因此，注浆加固圈的施工质量是处理隧道塌方段成败的关键因素之一。小导管径向分层次注浆加固形成注浆加固圈施工分三个层次进行（如图3所示）。

图3 小导管分层次打设及注浆示意图

第一层次先均匀打设占总根数1/3、长度1.5m的小导管并进行注浆，主要对隧道开挖断面以外0～1.5m范围的围岩进行加固，并可作为第二层次注浆的止浆盘；第二层次再均匀打设占总根数1/3、长度3.0m的小导管并进行注浆，主要对隧道开挖断面以外1.5～3.0m范围的围岩进行加固，并可作为第三层次注浆的止浆盘；最后打设占总根数1/3、长度4.5m的小导管并进行注浆，从而形成总厚度为4.5m的注浆加固圈。注浆加固圈形成后，隧道支护体系整体的承载能力将大大提高，是顺利穿过过塌方段的可靠保障。

4.5 二衬施工跟进

在塌方段处理过程中，在满足施工空间的前提下，二衬要尽量跟进开挖掌子面及时施作，以保证塌方段施工安全。

5 施工注意事项及监测成果

5.1 超前地质预报

塌方段施工前要做好超前地质预报工作。塌方段长度为33m，因此主要采取超前水平钻孔的方式。超前钻孔的目的主要是探明塌方段的地质情况以及坍塌程度，为确定施工方案及支护参数提供信息。

5.2 注意事项

5.2.1 在施工过程中严格按隧道施工规范要求做好监控量测工作。隧道监控量测分隧道顶部地表的沉降位移观测及洞内沉降收敛观测两部分。洞内沉降收敛观测断面按每5m一个断面设置观测点。当遇到沉降收敛较为明显的情况时，则采取加密观测断面及加大观测频次。观测数据整理后及时下发技术交底告知作业层。

5.2.2 严格按照既定的施工方案施工。一般情况下，不得随意更改施工方案内容。如确因施工现场情况与方案不符，必须经技术组确认并重新制定方案后方可实施。

5.2.3 管棚及径向小导管注浆施工是塌方施工处理的关键工序，尤其是注浆质量必须由相关技术人员全程监控，确保质量。

5.2.4 雨天禁止进行开挖支护作业，且要做好地表防排水及洞内堵水工作。严禁让水流浸泡塌方体和在塌方体内形成成股水流，对施工造成不利影响。

5.3 沉降收敛监测

5.3.1 监测成果

隧道沉降变形成果如图4所示，隧道收敛变形成果如图5所示。

图4 最大沉降断面变形曲线图

图5 最大收敛断面变形曲线图

6 结语

从整个塌方段处理施工过程看，包括施工准备、前期预处理、管棚施工及开挖支护等作业工序，共历时62d，正式处理阶段55d，平均每天进度0.6m。从冒顶隧道塌方段处理施工进度看，施工进度较快。

从沉降观测的数据来分析，施工期间隧道拱顶最大沉降量为30.2mm，最大断面收敛值为30.1mm，从检测结果分析，施工质量有可靠保障，效果较好。

上述塌方处理施工的关键控制点是管棚及小导管注浆施工，尤其是小导管分层次注浆采取了不同长度、多梯次的注浆模式，较以往设计节省了工程量，且注浆效果较好，值得推广。

[1]JTG F60—2009，公路隧道施工技术规范[S].

[2]JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[3]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.