板岩地层超大断面隧道塌方处理对策

许占良

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

在铁路隧道建设过程中，塌方是一种主要的施工灾害，尤其在板岩地层中修建超大断面隧道时，容易发生规模较大塌方，且处理困难，处理代价高。处理塌方一方面造成了经济损失，另一方面严重影响隧道的建设工期。隧道塌方处理方案不当，也会产生后果严重的次生灾害或给隧道未来的运营埋下隐患。结合某板岩地层超大断面隧道塌方处理，分析了塌方原因，提出塌方处理的基本原则及处理方案，作为类似隧道工程塌方处理的参考。

1 隧道断面情况

高标准铁路隧道断面需要考虑空气动力学效应，其断面设计一般较大，根据《高速铁路设计规范(试行)》要求，设计行车速度目标值350 km/h时，双线隧道净空有效面积不小于100 m2［1］。图1为隧道Ⅴ级围岩复合式衬砌断面，其开挖最大净高度为14.9 m，开挖最大净宽度12.6 m，开挖面积为152.4 m2。

2 隧道塌方情况

2.1 隧道概况

隧道进口里程DK17+400，出口里程DK23+025，隧道全长5 625 m，为单洞双线隧道;隧道最大埋深341 m。隧道内纵坡为19.95‰的单面上坡。

2.2 工程地质与水文地质

图1 Ⅴ级围岩复合式衬砌断面(单位:cm)

隧道范围地层主要为第四系上更新统残坡积层粉质黏土、粗角砾土、碎石土、块石土;泥盆系中统泥质灰岩(D2s)、石英砂岩(D2d);奥陶系下统砂质板岩(O1q2)、泥板岩(O1q1);寒武系炭质板岩(含钙);震旦系下统含砾砂质板岩;震旦系下统含砾砂质板岩(Z1c3)、含砾砂岩(Z1c3)、变质砂岩(Z1c3)、砂质板岩(Z1c2)、含砾砂质板岩(Z1c1)夹层状石英砂岩。隧道围岩分级统计见表1。

表1 围岩分级统计

隧道段地质构造复杂，岩相变化较大。根据区域地质资料，并结合地质调查，隧道穿越断层5条，其中2条为实测。隧道区整体表现为一平缓起伏的单斜构造。

隧道区内地表水主要为山间小溪及灌溉水渠，常年流水;地下水主要赋存于奥陶系、寒武系、震旦系基岩裂隙中，根据地下水赋存条件，可分为:第四系松散岩类孔隙潜水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水、断裂构造带中的构造裂隙水。

结合隧址区地层岩性、地质构造、水文地质条件，隧道最大涌水量为32 021 m3/d，隧道正常涌水量为6 198.3 m3/d。

2.3 塌方过程

该隧道塌方前掌子面里程为DK17+999，下台阶里程DK17+964，仰拱里程DK17+945，拱墙二衬里程DK17+916。起初出现拱顶局部塌方，继而塌方不断扩大，导致掌子面至二次衬砌端头83 m已完成的初期支护全部坍塌，端头衬砌裂损严重，衬砌台车损坏。

2.4 塌方规模

根据塌方后地质补勘结果资料，DK17+916～DK17+999塌方段，塌腔顶板最大高程340.0 m，距地表32.2 m，距洞顶79.7 m，估计塌方总量约7.5万m3，塌方体情况如图2所示。

图2 塌方体横断面(单位:m)

2.5 塌方前的监控量测

对隧道DK17+930.4断面塌方前监控量测数据统计，根据该数据分析，无论累计值及日均值均在规范允许范围内，并未发现较大变形。

3 塌方原因分析

从地质情况来看，隧道塌方段地层为古老的奥陶系浅变质砂质板岩，局部发育隐性构造节理密集带，岩体虽呈层状外观，但内部结构已被强烈切割过，隧道开挖扰动后，极易形成以层面为主导的不稳定体，当局部出现围岩失稳破坏后，造成在较长地段发生牵引型连续坍塌。

从外界影响因素来看，隧道塌方前，该地区连续3个月降雨，基岩裂隙水下渗量加大，软化围岩及降低结构面强度，加大围岩容重，是塌方的一个重要诱发因素。

施工过程中，超前地质预报和施工开挖均没有发现隐伏节理带这种特殊地质现象，在施工过程中的监控量测数据也未发现较大的变形。由于对隐伏节理密集带、硬质岩体脆性、变形突变等特性认识不足，未能对监控量测数据的变化趋势引起足够的重视，导致指导施工的监控量测措施未能有效指导施工，延误了采取应急措施的时机，是本次塌方的主观因素。

4 塌方处理对策

4.1 塌方处理基本原则

4.1.1 采取先超前注浆固结松散体后开挖的原则

为保证施工安全，采用对隧道开挖轮廓内及开挖轮廓外一定范围内的松散体采取超前注浆固结及加固，后开挖塌体的处理原则，以确保开挖过程中掌子面稳定及支护措施的顺利实施。松散体注浆加固范围不小于开挖轮廓外6～8 m，隧道开挖轮廓内松散体全断面注浆固结，以保证隧道开挖安全及运营期间的安全。

4.1.2 注浆方式确定原则

为保证注浆的顺利实施及注浆过程的安全可控，注浆采用前进式注浆及后退式注浆相结合的方式，前进式注浆用于辅助成孔，后退式注浆用于松散体注浆固结及加固。注浆浆液采用双液浆及单液浆相结合的方式，前进式注浆时采用双液浆，后退式注浆采用单液浆。通过超前注浆，逐段固结松散体，以确保注浆固结及加固能顺利实施。

4.1.3 处理工作面选择

根据补勘成果资料，塌方段为DK17+916～DK17+999，塌方总量超过7.5万m3，塌方规模巨大，预计单向施工处理时间超过6个月，因此选择考虑2个工区进行塌方处理，即1号斜井工区及进口工区同时进行塌方处理施工。

4.1.4 钻孔及注浆机械选择

顺利处理隧道塌方段，超前对松散体注浆固结及加固是最重要环节，因此需要选择合适的钻孔及注浆机械，根据类似工程经验及结合施工单位经验，选用RPD-180旋转冲击式钻机，并结合使用双液浆及单液浆，以实现对塌体的钻孔及注浆。

4.2 塌方处理主要方案

4.2.1 超前注浆整体段落划分

塌方前，隧道上台阶掌子面里程DK17+999，下台阶掌子面里程DK17+964。对DK17+916～DK17+964，采取隧道内塌体及开挖轮廓外分别进行全断面超前注浆加固及固结的措施;对DK17+964～DK17+999，采取对隧道内上台阶塌体及开挖轮廓外分别进行全断面超前注浆加固及固结的措施。

4.2.2 超前注浆循环段落划分

塌方处理段超前注浆起讫里程为DK17+916～DK19+999，注浆段落总长83 m。该塌方段落总共划分为4个注浆循环。即每一注浆循环长度25 m，注浆岩盘厚度3.0 m，有效开挖长度22 m。

第一循环设置止浆墙，止浆墙设置位置及参数如下:

DK17+914～DK17+916段设置第一循环止浆墙，厚度2.0 m，采用C20混凝土灌注，兼做超前长管棚导向墙。

第二、三、四循环设置止浆岩盘，止浆岩盘设置位置及参数如下:

利用注浆塌体作为止浆岩盘，DK17+936～DK17+939、DK17+958 ～ DK17+961、DK17+980 ～ DK17+983段分别设置为第二、三、四循环设置止浆岩盘，止浆岩盘厚度为3 m，开始注浆前对上台阶掌子面进行喷锚防护，具体参数为:喷射15 cm厚C30混凝土，φ10 mm钢筋网，网格间距25 cm×25 cm，锚杆φ22 mm砂浆锚杆，长度5.0 m。

4.2.3 超前注浆参数

(1)注浆孔均布置于上台阶，每循环布孔47个。

(2)注浆开孔直径110 mm，长度为3 m，设置φ108 mm壁厚5 mm孔口管;孔洞剩余部分钻孔直径均为91 mm。

(3)注浆范围为隧道开挖轮廓外8 m。

(4)注浆浆液为水泥水玻璃双液浆及水泥浆结合;辅助成孔时采用双液浆，超前注浆加固及固结时采用单液浆。

双液浆:32.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃40 Be';水泥浆水灰比=0.8～1∶1;水泥浆∶水玻璃浆液=1∶0.8。

水泥浆:32.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比=0.8～1∶1。

(5)单孔有效扩散半径3.0 m。

(6)隧道开挖轮廓内地层注浆压力0.5～1.0 MPa;隧道开挖轮廓外地层注浆压力0.5～1.5 MPa。

4.2.4 注浆控制标准

(1)单孔结束标准

①注浆压力逐步升高至设计终压，并稳定10 min;

②注浆量不小于设计注浆量的80%;

③进浆速度为开始进浆速度的1/4。

(2)全段结束标准

①所有注浆孔均已复核单孔结束条件，无漏注现象;

②浆液有效注入范围大于设计值。

(3)隧道开挖轮廓外注浆后效果检查

①钻孔检查法:按总注浆孔的5% ～10%设置检查孔，检查孔应在均布的原则下，结合注浆资料的分析布设;检查孔应无涌泥、涌砂，不塌孔，渗水量应小于0.2 L/(min·m)或小于设计涌水量，否则应予补注;

②钻孔取芯法:通过钻孔取芯观察地层的注浆加固效果;

③压水试验法:对检查孔进行压水试验，当吸水量大于1 L/(min·m)时，必须进行补充注浆。

(4)隧道开挖轮廓内注浆后效果检查台阶法开挖时，掌子面能够自稳。

4.2.5 超前支护措施

超前支护采用超前长管棚及间隔超前小导管联合支护方案，具体参数如下。

(1)超前长管棚

管棚长度:30 m，纵向一般每22 m一环。

管棚全部采用钢花管，钢花管规格:热轧无缝钢管，外径108 mm，壁厚5 mm。每节钢花管两端均预加工成外丝扣，以便连接接头钢管。

管距:管棚环向设置间距按30 cm布置。

倾角:外插角7°～9°，推荐一般情况下采用8°。

注浆材料采用水泥浆液，水泥浆液水灰比1∶1(质量比)或根据现场确定;

注浆压力:0.5～1.0 MPa或根据现场确定。

(2)超前小导管

超前导管规格:热轧无缝钢花管，外径42 mm，壁厚3.5 mm。

小导管环向间距为30c m。

倾角:外插角以10°～15°为宜，可根据实际情况作适当调整。

注浆材料为水泥浆液，水泥浆液水灰比1∶1(质量比)或根据现场确定;

注浆压力:0.5～1.0 MPa或根据现场确定。

小导管采用φ42 mm无缝热轧钢管制成，在前部钻注浆孔，孔径6～8 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于30 cm，作为不钻孔的止浆段。

4.2.6 衬砌支护参数

隧道塌方段衬砌采用加强复合式衬砌，为提高钢架的纵向刚度，钢架间连接筋采用φ20 mm钢筋，布置型式为V型。复合式衬砌具体参数见表2。

表2 加强复合式衬砌参数

4.2.7 隧道排水加强措施

隧道穿越塌体地段，采用每排水单元增加2道φ50 mm环向透水盲沟措施，加快排除衬砌背后的集水。避免衬砌背后出现积水，而恶化围岩条件。

4.2.8 施工方法

采用三台阶临时仰拱并增设临时竖撑法施工。为满足管棚施工条件，在加强初支等安全措施的保证下，局部工法可适当调整。

4.3 塌方处理主要步骤

根据大型塌方处理的主要设计思路，塌方处理的主要施工步骤如下:

(1)施做DK17+914～+916段超前注浆操作平台;

(2)施做DK17+914～+916段第一循环超前注浆止浆墙;

(3)施做第一循环超前注浆，加固及固结塌体;

(4)施做超前长管棚;

(5)塌体开挖;

(6)塌方段防排水系统及二次衬砌施做;

(7)施做下一循环超前注浆及超前长管棚;(8)继续开挖及衬砌。

4.4 塌方处理效果

该隧道在采取上述处理方案后，开挖及支护体系施做顺利，从掌子面看，注浆达到预期效果，从后期监控量测数据来看，累计最大沉降量不大于10 mm，塌方段安全、顺利通过。

5 结论

超大断面隧道较大规模塌方处理极为困难，同时存在极高的施工风险。因此，寻求合理的的处置方案，才能够降低施工风险、减少工程投资增加及确保施工质量、施工工期。通过本次大型塌方处理，得出以下几点结论。

(1)隧道内塌体开挖前，应先行对塌体进行超前全断面注浆加固处理，以保证开挖过程中掌子面的稳定和支护体系的顺利实施。

(2)超前注浆浆液和注浆方式的选择，应以保证在塌方段落松散体内顺利成孔和实现设计注浆效果为前提。

(3)对于隧道大型塌方，注浆加固范围应足够，以确保加固后的塌体围岩具备相应的围岩抗力系数。

(4)合理选择注浆钻孔机械，是处理大型塌方的关键。

(5)板岩地层隧道施工时，施工过程中，对监控量测预警指标应有更加严格的标准，并与非板岩段落分开进行管理与指导施工。

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