青峰断裂带软弱围岩坍塌处理及防塌方施工技术

赵付升

（中铁十四局集团 二公司，山东 泰安 271000）

西部大开发战略的实施为我国西部地区的发展和改革开放带来新的机遇，随着国家对基础建设投资的不断增加，我国高速公路建设得到了迅猛发展，公路隧道的建设量也越来越大。在我国西南部地区，片岩是隧道施工中遇到的主要围岩类型，塌方也是隧道施工中最常见的事故，因此，对片岩地区隧道塌方原因分析及处理的研究是很有必要的。

1 工程概况

青峰隧道为一座高速公路分离式长隧道，该隧道进口位于十堰市房县青峰镇枣树垭村境内，出口位于十堰市房县青峰镇八里匾村境内，隧道轴线方向约270°，呈东西向展布。左幅里程桩号为ZK75+280～ZK77+222，全长1942m，最大埋深约164.2m；右幅里程桩号为YK75+280～YK77+223，全长 1943m，最大埋深约 164.7m。

该隧道地处著名地质学家李四光命名的青峰活动断裂带，隧道洞身穿越3条断层及破碎带，总延长米达655m。活动性断层及破碎带主要分布有中风化绢云母片岩，有明显构造软弱夹层，围岩破碎，岩体完整性差，开挖自稳能力差。地下水主要为基岩裂隙水，洞室有渗水或滴水现象。隧道顶部开挖易坍塌，侧壁易变形。断层走向297°近直立。

隧道洞身受青峰断裂破碎带的影响，岩体中构造和小褶曲发育,施工过程中洞身开始大量出现片岩地质及部分零散段落。绢云母片岩岩体的抗剪强度低且对振动影响很敏感，岩体扭曲、揉皱现象明显，节理发育，岩体节理面光滑亮泽，往往夹杂有石英岩脉侵入体，并伴有地下水渗流。施工过程中出现了不同程度的初期支护变形、侵限、拆换和危及施工安全现象。

2 隧道塌方的基本情况

2.1 坍方情况介绍

2011年8月30日青峰隧道进口右幅掌子面施工至YK75+476，YK75+450-YK75+468段初支施工完成后，通过监控量测显示，初支沉降及收敛量大，并逐步侵限，随即停止掌子面施工，于掌子面向后施做临时扇形支护处理。在YK75+461-YK75+462段换拱过程中，围岩出现大面积渗水现象，于2011年9月7日6时30分YK75+461处发生坍塌，塌体将隧道掌子面全部掩埋。塌方体大部分为粉状强风化料，中间夹杂少量石块。经初步测算，塌方量约为500方。见图1、图2。

图1 坍塌现场照片

图2 塌方示意图

2.2 塌方原因分析

塌方段围岩属Ⅴ级围岩，岩层为云母片岩，云母、石英含量较高，节理发育，片理面光滑如镜无黏着力，岩层产状平缓，受青峰断裂破碎带影响揉皱现象较明显，隧道初支侵限段层状片岩具有一组隧道顺层结构面，该结构面的结合程度较差，云母含量较重，结构面遇水软化，降低了力学指标，致使围岩整体性降低，围岩发生层间错动而导致隧道塌方。

3 处理方案

3.1 处理指导思想

坍塌段围岩为娟云母片岩，片层节理蠕滑，自稳能力差,如不及时对坍塌面进行支护约束，坍情极易扩大。处理时先对塌体后方初支加固(YK75+450-YK75+460段)，使坍情得到控制，后封闭坍塌面，封闭时由于YK75+462-YK75+476段已被塌体覆盖情况不明,为确保施工安全先不进行处理,坍体加固处理完后将侵限段进行换拱处理，在进行掌子面施工。

3.2 具体处理方案

3.2.1 坍方处理顺序

坍体后方加固→YK75+458-YK75+462段坍体处理→YK75+450-YK75+462变形段处理→坍方段结构加强处理→施工掌子面。

3.2.2 坍体后方加固

1）对YK75+455-YK75+460段初支段进行加固，根据塌方前初支情况全环架设I18工字钢，纵向间距60cm，榀榀跟进，架立一榀喷砼一榀，护拱拱脚不得落于虚碴堆上，可在拱脚位置小范围清理平整，为防止拱脚下沉，在拱脚下垫方木。喷射砼时将方木包裹，做成扩大基础，防止拱架沉降。

2）架立I18工字钢护拱处，环向搭设径向系统φ42注浆导管，并注浆加固，已稳固初支作业面。

3）对YK75+457-YK75+460段初支面，护拱架设完成后，打设扇形支撑，并设横向支撑，支撑采用φ150钢管。

3.2.3 YK75+458-YK75+462段处理方案

当大跨度公路隧道处于断层破碎带时，因地质条件复杂、围岩整体稳定性差，使得当前和后续施工的质量和安全保证难度更大、要求更高，所以，在确定施工方案尤其坍塌处理技术方案时，必须本着“确保当前，兼顾后续”的原则。技术方案以“逐步揭露、逐段稳固，各种支护结构协同作用”为主旨、“自稳塌体，填实腔体，固结岩体”为步序，在实现顺利穿越坍塌的同时，加强超前支护保障后续施工。

1）隧道坍塌后，不要急于扰动岩体及塌方体，因为该段隧道处于断层破碎带，各种扰动对岩体稳定性有很大影响，大规模塌方过后随时可能出现小的坍塌体。所以，要任溶穴自由坍塌一段时间直至达到自然稳定方可进行下步处理。

2）待塌体稳定后，对塌体进行全方面封闭，由内到外，由下而上，逐段分层喷射砼,采用C20喷射砼，每层厚5厘米左右，喷砼厚度10厘米左右。

3）为保持掌子面岩体稳定，防止继续大规模坍塌，同时作为塌方处理的作业平台和后续洞身台阶法施工的台阶，先用左洞的石碴在掌子面堆填8～10m左右长度的平台，平台顶面距离设计开挖轮廓拱顶5.5m，并在平台范围外做出斜坡道供机械等上下。

4）为保证后序施工安全进行超前管棚支护，同时保证目前塌方的溶腔范围内进行各种施工的安全，并作为钢拱架施作时的支撑管架，塌体封闭后，在拱部范围打设一环钢管。钢管采用φ108钢管，环向间距40cm；长度6m、后方在已经施作完成的初期支护内1m左右；为保证有足够支承力，在钢管外端端头施作一榀支撑钢拱架。支撑钢管施作示意图见图3所示。

图3 钢管棚架端头工字钢示意图

为保证钢管棚架有足够刚度，打设完成后其内压入水泥浆，浆液水灰比为1∶1，注浆压力初压0.5-1.0MPa、终压2.0MPa。

5）管棚施工注浆结束后，开挖渣体，每循环60cm，开挖采用人工配以风镐开挖，人工装运，小推车运送，每循环开挖完后及时出喷C20喷射砼封闭周边及前方塌体，后施工施做护拱I18工字钢，间距60cm，立一榀喷一榀。

6）环向搭设φ42超前注浆小导管，间距40cm，超前注浆加固。小导管长5.0m，外插角10度，纵向间距60cm设置一环。小导管管壁钻设梅花孔，孔径1cm，间距15cm，导管前端做成尖状，顶进端1.0m长度内不钻孔。注浆采用劈裂注浆注浆终压2.0MPa，水灰比1：1，注浆材料为纯水泥浆，注浆可根据开挖体实际调整加以辅助剂。注浆前在导管口焊接注浆阀门，每一循环喷锚时必须将挡头封死保证注浆时不跑浆。

7）为使塌腔处按照设计尺寸要求架立拱架，喷射混凝土腔壳容易形成，在拱架外部交错铺设双层钢筋网，钢筋网外敷复合式防水板作为拱背封挡；喷射砼壳体厚度为26cm。

拱架及其他钢筋部件施作完成后，焊接固定预埋泵送砼管。泵送管预留时顶端距离塌穴顶50cm，预留在喷砼护拱下部的管口端不少于30cm。

8）喷射砼前先将预留泵送砼管口封堵，以防止喷砼堵塞管道。喷射砼时严格按照施作要求进行，务必保证喷砼层的密实度和整体厚度，以达到承载要求。

9）压注砼，充填塌穴

待腔壳喷射砼强度达到80%以上以后，遂泵送压注砼充填塌穴。充填砼型号为C25，分层压注，每层压注厚度1.0m左右。施作要点：压砼前，估算塌穴尺寸计算需要压入砼的方量，以避免压入量不足或压入过多；后一次压砼必需在前一次压入的砼强度达到设计强度的80%以上方可进行；安设拱架时，根据塌穴的总高度确定每次压注厚度后，埋设每层混凝土压注时的检查管，检查管采用φ42钢管，埋设位置尽量在溶穴最高处并保证浇筑过程中不会被混凝土堵塞。

充填砼施作完成后，利用喷射砼设备向砼护拱上方吹入砂子填充护拱和塌穴壁间的空隙作为缓冲层。具体见图4。

3.2.4 YK75+450-YK75+462变形段处理方案

该段拱部虽未发生坍塌，但拱部围岩已产生裂纹，裂纹最宽达2厘米左右，且该段右侧初支严重变形，左侧初支存在欠挖，前期坍塌处理时已搭设导管注浆，注浆完毕后采用风镐破除原初支砼再架立拱架。

1）经检查注浆效果合格后，换拱间距每循环60cm，一次拆除原立护拱，在原初支面上按设计断面采用人工持风镐开槽,开槽断面按照设计施工参数开槽，尺寸合适后及时进行喷射砼封闭。

2）每循环开槽后及时施工初期支护，I18工子纲，纵向间距60cm，喷射砼24cm，φ8双层钢筋网片，径向φ42系统导管长350cm，超前φ42注浆导管。注浆结束后待注浆强度达到后，在按循环继续换拱。

3.2.5 坍方段结构加强处理

1）对YK75+450-465段做衬砌加强处理，衬砌采用45厘米厚的C25钢筋砼。

2）坍方处理时所有加设的支撑必须待仰拱成环后、在衬砌施工前方能拆除。

3）拱背坍穴由于已泵送砼回填，为保证初支结构安全,不考虑二次回填。

3.2.6 监控量测

坍方后我们对YK75+450-465段5米设置一组观测桩,2-8小时观测一次，如遇数据异常，还及时进行了加测。

4 安全质量保证措施

4.1 由于施工作业面存在坍塌、落石等危险，在隧道处理坍塌的施工过程中，务必严格控制施工人员选配，抽调技术熟练的职工组成施工工班，本着精简、干练的原则组织人员进行施工，严禁多余人等进入工作面。

4.2 塌方处理施工期间，必须加强隧道内的通风、照明及材料供应的及时正常。要有专人负责观察围岩变化情况，如有危险，及时通知人员撤退到安全处。

4.3 初喷砼封闭掌子面及塌穴壁的施作是处理措施中重要的一环，关系到后续施作的安全和能否正常进行，所以，初喷施作必需保证受喷面充分、喷射厚度充分、初喷时间及时。

5 施工体会

5.1 应该做好隧道施工灾情应急预案并进行演练，一旦坍情发生后，立即启动应急预案，组织一个强有力的领导小组,按既定方案进行抢险处坍塌。

5.2 坍情发生后，应首先摸清坍体情况，根据现场实际情况确定合理的施工方案。坍塌后应根据实际情况尽快召开方案讨论会，与会人员应深入、客观、全面地讨论，方案形成后应扩大交底范围，由技术人员向工区主任、值班员、工班长交底,值班员或工班长向成员交底，使现场操作工人都知道具体方案。

5.3 坍塌发生后，应先加固未坍地段避免坍情进一步扩大，后根据实际情况尽快对坍塌面进行支护，处理时避免破除坍塌碴堆。坍方处理应稳中求快，严防冒进。

图4 坍塌处理示意图

5.4 坍方处理过程中，必须加强监控量测，我们通过加密的观测桩得出，坍方处理的措施是合理、安全的。

6 青峰断裂破碎带片岩软弱不均地层防坍技术

受青峰断裂带影响，隧道围岩均表现为破碎，自稳性较差，遇水后软化、膨胀易脱落、掉块。片岩软弱不均长出现，表现为隧道一侧围岩较完整、自稳能力较好，另一侧结构松散、胶结性弱或无胶结，自稳力差。此种地层施工易麻痹施工人员，往往得不到应有的重视。施工时应做到以下几点∶

6.1 工序组织、快速成环

步序合理、工艺到位和采取的一系列措施对隧道变形具有抑制作用，以二衬施工控制开挖速度,是减少变形拆换的一个有效方法。控制工序步长，化施工工艺，并对每个工序、工艺进行监控，确保工艺到位，严格控制工序步长,

6.2 超前地质预报，制定合理的施工方法

（1）软弱不均地层施工时，应全程采用风钻探眼，探眼深度控制在循环进度上，以便随时掌握软弱分界线走向位置。（2）软弱层应采用超前小导管预注浆法改善地层条件，软弱不均地层段应按软弱层支护参数加强支护强度，严禁出现随意拉大拱架间距、减小喷砼厚度等野蛮施工现象。（3）挖机扒碴时，严禁出现拉中槽现象。下断面施工时必须左右错开，且开挖进尺不得大于1榀拱架。

6.3 锚喷构筑法原理指导施工

（1）采用控制爆破，尽量减少对围岩的扰动，爆破后及时初喷并及早进行初期支护。（2）开挖时软弱侧收缩周边眼位置、实行隔孔装药，并通过小管棚预支护等辅助施工方法保证开挖质量，防止出现较大欠挖。（3）加强监控量测工作，及时反馈信息，做到信息化施工。对变形超限的初期支护要及时进行加固。

6.4 释放应力措施

由于绢云母片岩特殊岩性的影响，围岩变形量大易导致初期支护变形侵限，因此对大变形隧道的处理应按照先放后抗的原则进行，在临时支护约束下尽量释放变形，然后施作初期支护，二衬及时紧跟。

6.5 初期支护质量

（1）确保喷混凝土与围岩密贴，并保证喷混凝土强度。对超挖较大处，必须采用同级号的砼回填密实，并增设系统锚杆,严禁回填片石或其他杂物。（2）钢支撑间距符合设计要求，安装位置正确，保证接头处的等强连接，钢支撑拱脚增设锁脚锚杆加固。（3）严禁拱脚悬空∶严格控制上断面底板眼位置，如有超挖，应用方木支垫，并喷砼密实。

6.6 加强监控量测，增加预留变形量，满足施工需要

针对青峰隧道变形持续时间长、累计变形量大的特点，依据监控量测数据分析，增加了预留变形量，由设计的15cm增加到45cm。施工中通过对监控量测数据的分析和判断，对围岩-支护体系的稳定状态进行预测，并据此确定相应的施工措施，一确保围岩及结构的稳定与安全。

6.7 严格施工纪律

施工方案一经确定，操作人员必须严格执行，不得私自变动。严格的施工纪律，合理的工序安排，先进的施工工艺，严肃的管理制度是一套防坍塌的有效手段。

7 结束语

坍方原因与处理方法各异，坍方处理必须要根据现场实际情况，本着安全、快速的指导思想，制订合理的处理方案。

隧道施工，特别是长隧道施工，地质变化较频繁，设计勘测不可能做到万无一失，但通过合理的施工组织，必要的施工纪律，坍方是可以避免的。施工时做好超前地质预报，根据掌子面围岩变化确定合理的施工方案是避免坍方的首要条件;加强施工纪律、杜绝随意性施工，是避免坍方的必要条件。

［1］湖北省交通规划设计院.谷竹高速公路《施工图设计》[Z].

［2］湖北房县青峰断裂带的变形与变质作用研究[J].成都地质学院学报.

［3］隧道坍塌的预防及处理措施[J].工程技术.

［4］公路隧道施工技术规范[S].

［5］隧道塌方原因剖析及工程对策[J].铁道建筑技术.