双排超前小导管在地铁隧道洞身塌方换拱处理中的应用探究

孙世芳

（中铁十八局集团有限公司第四工程公司 天津 300350）

1 工程概况

某地铁隧道位于昆明市内，隧道全长1 080 m，进口端采用斜井进洞，斜井平长140 m。斜井净空为4.7 m（净宽）×5.75 m（净高）。

斜井施工时采用台阶法开挖，人工掘进，采用注浆小导管作为超前支护，钢架与喷锚网联合支护紧跟。洞身掘进约10 m后，于XK0＋125～＋136段（长11 m）处开始出现拱顶规模不等的拱架下沉开裂及掉块。掘进至里程XK0＋113处时于XK0＋113～＋124.5段（长11.5 m）段出现大面积塌方，损坏钢拱架22榀，该段初期支护全部破坏。

斜井洞身出现塌方之前拱顶最大累计下沉105.5 mm，地表沉降最大累计429.31 mm，洞内收敛累计最大119.06 mm。仰拱施工里程为XK0＋124.5；该段右侧钢拱架失稳内敛约60 cm，初支砼严重剥落，变形过程中XK0＋115～＋118右侧拱脚处、XK0＋118～＋122右侧墙角处分别流出黄色、黑色泥浆；地表沉陷深约1.7 m，面积约70 m2。

2 坍方原因分析

坍方发生后，建设、设计、施工、监理和其它相关单位多次到现场勘查和研究，经查阅设计文件、施工资料和现场踏勘，特邀公司隧道、地质专家来现场指导处理，确认其坍方原因有：

2.1 地下水影响因素

施工期间为当地的雨季，昆明自古有“山有多高，水有多长”之说，斜井穿越区原为山系冲沟，距洞口25 m，隧道中线右侧13 m处有一民用水井，井底在隧道拱顶以上72 cm、井口位于拱顶以上5.7 m、常水位线位于拱顶以上4.6 m，水井抽干后12 h水位即恢复。同时在隧道右侧边墙部位一直有渗、流水现象，其中洞口段一处常流水日流量200 m3/d，在洞身施工中多次出现涌水、涌泥现象。从地表地形来看，洞址周围汇水面积较大，上方又有绿化用水，加上降雨量充沛，土体渗透性好，导致地下水位高，围岩含水量大。地下水对洞身周边土体起到了软化作用，致使隧道围岩具有蠕变和流变特性，极大地增加了隧道的侧向压力，改变了岩体的物理力学性质，破坏了岩体的完整性，降低了岩体强度。因此，地下水是造成斜井洞身出现塌方的最根本原因。

2.2 地质岩性因素

本隧斜井该段开挖揭示，斜井穿越区拱部土质为黄色粉质粘土、中部为黄土、黑色胶状泥土，土体含水量较大，手握即成团，洞趾坐落于炭质泥岩上，炭质泥岩遇水即成泥,承载力急剧降低，围岩自身稳定性极差，基底承载力曾检测≤140 kpa，实际施工揭示的围岩状况应判定为Ⅵ级为宜，不能形成平衡拱是诱发塌方的主要成因。

2.3 地形地貌情况

塌方段地表左侧为高坡，右侧为沟谷，高差较大，形成偏压地形，且最小覆盖层仅5 m。洞顶偏压给初支拱架受力造成了极为不利的影响，使右侧失稳成为可能。

2.4 支护拱架参数

自XK0＋115～＋113掌子面段仍采用原设计I14工字钢支护参数，没有及时变更加强，在受力不均匀作用下容易失稳。

2.5 施工不当因素

施工人员对隧道地质条件的变化及复杂性认识不足，工程措施不到位或针对性不强。开挖掌子面覆盖层较薄，且上部有居民便道从洞顶横穿经过，重载车辆对支护强度尚未形成的土质隧道稳定性造成不利影响，加剧了围岩变形的变化趋势；外加施工过程中洞内积水抽排不及时，以致造成开挖面拱脚部位被水浸泡，以及施工扰动等原因，拱脚围岩自稳能力下降，进一步降低了基底承载力。施工中出现问题如能及时反映，及时有针对性采取变更加强措施，即可避免事故或减少损失。

3 塌方处理技术方案

（1）首先进行水防治，在塌方地表上游设置截水沟，截排地表水，防止雨水的渗入；线路右侧打设降水井若干，井底深入到斜井基底以下3 m，24 h不间断抽水，降低地下水位，减少围岩地层水对围岩开挖造成的不利影响。

（2）塌方的地段设计图纸所采用支护的安全系数较低。且受前方塌方的扰动，很有可能出现再次塌方，采用Φ42小导管（L=4 m）对XK0＋125～＋136段（长11 m）既有施工段进行侧墙及拱部支护加强处理，梅花形布置，注浆锚固；内侧再行施作一环加强钢拱架喷砼支护，喷C20混凝土20cm厚，确保塌方段端头不再继续产生塌方。

（3）对于坍方段，在塌方发生后，采用回填建筑垃圾进行反压，对侧壁流砂造成的围岩空洞及建筑垃圾进行注浆加固；对右侧沟谷进行了回填，消除偏压影响。洞顶塌方段回填，采用 L=4mφ 42注浆小导管进行地表注浆措施加固处理，加固洞顶上方土体，使之形成统一整体，地表采用细石混凝土覆盖硬化处理,避免雨水下渗影响围岩土体稳定性。

（4）对洞顶上方便道进行改移，消除重载车辆对隧道开挖造成的反复性影响。根据现场实际情况，并与当地村民取得一致性意见，对既有便道进行了改移。

（5）根据塌方原因分析及前期处理措施，结合类似工程经验，采取“洞外井点降水，洞内双层小导管超前支护，台阶法施工，逐榀换拱”的处治方案。具体见图1所示。

（6）根据初期支护断面测量成果，确定拱部初期支护侵限范围，在现场画出换拱范围。在该范围内先用双层小导管超前支护在换拱范围内全部进行预注浆，待预注浆达到强度后，每次用风枪凿除1榀拱架初期支护，按设计开挖轮廓线人工凿除欠挖部分围岩土，割除侵限部分工字钢拱架、钢筋网片、纵向连接筋，按设计要求挂设钢筋网，重新支立拱架并进行可靠连接，然后喷射混凝土，完成一次换拱循环。

图1 洞内双层小导管超前支护形式示意图

（7）由斜井大里程向小里程方向逐榀对侵限初支拱架进行置换。每榀置换后及时进行喷射混凝土封闭，置换长度根据现场量测结果灵活确定，但置换长度不得超过3 m，必须及时施作加强支护。

（8）整环换拱：根据断面量测结果，个别断面初支拱架需要整环换拱。在需换拱拱架旁边先进行刻槽，然后将置换的拱架嵌入槽中，确保拱架的连接及锁脚锚管的施作质量符合设计及规范要求。当置换拱架后经围岩量测变形稳定后方可拆除原有侵限部分拱架。

（9）局部换拱：大部分侵限拱架位于拱部右侧，需要对局部拱架进行置换。在拱架置换前，采用红油漆对需置换拱架进行标注，先对不需要置换的拱架的拱脚部分进行施做锁脚锚管加强支护，锁脚采用Φ42的锁脚锚管，L=4 m，施作方向与水平下倾角呈45°夹角，紧贴拱架施作，锁脚锚管与拱架采用直径Φ22的U型钢筋有效焊接，每个拱脚设不少于4根锁脚锚管。待原有无需置换拱架加强支护完成后，将需置换部分拱架割除，然后进行刻槽，达到设计深度后，将置换的拱架嵌入槽中，保证置换前后的拱架连接质量，连接方式采取原设计拱架间的钢板+连接螺栓方式有效连接。纵向连接筋采用U型筋。置换后按照原设计位置施作锁脚锚管，及时喷射混凝土封闭。

4 施工监控量测

通过监控量测的结果来确定支护的稳定性。洞内每个断面在拱顶、拱腰及边墙共布设了 5个监控点，每隔3 m设置一组测点，以拱顶和拱腰的下沉监测为重点，边墙以水平收敛监测为主。观测点的埋设一般在喷射砼之前完成，第一次量测时间在喷射砼完成。每天4h量测1次，当出现不稳定征兆时增加测量次数。

根据量测结果找出回归方程，并及时绘制成变形曲线及应力-应变曲线，由回归方程推算最终的位移值，以判定最终变形值，再根据变形量及时调整开挖预留变形量和支护参数。

5 体会

此次塌方事故采用超前双排小导管换拱处理措施，保质保量且进度快速，效果较好，得到了专家组的好评，主要因方案正确、措施恰当、及时处理、组织严密。主要有以下几点体会：

（1）处理塌方必须及时。塌方事故发生后，需详细察看塌方情况，仔细查找分析塌方原因，对症下药，对造成隧道塌方的因素逐个解决落实，因地制宜，综合治理，才能确定最佳施工方案。

（2）在隧道内实施监控量测，切实用监测数据指导施工。围岩监控量测是保证隧道施工安全的排头兵，通过监测数据分析可以判断围岩的稳定性，及早采取处理措施，并对所采取的处理措施有效性做出正确评价，必须将监控量测纳入施工工序中。

（3）地铁隧道多处于软弱围岩及不良地质段，施工必须遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”隧道施工十八字原则，措施到位，环环相扣，保证施工安全。

（4）做好安全生产工程，处理塌方是危险和意外情况的多发作业。进行处理时要制定符合实际情况的措施，并将施工人员的安全作为制定处理方案的首要考虑因素，在确保安全的情况进行施工作业。在塌方处理方案中，我们制定了专项塌方处理方案，项目领导带头，分管领导轮流盯守，现场技术及安全专职人员24h旁站，先监测后施工，并对作业人员进行安全技术教育，制定严格的施工操作规程，使得本次塌方处理没有出现任何安全事故。

[1]铁路混凝土工程施工技术指南(铁建设[2010]241号).[S].北京.2010

[2]交通部.公路隧道施工技术规范(JTJ042－94).[S].北京.人民交通出版社,1994

[3]陈小雄.现代隧道工程理论与隧道施工[M].四川:西南交大出版社,2006