东皇庙隧道冒顶坍塌事故分析及处理方案探讨

王常金

(杭州市交通设施建设处　杭州　310024)

东皇庙隧道冒顶坍塌事故分析及处理方案探讨

王常金

(杭州市交通设施建设处杭州310024)

摘要针对东皇庙隧道左洞进洞段掌子面处发生冒顶坍塌事故，分析引起冒顶坍塌的原因，提出冒顶坍塌后的处理方案、坍塌段和影响段的施工方法以及在日常施工中防止冒顶坍塌的技术措施。

关键词隧道冒顶坍塌分析处理

东皇庙隧道是杭新景高速公路浙江省建德寿昌至开化白沙关段工程众多隧道中的一个，位于建德市航头镇，方向北东40°延伸。隧道采用双洞单向行车双车道型式，右洞起迄桩号YK135+045～YK136+090，长度1 045m；左洞起迄桩号ZK135+020～ZK136+089，长度1 069m。两平行隧洞中线相距27.68m。隧道净高5m,净宽10.75m，内轮廓半径5.79m，断面净空面积68.37m2。

1地质水文状况

东皇庙隧道地处山丘地貌，山坡植被发育，以灌木林为主。地貌沟谷发育伴随冲洪积相地形且陡峭。地质为上覆崩坡积体、围岩破碎影响带，成因类型为崩塌-洪积。崩坡积体成分主要为含碎石粉质粘土、含粘性土碎石和块石。下伏基岩为泥质粉砂岩，物探显示基岩面起伏：全风化泥质粉砂岩；强风化泥质粉砂岩，紫红色，节理裂隙发育，可见铁质浸染，断面不新鲜，岩心破碎，呈碎块状、块状。

地下水主要为崩坡积体空隙水和基岩风化裂隙水，储水量较多；基岩裂隙水主要储存在全-强风化和中风化基岩的裂隙中，水量较贫；地下水主要补给来源为大气降水，气侯影响特征明显。

2坍塌状况

东皇庙隧道正在施工之中，右洞已经贯通，左洞进洞段正在采用三台阶法开挖。2014年7月11日晚上10点左右，左洞进洞段ZK136+007处(掌子面处)发生右侧拱顶冒顶坍塌事故，塌落体约120m3，塌坑高12 m(隧道顶部至山体表面的垂直高度)。坍塌造成施工台车及靠近掌子面的两榀初支工字钢损坏。因作业人员已下班休息，故无人员伤亡。隧道塌坑横断面和纵剖面分别见图1和图2。

图1　隧道塌坑横断面图(单位：m)

图2　隧道塌坑纵剖面图

3坍塌原因分析

坍塌前，根据地质情况，该段已定为Ⅴ级围岩加强段。初期支护为18工字钢，间距35cm；超前小导管每3m一环。

由于该段开挖掌子面处于崩坡积体内，地层属多样性、地层构成主要为崩坍块体、泥、砂及根植、腐植质，呈多次洪积而成，自然崩坍成因、欠压密状，松散孔隙率大，局部岩层理或裂隙有渗水现象，局部裂隙发育处有淋水现象。再加上施工至该段时候，时值多雨天、且雨量较大，施工围岩呈松散结构丧失自身成拱能力，且正处在山体汇水排洪沟边，受雨水长时间渗透浸泡，降低了围岩四周地层强度，破坏了暂时平衡地层。同时在该处前期地质勘探时，有一处取心孔未进行及时封闭，造成雨水下渗，长期保有雨水，降低了围岩四周地层强度。施工开挖掌子面时，围岩拱顶出现直径约2m大孤石，泥砂夹大块石且遇突发暴雨,洞内渗水严重，使洞内上台阶掌子面失稳(ZK136+007)引发小股泥石流，造成隧道右侧拱顶冒顶坍塌。

4坍塌段处理

冒顶坍塌事故发生后，除按规定程序进行报告外，必须加强现场警戒和观察，同时制定处理方案。坍塌段应急处理方法如下:

4.1掌子面加固

待坍塌体相对稳定后，利用洞渣回填反压，采用15cm厚C20网喷混凝土+42mm×4mm小导管(长6m，间距1.2×1.2m)注浆加固，进行坡面防护；回填反压土体水平顶面与初期支护顶部间的空隙采用M10水泥砂浆填充不留空隙，以确保对该影响段形成有效支撑；在靠近掌子面13m影响段内，每1m用18号工字钢架进行临时加固并加强纵向连接[1](在现状初期支护表面进行，二衬浇筑前再拆除)；坍塌体防护后的坡面设置仰斜式排水孔，以排除坍塌体内的积水。此项措施的主要目的是稳定掌子面，使掌子面不再失稳。

4.2监控量测

由于坍塌前该段已加强了初期支护，塌方后影响段初支未见裂缝，仅掌子面附近1-2榀钢拱架出现较大的扭曲变形，故不对该段进行加强处理，但应加强该浅埋段洞内拱顶下沉、周边收敛等监控量测工作及初期支护开裂、掌子面等的观察，并经常用激光断面仪检查超欠挖情况，以防侵限。一旦出现问题，要及时采取措施。

4.3打设钢花管

洞内采用无工作室跟管钻进法打设1环直径108mm×6mm钢花管进行注浆[2]。钢花管环向间距1.2m，单根钢花管总长16m，布置在拱部120°范围内，共13根。100cm长直径mm127×4.5mm孔口管尾端分别焊接在ZK136+004相邻2榀工字钢拱架的上下翼缘上作为导向管，钢花管外插角控制在8°左右。钢花管孔口段2m范围内管壁不开孔，作为止浆墙。采用1∶1纯水泥浆液，浆液扩散半径按0.8m考虑，注浆压力1～2MPa。打设钢花管的目的，一方面注浆可以使软弱土体、松散土体及破碎岩体稳定、加固，以提高强度；另一方面钢花管本身留在土体内部也可以起到加筋的作用。打设钢花管是隧道施工中解决冒顶的最有效最合理的施工方法。

4.4打设小导管

待钢花管注浆加固完成达到设计强度后，打设直径42mm×4mm系统注浆小导管,长度为4m，小导管纵横间距0.5m×1.0m，梅花型布设。小导管注浆施工工艺简单，易于操作，施工安全，土层加固见效快，浆液损失少，成本低，是隧道施工中最常用的加固土层的方法之一。

4.5塌坑处理

由于塌方坡率较大，为防止塌方继续发展，增强塌体的自稳能力，增强施工的安全性，对塌坑周边5m进行放坡，同时，采用15cm厚C25喷混凝土+双层A6钢筋网+砂浆锚杆(长3.5m,间距@1.2×1.2m)加强边坡防护。

将塌坑内的淤泥全部清除，回填塌坑至离山坡表面约7m并夯实。在塌坑底部，周边打设一圈直径42mm×4mm长5m小导管，架设主筋Φ22@200mm钢筋与周边直径42mm×4mm注浆小导管连接，钢筋绑扎好后浇筑C20混凝土。混凝土应浇至比边上冲沟高20cm，以防止在坑内积水。表面进行适当回填并复绿。浇筑C20混凝土的主要目的是减少渗水，稳固山体。

5坍塌及影响段施工

待坍塌及影响段地质稳定后，不适宜再在隧道进洞段开挖，应改为隧道出洞段开挖(与原开挖方向相反)。当出洞段开挖至ZK136+027时，由于掌子面距离ZK136+007冒顶较近，进入坍塌及影响段，故不能按常规开挖，而应增加无工作室30m长、直径108mm×6mm注浆钢花管超前预支护，与前述进洞段坍塌处理时打入的钢花管一起共同加固岩土，增加岩土强度。同样打设系统注浆小导管，锚杆为直径42mm×4mm，水泥浆液配比同前述。为增强安全系数，原来的三层阶开挖法改为双侧壁导坑开挖法，每循环进尺不大于0.5m。

坍塌及影响段拱顶位移及周边收敛监控量测测点布置间距为5m，每天量测2次。二衬主筋由原来的Φ22@250mm加强为Φ25@200mm。

特别要注意的是在隧道贯通时，采用3榀钢拱架做临时护拱，施做30m钢花管一次性穿过塌方段，钢花管外插角控制在10°左右，采用先成孔再穿管的施工方法，确保在贯通过程中的施工安全。待钢花管施工完成后，再开始掌子面的施工。超前支护在ZK136+027至ZK136+017增设10m单层注浆直径42mm×4mm小导管；在ZK136+017～ZK136+004增设13m双层注浆直径42mm×4mm小导管。小导管施工侧面图见图3。

图3　小导管施工侧面图

6防止隧道坍塌的技术措施

在隧道日常施工中，应做到以护为主，宁强勿弱，步步为营，稳中求快，严格贯彻“管超前，少扰动，早喷锚，强支护，紧封闭，勤测量”的原则。为防止坍塌事故发生，应采取主要技术措施如下：

(1) 拱部开挖按设计严格控制进尺，不得超挖，下部开挖沿两侧交错进行，悬空长度不得超过2榀拱架，不良地质每次1榀，开挖后及时接腿；仰拱开挖每次不得超过4榀，并及时进行封闭。

(2) 拱脚、墙角预留30cm人工开挖，严禁挖机代替人工开挖，严禁超挖；拱脚、墙角严禁被水浸泡，如使用风钻有水时，要及时引出，不得有积水；拱脚部位打炮眼时应尽量保持水平，如拱脚超挖后拱脚部位应用大石块填实，不得用虚碴回填。

(3) 如围岩较差地段需留核心土时，要保证核心土的大小和长度，支护面积不得小于掌子面的1/2，不能为了方便操作而挖掉太多(核心土起到对掌子面的支护作用，挖掉太多对掌子面的支护不足就容易造成坍方)。

(4) 施作超前小导管时，保证相邻2排小导管搭接长度，搭接不要小于1.5m，以防止因超前小导管打入长度不够而造成放炮后超前小导管悬空而失去作用；保证超前小导管的间距，该加密的部位及时确定加密方案进行加密。

(5) 保证拱架间距，不得随意放大，连接筋要与拱架焊接牢固，保证间距；超挖和坍塌部分用混凝土喷满回填，拱架背后不得留有空洞或填塞其他物质，以免造成隐患。

(6) 实施施工全过程的监控量测工作，并充分利用工程地质超前预报资料，提前预测，如发现开挖前方不良工程地质状况，应及时制定相应的施工方案，严格按方案施工。

(7) 每次开挖爆破完成后，对围岩状况及掌子面地质情况应进行仔细观测，及时支护，使围岩与初支护及时组成一个承载体系，充分发挥围岩自身承载能力[3]；尽快完成初期支护和二次环形衬砌的结构封闭，以支撑围岩。

(8) 施工中设置专职人员观察围岩变形情况，进行综合判别，及早发现险情，采取相应措施：①根据位移速率判断：速率大于1mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护；速率变化在0.2～1.0mm/d时，应加强观测，做好加固的准备；速率小于0.2mm/d时，围岩基本达到稳定状态;②根据位移速率变化趋势判断：当围岩位移速率不断下降时，围岩处于稳定状态；当围岩位移速率变化保持不变时，围岩尚不稳定，应加强支护；当围岩位移速率变化上升时，围岩处于危险状态，必须立即停止掘进，采取应急措施。

7结语

崩坡积体浅埋段，地质状况差，且地下水发育，受大气补给明显，围岩稳定性差，施工的主要任务是促使围岩成拱、稳定，能承受山体压力，因此，开挖时必须加强地质提前预报和量测，做好超前支护，确保核心土预留规范，严格控制施工进尺，及时进行仰拱封闭，同时做好排水体系。一旦出现坍塌事故，应进行认真分析研究，制定出行之有效的处理措施和施工方法。只有这样，才能保证隧道施工安全、可靠，确保施工质量。

参考文献

[1]JTGD70-2004 公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTG/TF60-2009 公路隧道施工技术细则[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]JTJ076-95公路工程施工安全技术规程[S].北京：人民交通出版社，1995.

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.044