浅埋公路隧道冒顶塌方施工处理技术

李梓源， 王海亮， 王亚朋

(山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东 青岛 266510)

浅埋公路隧道冒顶塌方施工处理技术

李梓源， 王海亮， 王亚朋

(山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东 青岛 266510)

为进一步加快浅埋隧道冒顶塌方处理流程，减少安全隐患，结合某浅埋山岭公路隧道塌方实例，分别从主观和客观两个角度分析了造成冒顶塌方的多方面原因；从应急处理到现场施工两个处理过程，介绍了利用洞内支护与洞外出渣相结合的高效处理方法。结果表明：在此次隧道塌方中采取的处理方法有效可行的解决了隧道塌方事故，使隧道施工安全、高效地穿越了塌方段，保证了隧道顺利贯通。

浅埋；公路隧道；冒顶塌方；超前小导管；穿孔拱架

近几年，伴随我国公路交通的蓬勃发展，隧道工程的施工场所变得多样，因而埋深浅、断面大、地质复杂、施工难度大的隧道大量出现[1-2]。我国是个多山且地貌复杂国家，山岭地区隧道施工中，由于多种原因如围岩差、围岩中含水量大、地质超前预报不准确、施工方法与设计方案不匹配、现场施工不规范的影响，导致了隧道塌方事故时有发生。本文结合某一浅埋山岭公路隧道的塌方现场实例，对现场塌方处理整体施工工序进行介绍，以为类似的隧道工况处理提供借鉴。

1 工程概况

1.1 水文地质情况

某隧道是一个双洞单线公路隧道，全长530 m，下穿小丘陵，场地地形起伏较大，地势中间高两侧低，现有地面标高为约23～67 m，最大高差约44 m，洞口段埋深仅20 m，浅埋暗挖法施工。其主要地貌单元为剥蚀构造地貌—剥蚀残丘，场地主要地貌类型为剥蚀残丘。

隧道围岩洞口段以Ⅴ级为主，洞身段为Ⅲ～Ⅳ级。尤其是YK7+930～YK8+080的150 m长度范围内，隧道围岩主要为强风化岩和中风化岩，岩体破碎，地下水主要为基岩中的构造裂隙水，基岩裂隙含水层的分布在平面和垂向上都表现出较明显的不均匀性，水面起伏较大，自稳能力较差，易塌方。

1.2 开挖、支护情况

隧道开挖方法为钻爆法，开挖方式为上下台阶式，上台阶高7 m，下台阶高3 m，每日循环进尺为2.4 m。隧道支护采用新奥法原理设计和施工：

(1)以锚喷混凝土作为初期支护，具体采用型号为I20b的工字钢作为初期支护的拱架，钢拱架纵向间距为80 cm，内部敷满∅8 mm(网格间距20 cm×20 cm)的钢筋网，向内喷射配比标号为C20的混凝土。

(2)采用以模筑防水混凝土作为二次衬砌的复合式衬砌结构。

2 塌方情况及原因分析

2.1 塌方情况

塌方发生在YK8+031～YK8+045段，属隧道洞口段。塌方开始时，距上台阶开挖掌子面前65 m处右侧初支钢拱架部分被破坏，不断有上方围岩的碎石落入洞内；塌方5 h后，在距离开挖掌子面65 m处上导右侧5榀初期支护所立工字钢拱架全部损坏，出现一个面积为5 m×3 m的洞，并有扩大趋势，拱顶上方碎石继续向洞内掉落，逐渐在洞内形成一个锥形塌体;塌方9 h后，如图1，洞内完全被一个底部直径为20 m的锥形塌体覆盖。此时，塌体基本处于稳定状态，经粗略估算，塌方方量为1 000 m3。

与此同时，由于隧道为冒顶塌方，故地表上方出现了一个深 6 m、直径为18.6 m的漏斗形大坑(如图2所示)，且坑体周围边坡不稳定。

2.2 塌方原因分析

图1 稳定后洞内塌方情况描述图

图2 地表塌陷坑与隧道中心线的示意图(单位：m)

隧道洞口山体表层为堆积土层且岩石风化严重，破碎的山体表层自稳能力差，且处在浅埋地段。从受力的角度来考虑，由于洞口段的开挖破坏了原有山体或周围围岩的稳定，使隧道上端围岩内部应力重新分布[3]。围岩原有的应力平衡被打破，致使隧道上方岩体失稳，造成塌方。

(1)地质条件。塌方处为隧道洞口段，埋深仅20 m，围岩级别为Ⅴ级加强，围岩严重风化，岩体破碎不完整且稳定性较差。加之围岩内部存在裂隙水，水减少了土石间的摩擦系数，增大了轴向推力，加剧了围岩的松散变形。

(2)施工方法与设计方案不统一。作为大断面山岭公路隧道，选取CRD法作为隧道开挖的设计方案，但由于施工方成本受限，将CRD式开挖简化为上下台阶式，致使上台阶一次起爆断面面积为70 m2。岩石作为一种脆性损伤材料，存在着大量的微裂隙、微裂纹等缺陷。爆破产生的高压气体极易对围岩内部产生气楔作用，造成围岩内部岩体破碎，故一次起爆断面面积太大超过围岩所能承受的最大限度。

(3)超前支护不当。上台阶在掘进前没有超前支护加固措施，即没有超前锚杆或超前小导管注浆，使拱顶上方围岩不能形成注浆岩拱，从而无法有效地分担拱顶拱架承受的应力。

(4)施工操作不当。施工管理人员个人主观意识太强，存在侥幸心理，迷信自己经验，不顾客观状况，作出不合实际的决定，也是造成塌方的因素。具体表现之一为施工管理方一次开挖塌方处掌子面右侧下台阶近10 m，没有及时进行支护，导致上台阶拱架处于悬空状态，加之上台阶第一次起爆时，拱顶上方围岩已松动破碎，故上台阶拱架承受应力过大，易造成塌方。

3 塌方处理技术

隧道在发生塌方后应当及时进行治理，既要尽量做到保质、快速、经济地处理塌方，高效地通过塌方段；又要保证在塌方处理施工过程中人员和器械的安全[4]。

3.1 应急处理

3.1.1 地表应急处理

(1)对于暂时稳定塌体所作的应急处理：在塌陷坑底部260 m2面积内向下打入约50根∅42 mm、5～6 m长度不等的注浆管，采用多根注浆管向下叠加的方法，利用单液注浆机注入强度为PC32.5的复合硅酸盐水泥浆液，注浆深度为13 m。使塌体由松散状态快速凝固成为一个整体，保证洞内施工的安全。

(2)对于防水所作的应急处理：由于刚好是阴雨季节，故首先在注浆后的塌陷坑上方覆盖防雨布，并固定至大坑边坡上；然后在地表塌陷大坑周围建立起截洪沟，起到引流雨水的作用，以防水汇聚至地表塌陷大坑内，渗透进塌方区，导致塌体内部岩体重量增加，岩石之间摩擦系数降低，造成二次塌方。

3.1.2 洞内应急处理

(1)新建临时防护拱架：在桩号YK8+020～YK8+022处，距离锥形塌体1 m，在已有的初支拱架内搭建5榀I22b工字钢，纵向间距为40 cm。目的是提供给塌体前方未被破坏的初支拱架一个向上的支撑力，预防可能会发生的拱架变形，并喷射混凝土C25来加固塌方影响段围岩。

(2)临时变换二衬顺序：在桩号YK7+995～YK8+004处，距离塌体9 m，先于洞口施作一模宽9 m的二衬，保护塌方位置附近拱架不会因受力不均而发生变形，同样起到稳定前方已立初支拱架的作用。

(3)补做仰拱，再做二衬：在桩号YK8+009～YK8+018处，补做下台阶仰拱，保证上台阶拱架不再处于悬空状态，使其受力平衡；并在补作仰拱后，立即补上一模长9 m的二衬，加强塌方处理工作面的安全系数。

两模二次衬砌的施作，不仅保护了邻近塌方段尚未变形的拱架，预防了可能发生的变形破坏，而且为后续的塌方处理提供了一个相对安全的临时工作面。

3.2 出渣

3.2.1 洞内出渣

洞内利用机械开挖的方式进行出渣，出渣对象为拱顶上方松散岩渣，出渣的主要目的是使隧道塌方段上方不再有碎石落入洞内，保证后续处理时现场施工人员的安全。

3.2.2 地表出渣

由于地表塌陷大坑距离交通道路仅5 m且与交通道路标高差值很小，交通便利，利于渣石的运输。故在洞内塌体稳定之后，利用两台挖掘机从地表代替洞内进行出渣，出渣到拱架上方为止，使得地表塌陷大坑直径向四周扩大至30 m，深度达到17 m，很大程度上缩短了出渣的时间，提高了处理塌方的效率。

3.3 加固隧道塌方段上方岩体

由于塌方段拱架上方已被破坏，起不到初期支护的作用，塌方处上方岩石又较为破碎松散，随时都有可能继续向洞内散落，所以从地表和洞内共同采取措施，对上方岩体进行加固，使其成为一个整体，保护后续进行塌方工作面处理施工人员的安全。

3.3.1 地表灌浆

当处理到塌坑底部接近隧道拱顶部位后，在坑底由下至上铺设两层间隔1 m的∅8 mm(网格间距20 cm×20 cm)钢筋网并分别灌注强度为C25的混凝土，使塌方处上方围岩聚为一个整体，防止碎石跌落洞内，并为地表回填做准备。图3为铺设钢筋网并灌浆的施工方法示意图。

图3 地表塌坑内铺设钢筋网灌浆示意图(单位：m)

3.3.2 洞内塌方段超前支护

超前预加固措施可以提高围岩的物理力学性能，减小塑性区半径，减小洞周位移，在注浆效果较好的情况下形成“曲梁”效应[5]，可最大程度地保证塌方处理工作面的安全。

(1)超前小导管的制作。采用∅42 mm、长4.5 m的热轧无缝钢管，将钢管的一头加工成30°左右的圆锥形，方便钻进施工，钢管前150 cm长度范围内不钻孔，钢管管身其余300 cm长度范围内以梅花形钻设∅6～10 mm的注浆孔。

(2)超前小导管的布置。沿原有初支拱架轮廓线斜向上15°外插角均匀布孔，将制作好的小导管打入塌方段岩渣，小导管环向间距为40 cm。在断面120°范围内打入超前小导管，为注浆做准备。

(3)超前小导管注浆。采用单液注浆机向布置完毕的小导管内加压注浆，以提高塌体的自稳能力。注浆材料为复合硅酸盐水泥PC32.5，注浆量约为500 m3，28 d后浆液强度将达到32.5 MP。

3.4 二次出渣

3.4.1 三台阶预留核心土出渣

洞内塌方体的出渣分三台阶进行处理。

首先用挖掘机处理塌方体上台阶两侧土石，预留出中间部位的核心土，预留下的核心土可以对塌方体施加一个反向推力，起到反压的作用，最大限度保护塌方处施工面的作业安全。整理出施工平台，并对拱顶外露的不稳定碎石进行处理，随后喷射C25混凝土，封闭塌方段上方围岩，其作用主要是为重新立拱架提供安全的施工平台。

3.4.2 临时蓄水坑

由于施工前期连续雨天，塌方体内部土石潮湿、湿润，在出渣的同时，不断有水从塌方体中渗出，水量较大。为方便施工，临时在靠近塌方体处挖掘一个蓄水坑，用来储存塌体中渗出的水，等蓄水坑水满后再用搅拌车的水泵将水抽出，运往洞外。

3.5 重新制作拱架，替换变形拱架

塌方使得隧道上方围岩应力重新分布，尤其对隧道上导拱架产生集中应力，塌方段上导拱架右侧整体变形严重，需要重新修复替换。循环立拱受出渣限制，每循环出渣1 m，立两榀型号为I20b工字钢拱架(每榀间距0.5 m)，在拱架与围岩之间布设双层∅8 mm钢筋网(网格间距15 cm×15 cm)，填充喷射厚度30 cm配比标号为C25的混凝土；且整个断面在原有基础上向外扩大40～50 cm，加大预留沉降量，防止围岩压力变化继续造成拱架顶部下沉，向洞内侵限过大，影响后期二次衬砌的施工。

(1)拱架的制作。在事先制作好的I20b工字钢拱架上，以40 cm的环向间距均匀打出直径为7 cm的圆孔，作为加固预留穿孔(如图4)。

图4 重新制作的工字钢拱架(单位：cm)

(2)焊接、固定拱架。以50 cm的纵向间距焊接拱架后，将∅5 cm的钢管穿入拱架事先打好的预留孔中，使拱架之间相互连接成一个整体，用来代替连接筋加强拱架间纵向的固定[6]，最大限度的保证其稳定性，起到减少纵向晃动的作用。

(3)将拱顶处拱架立好后，再立两侧的拱架。在拱架与围岩间铺设双层∅8 mm(网格间距15 cm×15 cm)钢筋网，并填充喷射30 cm配比标号C25的混凝土。

(4)洞内新立拱架顶部及两侧布置监控量测测点，利用拱顶沉降和水平收敛的位移值来反馈上方围岩变化信息，应急变换施工方案，及时指导现场施工。

3.6 洞内上导右边墙注浆加固

由于塌方主要在拱顶及右边墙范围，隧道塌方段右边墙上方范围内围岩松散破碎严重，所以在塌方处理区域上台阶右边墙2 m×3 m的范围内，斜向上密集打入约40根∅42 mm的热轧无缝钢管所制成的导管，长4.5 m，使用单液注浆法加压注浆，浆液材料为复合硅酸盐水泥PC32.5。

3.7 后续处理

3.7.1 中、下台阶处理

经过20 d的时间，上台阶贯通、注浆完成。随后开始处理中、下台阶，施工工序与之前处理上台阶大致相同，出渣、清理被埋工字钢、重新立拱架(与上台阶拱架焊接)、喷浆、小导管注浆加固。

洞内塌体处理完毕后，尽快施作塌方段仰拱，使支护拱架成为一个闭合整体。并在仰拱施作完毕后，加快施工防水层，浇筑二次衬砌。

3.7.2 地表塌坑回填

因本塌方为冒顶塌方，故地表会出现塌陷坑。通过对国内外塌陷坑回填成功经验的总结研究，结合现场塌陷坑及岩移发展规律，本工程采用回填方式治理塌陷坑，回填材料主要为塌坑内剥落原状土，塌陷坑堆置采用台阶覆盖式回填方式，如图5 。

塌陷坑裂缝的发展是沿着东北方向发展的，塌陷坑东北部无扩大的趋势，且根据现场观测资料来看，东北部地表相对稳定，发生大规模塌陷的可能性较低。为此，将塌陷坑东北部设为规划治理区域，按2 m台阶宽度规划实施回填治理方案，塌陷坑治理后的单台阶坡面角为41°。

图5 塌坑回填示意图(单位:m)

3.8 施工安全注意事项

(1)加强监控量测。地表在塌陷坑周围选取基准点进行地表下沉及位移监控量测,防止诱发其他地质灾害，同时根据变化情况及时调整施工方案。洞内进行拱顶下沉及水平收敛量测，监控量测工作需要紧跟，通过埋设元器件准确掌握围岩、支护受力及变形情况，指导施工。开挖通过后，及时对基底进行探测，处理不良地质情况，防止拱脚落在松散岩体上[7]。

(2)隧道修复后应及时实施壁后充填和注浆加固,可有效减少巷道变形量,保证巷道支护结构的长期稳定,且应设法加强隧道底角支护,以控制隧道的底板变形。

(3)施工过程中必须将安全问题放在首位，现场处理人员应穿戴好防护用具，严格控制进出处理现场人员的数量，编制考勤表进行系统化管理，将危险系数降至最低。特别是在处理塌方段上方变形拱架时，更应尤其注意。

(4)对地表塌陷坑处设置警戒线，派专人看守，杜绝非施工人员进入地表塌陷坑，发生不必要的事故。

4 处理效果

塌方处理过程中，隧道内塌方受影响段拱顶及两侧位移发生了一定的变化，如表1所示。

表1 隧道洞内塌方影响段位移变化表

塌方处理施工历时约60 d，通过塌方段23 m，塌方处理到33 d时，洞内基本不再发生位移变化，洞内变形已稳定。隧道洞内最大拱顶累计下沉50.7 mm、最大水平累计收敛52.6 mm。说明本方法在通过塌方段的过程中，成功保证了洞内稳定。整个处理过程安全顺利，基本完成预期处理目标。

5 结束语

对于浅埋公路隧道，洞口段围岩一般等级低、风化严重、岩体较为破碎，所以在开挖施工需要时采用减小一次起爆断面的开挖方式，尽量减小对围岩的扰动，而且在施工前利用超前支护可以使隧道上方岩体凝固，形成岩拱，加强对隧道的保护，减少塌方事故的发生。隧道按照上述处理方法施工，安全、高效地穿越了塌方段，保证了隧道顺利贯通。

[1]王萌浩.朱家山隧道1#斜井工区兰州端塌方处理施工技术[J].国防交通工程与技术,2016(2):54-57

[2]孙联伟.通过隧道塌方冒顶段施工技术[J].隧道建设,2009,29(3):329-333

[3]刘建达.公路隧道洞口塌方成因及其处治技术[J].公路,2014(5):123-126

[4]黄志全,王晓睿.软弱隧道塌方机理及治理技术研究[M].北京：科学出版社,2012

[5]霍 峰.用力学方法分析隧道超前支护的意义[J].交通世界(建养·机械),2007,159(11):126-127

[6]朱汉华,杨建辉,尚岳全.隧道新奥法原理与发展[J].隧道建设,2008,28(1)：11-14

[7]韩立军,李仲辉,王秀玲.U型钢与喷网支护壁后充填注浆加固[J].山东科技大学学报(自然科学版),2002,21(1):65-68

Roof-Caving and Collapsing Treating Techniques for Shallow Highway Tunnels

LI Ziyuan, WANG Hailiang， WANG Yapeng

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science & Technology,Qingdao 266510,China)

In order to quicken the roof-caving-and-collapsing-treating process and reduce potential accidents,the various causes of roof-caving and collapsing are analyzed both subjectively and objectively in the paper,with the collapsing accident of a shallow-buried mountainous highway tunnel as a practical example,upon the basis of which the highly effective treating method of combining the inside-tunnel supporting with the outside-tunnel deslagging is introduced from the two angles of the emergency treatment and the site construction.The result shows that the treating method adopted in the course of dealing with the collapsing accident of the tunnel effectively helps solve the problem of the collapsing accident of the tunnel,enables the construction of the tunnel securely and efficiently go through the collapsing section,and ensures the smooth threading-through of the tunnel.

shallow；highway tunnel；roof-caving and collapsing；advanced small tube；perforated arch

2016-04-29

青岛巿建委科技项目(JK2013-4)，国家自然科学基金项目(10672091)

李梓源(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为地下空间工程与安全。384725804@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.020

U458.3

B

1672-3953(2016)06-0073-05