实例分析软弱围岩隧道施工中围岩突变应急抢险措施及处理方案

汤兆奎（中铁四局集团第五工程有限公司，江西省　九江市　332200）



实例分析软弱围岩隧道施工中围岩突变应急抢险措施及处理方案

汤兆奎（中铁四局集团第五工程有限公司，江西省九江市332200）

本文通过南龙铁路隧道施工中出现的实例介绍了软弱围岩隧道施工中出现的由于围岩突变及地下水丰富造成的隧道涌水、涌泥、坍塌及支护变形等地质灾害的原因分析，现场应急处理及后期洞内加固措施等技术控制重点，供参考。

软弱围岩；隧道；地质灾害；应急处理；施工方案

1　工程概况

南龙铁路主要以隧道施工为主，共有双线铁路隧道四座。施工的隧道区域的地质比较复杂，地层主要为粉砂岩与石英砂岩互层，节理裂隙较发育，岩质较软，大部分为全风化～强风化的粉砂岩，岩体的完整性也比较差，围岩的稳定性不好。隧址区属于剥蚀低山地貌，沟谷发育，呈“V”型深切，地表水受大气降水补给，旱季流量小，雨季流量增大数倍；隧道区地下水类型主要有松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水及构造裂隙水；由于山体切割强烈，沟谷纵横，地下水水平方向径流途径较短，向低洼处排泄，水量多受大气降雨影响大。

2　隧道突发涌水、涌泥案例分析

2.1隧道围岩地质特点

某隧道洞身为石炭系下统林地组石英砂岩夹粉砂岩，局部夹粉砂质泥岩，褐黄色、灰白色、紫红色，节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎，主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，其中Ⅲ级围岩310m、占隧道长度的8.9%，Ⅳ级围岩1500m、占隧道长度的42.9%，Ⅴ级围岩1684m、占隧道长度的48.2%。区内发育5条断层，分别与隧道相交于DK228+285、DK228+605、DK230+ 155、DK230+330、DK230+580处；地下水主要为基岩裂隙水，补给来源主要是大气降水的入渗补给，隧道最大涌水量4767m3/d。

2.2某隧道出口掌子面DK230+950涌泥过程

2015年4月29日当隧道开挖至DK230+950，掌子面揭右侧拱脚以上2m处出现大股状水流，涌水量约1500m3/d，右侧拱腰全风化粉砂质泥岩随地下水涌出，形成环向3m，纵向2m，深2m的空腔，初期支护外空腔体积约5m3。

2015年4月30日早上8点30分，涌水量有所减少，10 点30分掌子面出水口涌出约60～70m3软塑状全风化粉砂质泥岩，主要集中在掌子面及台车上；13点30分，出现第二次涌泥，涌泥量约200m3，涌出物为流塑状的全风化粉砂质泥岩。随地下水涌至仰拱处；17：00出现第三次涌泥，涌泥量约500m3，涌泥至掌子面后方二次衬砌台车处，涌泥终止里程距掌子面揭右侧拱脚以上2m处出现大股状水流，涌水量约1500m3/d，右侧拱腰全风化粉砂质泥岩随地下水涌出，形成环向3m，纵向2m，深2m的空腔，初期支护外空腔体积约5m3，三次涌泥量约800m3。

2015年5月7日17：00、18：30、21：10、22：00又发生四次较大的涌泥，淤积物又涌至二次衬砌台车处，涌泥至掌子面后方约60m，导致上台阶淤积物平均深度约1.0m，20m中台阶淤积物平均深度约2.5m，仰拱填充上平均深度约1m，涌泥量约990m3。

2015年5月8日13：00，洞内听到一声巨响，经过对地表查看后，发现线路前进方向的左侧地表出现一倒漏斗形陷坑，陷坑纵向长度约20m、宽度约30m、面积约700m3，最深约8m，整个塌陷物约2500m3。

3　地质灾害发生处工程地质情况及灾害发生原因分析

DK230+950地表位于剥蚀低山与沟谷交汇处，地形起伏较大，自然坡度约为25°，轨顶标高为367.46m，地面标高为431.6m，埋深为64m；DK230+地表表层为第四系残坡积粉质黏土，硬塑，灰黄色，厚约5m，表层含植物根系，下伏粉砂岩全风化，灰白色夹褐红色，结构松散，厚度约45m，其下为强风化石英砂岩，灰白色、紫红色，呈碎块状结构；目前掌子面两侧左右岩性风化不均为左侧弱风化，粉砂质泥岩，紫红色，岩体较完整，自稳定性较好，右侧拱腰以下为全～强风化石英粉砂岩，结构松散，地下水发育，涌水量约2000m3/d；根据施工图与现场调查，未发现断层构造等。

龙岩地区连日暴雨，近一周天气详见表1。

表1　

通过对现场及地质、水文、天气综合因素分析，发生涌水、涌泥灾害的原因如下：该处地表植被发育，土质结构松散，渗透系数较大，降雨导致地表水下渗透较强，岩土体含水量不断增加，局部饱和，降低岩土体的粘聚力与内摩擦角，最终饱和岩土体从掌子面右侧的薄弱带挤出来，形成第一次涌泥，形成约纵向2m，深2m的空腔。降雨的持续与未及时回填空腔，在掌子面上方形成临空面，这大大增大地表水下渗到洞内的风险，降低了掌子面上方岩土体的稳定性，不断形成新的临空面，经过断断续续的8次涌泥，最终在塌方延伸至地表，在地表形成倒漏斗形陷坑，陷坑纵向长约20m、宽约30m、面积约700m2，最深约8m，整个坍塌物约2500m3。

4　应急处理措施

应急处理措施需要保证洞内安全并且防止涌泥坍塌情况进一步恶化，应急措施必须迅速施作，否则将失去时机，造成更大的损失，同时制定应急措施时必须考虑到后续开挖施工方案，为后续开挖方案做好准备工作，应急处理措施按以下几个步骤进行：

（1）立即启动风险隧道预警机制，包括视频监控、应急通讯、逃生救援设施等，24h派专职人员监测掌子面、地表情况，包括水量、水质、稳定性情况。

（2）加强洞内外水文监测，建立洞内涌水量、地表降雨量关系，以此指导洞内施工。

（3）为防止地表雨水流入陷坑，地表陷坑采用彩条布覆盖，并设置安全警戒线，根据地形情况，陷坑周边修筑截水沟，引排地表水。

（4）在地表陷坑基本稳定的情况下，平整陷坑底部及四周，对陷坑底部及侧面采用10cm厚C25网喷混凝土封闭，φ8钢筋网间距20×20cm。

（5）在掌子面水量不变、稳定的情况下，启动洞内清淤工作，首先清淤至DK230+980附近，设置3m高、3m厚砂袋挡墙，稳定洞内淤积物；平整DK230+950～+980段淤积物，淤积物顶面采用5%水泥碎石土反压回填，DK230+950～+960段回填至距拱顶以下1.5m处，DK230+960～+980段按从距拱顶以下1.5m处逐渐过渡至DK230+980处砂袋挡墙顶部。

（6）反压回填完成后，在DK230+950掌子面处设置3m厚砂袋挡墙封堵出水口，在出水口附近预留3根φ200mm的排水管，引排出水口处的地下水，当地下水水量减少时，应采用钻机扫孔，保证排水孔排水畅通。

（7）DK230+950掌子面封堵完成后，DK230+953～+960段掌子面及反压回填顶面采用50cm厚C25网喷混凝土封闭，双层φ8钢筋网间距20×20cm，层间距30cm。

（8）利用50cm厚C25网喷混凝土封闭板，对掌子面及上台阶淤积物进行小导管注浆加固，φ42mm（壁厚3.5mm）小导管间距1m×1m，端部进入岩层1m，长约6m，注浆材料采用0.8：1水泥单液浆，淤积物孔隙率按20%考虑，基岩孔隙率按3%考虑。

（9）注浆加固完成后，在出水口水量不变、稳定的情况下，重新启动洞内清淤工作，暂定清淤至DK230+955处设置2m 厚C20混凝土封堵墙，封堵墙底部设置两排φ42mm（壁厚3.5mm）小导管，环向间距0.5m、排间距1m，长2m，埋人封堵墙内1m，以保证封堵墙稳定；接长预埋的排水管，封堵墙大里程拱部空隙采用M10水泥砂浆回填密实；封堵墙周边预埋1m长的φ42mm（壁厚3.5mm）小导管，间距1m×1m，封堵墙施作完成后，利用小导管回填充填封堵墙周边的空隙，防止漏水。

（10）扫描DK230+950～DK230+965段初期支护内净空，为下步处理提供基础资料。

（11）实施封堵墙后，掌子面后方15m范围（DK230+957～DK230+972）设置临时仰拱、竖向支撑、斜向支撑，确保掌子面后方已施作初期支护的稳定。

（12）掌子面后方DK230+957～DK230+972段拱墙采用5m径向注浆加固，确保初支稳定，设计围岩孔隙率按5%考虑。

（13）在掌子面封堵后，采用综合超前地质预测预报手段查明掌子面前方工程、水文地质条件及塌腔与隧道的空间位置关系后，确定下步处理措施。

图1　应急处理方案示意图

5　后续施工方案

针对洞内涌泥、地表塌陷情况结合超前水平钻对前方地质的综合分析，该隧道工程的围岩较以全风化砂岩为主并伴随地下水涌出，掌子面前方土体经过地下水长期浸泡，已经完全失去稳定性，一旦开挖必然出现整体掌子面向外推出的情况，在后续开挖中必须要采取对土体加固+加强超前及洞内支护措施的思路进行，处理方案分两步走：①地表加固处理；②洞内加强支护措施以及对侵限的初支进行换拱处理。

5.1地表加固处理

（1）对地表塌陷坑坑壁刷坡，将松散、剥落层清除至密实土层，挂网锚喷C25喷射混凝土，厚20cm。锚杆采用φ22mm砂浆锚杆，锚杆长4.5m，间距1.0m×1.0m，φ8钢筋网，规格20×20cm。

（2）塌坑底部回填水泥改良土2～3m形成作业平台，并采用40cm厚C20混凝土进行封闭。

（3）在DK230+975～DK230+915，长60m，隧道中线左侧25m，右侧20m范围内打入φ108m×6mm钢花管，间距1.0× 1.0m梅花型布置。压水泥浆固结塌方松散体，使塌方松散体形成一定的自稳能力，防止塌方范围进一步扩大，降低松散体对初期支护的荷载。

（4）地表注浆完成后，塌陷坑采用人工摊铺回填至原地面标高。小型冲击夯夯实，松铺厚度30cm，分层摊铺分层夯实。形成单面排水坡度。回填方量以实测方量计算。

（5）塌陷坑回填完成后采用1.0m厚粘土进行地表封闭，封闭范围（纵向每侧延伸15m，横向每侧延伸10m）：线路方向DK230+975～DK230+925，隧道中线左侧25m，右侧19m，封闭面积50m×44m。

5.2洞内加强措施

（1）初支侵限段处理措施：

①为保证掌子面后方安全，DK230+957～DK980段设置临时仰拱、竖向支撑，临时仰拱采用30cm厚C25喷射混凝土，内置I18型钢钢架、间距与正洞钢架一致，纵向采用φ22mm钢筋连接、间距1m。

②待DK230+957～DK230+980段临时支护施作完成后，DK230+957～DK231+013段拱墙采用5m长φ42mm （壁厚3.5mm）小导管径向注浆加固，环向间距0.8m×0.8m，注浆材料采用水灰比为0.8：1的普通水泥单液浆，注浆压力位0.5MPa。

③对DK230+950～DK231+013段初支变形侵限的地方进行换拱处理，换拱前施做超前小导管对后方土体进行预支护。

（2）掌子面前方处理措施：

①掌子面前方实施上半断面开挖轮廓线外5m周边帷幕注浆预加固；注浆材料采用普通水泥单液浆、M10水泥砂浆，浆液配比为：水灰比W：C=0.6：1～1：1，注浆压力2.0～3.0MPa，岩层孔隙率：5～15%，首先采用M10水泥砂浆回填较大空隙，后复注水泥单液浆充填细小空隙；注浆前，首先进行注浆试验，掌握浆液填充率、浆液配合比、凝结时间、浆液扩散半径、注浆终压等参数，以便现场动态调整相关注浆参数，保证注浆质量。

②DK230+957～DK230+917段拱部 180°范围设置φ159mm（壁厚6mm）超前长管棚注浆预支护，长40m，环向间距0.4m（中至中）；同时管棚间设置φ42mm（壁厚3.5mm）超前小导管加强支护，长4.5m，环向间距0.3m，纵向3m一环，两环搭接长度不小于1.5m。充分利用超前长管棚及小导管对隧道开挖轮廓周边松散土体进行补充注浆加固。

（3）支护结构加强

DK230+957～DK230+917段采用加强型复合式衬砌，初期支护为30cm厚C30喷射混凝土 （内嵌全环HW175钢架、0.5m/榀，钢架间纵向采用5cm×2cm钢带焊接，间距1m），双层φ8钢筋网间距为20×20cm，层间距22cm，开挖工法采用三台阶临时仰拱法施工，二次衬砌为65cm厚C35钢筋混凝土。

6　结束语

在软弱围岩的隧道施工中，出现围岩突变是造成涌泥、坍塌、变形等事故的常见因素，即使采取再有效合理的处理手段，只要发生了事故都会造成一定程度的安全及经济影响，因此对地质灾害的预防是软弱围岩隧道施工的重中之重，采用合理有效的超前地质预报，如TSP、加深炮孔以及最直观可靠的超前水平钻，及时发现设计地质与实际开挖所揭示的地质条件不相符的情况，是隧道施工的安全前提。

一旦发生了围岩突变造成的隧道坍塌、涌水等事故，作为施工管理者，必须在第一时间根据现场情况快速制定应急抢险措施，在保证施工安全的情况下对掌子面或者坍塌位置进行封堵，加固，引排地下水等措施，同时增加监控量测频率，掌握地质动态，判定地质灾害是否会持续加剧，必要时第一时间撤出所有人员以保证安全；在应急措施处理时要及时通知上级单位，业主、设计等到现场对事故发生原因进行分析，施工发生原因的合理判定是确定后续施工的重要因素，必要时要请相关的地质专家到现场进行分析。

2015年国家出台或修订了部分安全生产重要法规，加大了生产安全事故责任追究力度，作为施工生产管理者要履行更大的责任；软弱围岩隧道施工是施工管理中安全压力最为巨大的施工项目之一，作为施工管理者，我们必须严格按照规范、设计进行施工，在出现险情的时候不可冒进，一定要在科学的指导下进行施工作业，确保施工安全万无一失。

［1］铁道部第二工程局.《铁路工程施工技术手册》（第2版）.中国铁道出版社.

［2］铁道部建设管理司.《铁路建设工程安全生产管理》（第1版）.中国铁道出版社.

［3］铁道部第一勘测设计院.《铁路工程地质手册》（修订版）.中国铁道出版社.

汤兆奎（1975-），男，从事土木工程工作，担任项目经理。

U456.1

A

2095-2066（2016）11-0181-03

2016-3-8