过软岩和断层及其影响带隧道塌方处治方法

张 靓

(四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041)

0 引言

山岭隧道施工过程中，如遇地质条件差[1]，施工方法不当[2]，会造成隧道塌方甚至冒顶，给人力财力带来巨大损失。四川某项目高速公路超特长隧道，全长13 km，岩性以炭质板岩为主。左线施工至掌子面K46+936时(大桩号往小桩号钻爆施工)，K46+951～K46+936发生塌方，本文通过对该项目塌方原因、塌方段处治方法，以及右线对应段落的处治方法进行分析，归纳在断层带、软岩地区，处治塌方以及影响带支护的一种有效方法。

1 塌方原因分析

隧道施工过程中，由于开挖破坏了原岩初始应力状态[3]，应力重分布，同时，若遇软弱围岩，断层带，加之施工工艺等因素[4，5]，极易引起隧道塌方。

引起隧道产生塌方因素较多，可总结为两方面：主观因素，客观因素。主观因素即支护参数欠佳、施工方法欠妥；客观因素即天然地质因素(见表1)。

表1 隧道塌方产生原因

2 传统塌方处治方案

针对隧道塌方处治，国内比较普遍的方法，可归纳为以下5种[6，7]。

2.1 锚杆法

锚杆加固围岩的原理通俗地讲可理解为“穿糖葫芦”理论，即认为临空面一侧围岩破碎，深部围岩处于稳定状态，通过将锚杆锚固到稳定岩层，从而对外部破碎岩体提供一个被动拉力，防止其向内空断面发展。

2.2 注浆固结法

注浆是将某几种胶凝材料配置成浆液(目前主要分为单液浆和双液浆)，用设备压入或灌入岩土中，使浆液在稳定高压下通过岩土体缝隙扩散，胶结凝固，将破碎岩土体胶结，增加其抗碱强度。但是该法的缺点是：耗时长，注浆压力不宜控制，注浆效果不易保证。

2.3 超前小导管注浆加固

小导管注浆加固，是沿隧道径向，以5°～15°仰角向掌子面打入花管，通过对裂隙注浆形成一定厚度胶结体，预先对掌子面洞顶围岩进行加固。

2.4 超前管棚

超前管棚是沿开挖外轮廓钻设与隧道轴向平行的钻孔，随后插入钢管(目前主要为φ108钢管，环向间距40 cm)，从而形成拱形棚架，通常配合注浆共同作用，从而加固掌子面拱顶岩土体。

3 工程实例

3.1 工程概况

该隧道为某高速公路一部分，设计标准：1)公路等级：双向四车道高速公路。2)设计速度：80 km/h。3)建筑限界：10.25 m×5.0 m(隧道建筑限界及内空见图1)。左线ZK34+707～ZK47+720全长13 013 m，右线YK34+664～YK47+664全长13 000 m。该标段为出口→进口方向钻爆施工。

断层破碎带及强烈影响带，受构造作用强烈，褶曲及裂隙发育，岩体破碎，呈碎裂～散体状。Kv一般为0.25～0.40，[BQ]<250。左线施工至桩号K46+923时，左线K46+951～K46+936发生塌方。塌方后，在保证安全的前提下，对掌子面采用弃渣进行回填反压。

3.2 塌方及其影响

3.2.1现场情况描述

塌方段地质平面如图2所示。

左线(上侧红线)K47+145～K46+945段为断层破碎带及强烈影响带，断层产状66°∠75°(勘探时断层倾角为75°，但根据开挖揭露的地质情况，断层角度不停变化，且比较缓)，走向与隧道轴线夹角约40°，为小角度相交。受构造作用强烈，褶曲及裂隙发育，岩体破碎，呈碎裂～散体状。该段含基岩裂隙孔隙水，以股状、线状渗出为主，雨季可能有暂时性涌水现象。

2017年10月，根据监控量测，左线K46+951断面拱顶下沉骤增，现场立即提高监控量测频率，每天2次。并且，现场观测到，K46+951处出水增多。根据当日观测成果，2次数据，拱顶下沉超过5 cm。次日，将设备和人员撤离，不久，左线K46+951～K46+936发生塌方。

3.2.2塌方后影响情况

塌方后，建设方联络设计、监理、施工单位，对塌方原因进行分析，得出以下结论：K46+951处于断层破碎带，且K46+980～K46+923处岩性为炭质板岩，含碳量极高，如图3所示，水对炭质板岩的软化作用较强，围岩失去自身承载能力。同时，炭质板岩饱和单轴抗压强度5.68 MPa为软岩。开挖后，K46+951～K46+936由于软岩变形滞后，对初期支护造成挤压，再加之断层影响，最终导致K46+951～K46+936塌方。随后，K46+951～K46+980初期支护开始掉块，喷混凝土剥落、产生环向裂缝，拱顶、周边变形侵限。

3.3 塌方处治方案确定

根据现场地质情况，并结合塌方对隧道破坏的影响程度，以及初支的侵限情况，制订了隧道处治方案：

1)K46+980～K46+965。该段定义为塌方影响段。该段已施作仰拱，受塌方影响，该段初支变形较少，局部侵限。塌方后，该段受影响较小，仅是局部段落初支变形，侵入二衬轮廓，针对此情况，采取措施如下：对侵限的初支进行拆换，同时加强监控量测，在变形收敛时及时施作二衬。

2)K46+965～K46+951。该段情况类似情况1)，区别在于，该段塌方前未施作仰拱，同时，该段距离塌方断面K46+951较近。鉴于以上原因，采取以下措施：对于初支变形严重段以及侵限段进行初持拆换，同时，隧道环向采用注浆小导管进行加固(小导管规格：φ42×4，L=400，间距100(环)×100(纵),梅花形布置)，最后，将仰拱的受力环向钢筋由φ22调为φ25。

3)K46+951～K46+936。该段定义为塌方段。该段前期已经完成上台阶施工，塌方后，上台阶被掩埋，上台阶完全被渣体填充，且渣体拱顶以上存在空腔。

塌方段初支方法如下：a.K46+951处，施作40 m大管棚，管棚采用φ76×7自进式锚杆，环向间距40 cm，外插角10°；b.初支采用φ42×4注浆小导管(L=400，间距100(环)×100(纵)，梅花形布置)；c.采用φ8钢筋网(20 cm×20 cm网格)；d.钢支撑采用Ⅰ20b工字钢，榀距40 cm；e.喷射混凝土采用C25，厚26 cm；f.预留变形量30 cm；g.二衬采用60 cm C30钢筋混凝土；h.超前支护采用双层小导管，搭接长度不小于2 m；i.施工：严格控制进尺，尽量采取机械开挖，特殊情况考虑采用单侧壁导坑开挖。

3.4 塌方处治方案执行情况及修改

3.4.1施工情况

在对初支变形段(塌方影响较小段落K46+980～K46+965)进行初支拆换时，出现了新的问题。由于此时右洞已经施工至K46+980～K46+965对应段落YK46+942～YK46+927右洞每次放炮后，右洞距掌子面约20 m段落以及左洞对应段落，监控量测数据会突变，水平收敛甚至达到每天10 mm；同时，左洞塌方影响段进行工字钢接腿施工时，也会导致左洞监控数据剧增。

3.4.2方案调整

通过对上述问题进行研究分析，认为该段处于断层影响带，且岩性以炭质板岩为主，且含碳量极高，岩石Rc仅5 MPa～18 MPa，属软岩，且左右洞净距为36 m，左洞掌子面发生塌方。结合以上因素，认为左右洞存在连带效应，一侧较大的扰动都会影响到另一侧，并且，右洞虽暂未进入断层影响带，但是仍属软岩，地质条件较差。鉴于以上原因，对塌方处置方案进行调整如下：

1)对中台阶工字钢脚趾进行加强，工字钢增加加强肋，可有效增大接腿时工字钢与围岩的接触面积，减小应力，控制拱顶沉降。同时，在工字钢接腿前，加强锁脚，每处采用2组(4根)注浆小导管进行注浆固结，甚至可在工字钢拱顶、拱腰采用小导管进行注浆固结。

2)施工工序方面，右洞不能再采用钻爆法施工，掌子面采用机械开挖，并且，右洞、左洞不能同时进行开挖、接腿作业，必须待右洞超前左洞30 m后，方能同时进行开挖等作业。下台阶接腿时，一个循环只能替换1榀～2榀，严禁一个循环接腿2榀以上。

3)根据监控量测结果，若拱顶下沉及水平收敛过大或连续2 d超过预警值(5 mm/d)，首先架立Ⅰ18工字钢临时护拱。若临时护拱施作后，变形仍未有收敛趋势，则应采取开挖后注浆。

4)超前支护根据现场试验结果，增大注浆量。

5)右洞支护参数进行加强，启动大变形支护参数：喷射混凝土采用C25厚26 cm；系统锚杆采用φ22药卷锚杆(L=350，间距100(环)×100(纵)，梅花形布置)；采用φ8钢筋网(20 cm×20 cm网格)；工字钢采用Ⅰ20b，榀距60 cm；预留变形量采用30 cm；二衬采用50 cm C30钢筋混凝土。

6)其余参考原处治方案。

3.5 应用结果

采取以上措施后，围岩剥落，初支开裂、掉块现象不再出现，通过监控量测结果，拱顶下沉及水平收敛数据得到控制，逐渐趋于收敛，隧道大面积滴水现象得到改善。

4 结语

根据该高速公路双线隧道过软岩及塌方段的处理成功案例，总结出以下经验供参考：

1)过软岩隧道塌方段工程措施，不能仅从设计手段进行分析，必须是设计方法、施工措施相结合。经过软岩断层区，严格控制开挖进尺，钻爆方式尽量采用机械开挖。尽量缩小台阶之间距离，开挖后及时支护，仰拱封闭成环，提高初期支护的强度。根据监控量测数据，在变形趋于稳定时及时跟进二衬。

2)隧道施工过程中，必须结合现场监控量测数据，主要是拱顶沉降和水平收敛，可以通过这些数值，判断隧道塌方可能性，可以对已经施作支护的稳定性进行复核，判断已施作支护是否能够承载所处位置围岩压力。根据监控数据进行支护参数的动态调整。

3)软岩隧道，岩体饱和单轴抗压强度低，工字钢接腿施工时，必须加强锁脚，否则拱顶易下沉，必要时，除接腿部位，还可在顶拱部位施作锁脚。为了减小工字钢脚趾应力，可将工字钢脚趾设置加强肋，减小趾部应力。

4)软岩断层带隧道塌方，处治措施应由远而近。由于软岩地带，隧道纵向塑性区延伸较长，在进行塌方处治时，需从稳定段向掌子面逐一施作，层层加强。

5)软岩隧道存在大变形、变形滞后现象，设计时，需留出足够预留变形量。但是预留变形量不宜过大，过大的预留变形量，会显著增加开挖洞室跨度，易造成施工期间洞室的不稳定。

6)软岩断层隧道，超前支护有着举足轻重的作用。笔者认为，增加超前小导管注浆量，加长搭接长度，是过断层地带的核心方法。该隧道在增加超前支护注浆量之后，监控量测数据得到了很好收敛。

7)由于软岩变形的滞后性，塌方处理完成后，必须通过肉眼及监控量测数据对隧道进行观测。