大断面隧道坍塌处理施工技术概述

张俊

摘 要 介绍了隧道加宽带坍塌处理施工技术，分析了坍塌产生的原因，并提出预防措施，同时也为采用超前管棚、双层拱架支护及预留核心土开挖等施工方法处理大型坍塌提供了一个成功的实例。

关键词 隧道;坍塌;原因分析;施工技术

1工程概况

大风口隧道位于重庆市巫山县骡坪镇龙河村至巫山县两坪乡溪沟村之间，进口位于骡坪镇龙河村，出口位于两坪乡溪沟村。本隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道。全线长5003m。

大风口隧道ZK14+396～ZK14+436段为加宽带原设计为Ⅲ级围岩，开挖至ZK14+410掌子面时涌水量达30m3/h。围岩为强风化灰岩，岩质较软，岩体较破碎，石块大小多数在18～40cm之间，结构松散，结构面较发育，结合较差，节理裂隙较发育，2组节理呈X型，不规则，以弱风化型为主。设计要求采用新奥法施工，全断面开挖， STb支护类型，钢筋网、锚杆、喷射C20砼[1]。

2事故经过及原因分析

2010年3月16日下午，现场施工人员发现隧道左线ZK14+396-ZK14+436加宽带段喷射砼有3条环向裂缝长为50～100cm，随即对其进行了复喷处理。3月17日上午发现该处裂缝又重新出现且向纵向延伸有水渗出，随后施工单位对此段进行了监控，发现拱顶下沉达1cm。项目部立即组织对裂缝处进行了临时拱架支护应急方案。

3月18日下午洞内裂缝处渗水变大，裂缝开始增多，19日凌晨1点，原喷射砼开始掉落，开裂处已延伸至15米。监控数据显示拱顶下沉达3cm。有一榀临时支撑开始变形。施工人员立即撤离施工现场。上午9点时10榀临时支撑开始受压变形，喷射砼大范围脱落。10点时ZK14+410处拱顶坍塌，并向两侧延伸，不时有石块落下，坍塌一直持续到下午4点。此时坍塌体已将加宽带全部封堵。

2.1 分析事故原因有以下几点

（1）坍塌前工地连续下雨。重庆地区暴雨持续时间较长，隧道施工区，地下水较发育。隧道内渗水与外界气候条件关联较大。

（2）加宽带处于断裂带处，地质条件复杂，从坍塌体看此段洞顶围岩破碎且为层状结构有黄色泥岩夹层遇水易泥化。

（3）此段距离掌子面70米，洞内开挖施工对此段有所干扰。

（4）坍塌处为加宽带，断面较大，稳定性相对主洞较差，二衬未能及时进行施工[2]。

3坍塌處理方案的确定

此段坍塌长度40米，坍塌平均深度6m。ZK14+400、ZK14+435处坍塌深度3-5米。ZK14+416处坍塌深度为12米。坍塌方处理方案的筛选与确定。

3.1 灌注砼施工方案

此方案是封堵坍塌段两端然后在坍塌空腔内填充混凝土，待稳定后打入超前导管重新开挖。

此方案缺点：①坍塌范围较大，注浆量大，重新开挖处理费用较高。②ZK14+436处空口较大无法封堵且无法保证坍塌区稳定的情况下去封堵缺口人员安全受到威胁。优点：如方案能正常实施处理时间较短。

3.2 超前管棚双层拱处理方案

此方案为先打入超前管棚并注浆，固结及支撑坍塌面顶部和周边围岩，然后喷射砼稳固围岩面，在稳定围岩面后，立顶层Ⅰ18拱架，挂Φ8钢筋网，打入Φ32锁脚锚杆固定，在拱架与围岩空隙处灌喷砼保证顶层拱架与围岩密贴，待顶部拱架支护完成后开始下层Ⅰ20拱架套拱的施工。

此方案缺点：施工时间较长。优点：先稳固了顶部围岩，防止岩体进一步坍塌并对下层拱架施工提供安全保障，双层拱支护加大了支护的稳定性并为安全运营起到了很大的安全保障。

从以上两种方案的对比看，第二种方案安全性较高，极大地防止了坍塌的扩大，避免了二次开挖，减少了对围岩的扰动，处理造价也比第一种方案低，因此选取第二种方案。

4超前管棚双层拱施工技术

4.1 坍塌处理方案具体参数如下

（1）在ZK14+386处设热轧无缝钢管Φ108×6mm超前管棚，环向间距40cm，共35根，每根长45米。

（2）对ZK14+386-ZK14+396段增设临时I16钢拱架进行加固﹙纵距50㎝﹚每榀拱架设4根Φ32锁脚锚杆，L=400㎝。

（3）对ZK14+396-ZK14+436段坍塌裸露围岩初喷C20砼封闭岩面，待围岩稳定后进行顶层钢拱架支护，立I18钢拱架﹙纵距50㎝﹚，由于坍塌面为不规则面，为保证围岩与拱架密贴，拱架与围岩间隙处灌喷C20混凝土。Φ8钢筋网（20×20㎝双层），每榀拱架设8根Φ32锁脚锚杆，L=400㎝;拱架底部浇筑50㎝厚C20砼作为拱脚基座。

（4）顶层拱架支护结束后，按设计断面对ZK14+396-ZK14+436段进行套拱支护。采用I20钢拱架作为C20砼套拱骨架﹙纵距50㎝﹚，Φ25钢筋对拱架进行固定及链接;立模浇注45㎝厚C25砼。

（5）双层拱间灌C20砼，拱顶处高1.5m，两侧向下延伸，其余空腔采用细沙回填。

（6）二衬采用50㎝厚C25钢筋混凝土。

4.2 超前管棚施工

（1）施工长度：45m，管棚倾角：为保证管棚能紧贴坍塌顶面，仰角取22?（不包括路线纵坡），外倾角由实际测量所得。

（2） 钢管规格：热轧无缝钢管Φ108×6mm，节长3m、6m，以丝扣连接而成，钢管四周梅花形钻Φ8mm出浆孔眼。管距：环向间距中至中为45cm。

（3）注浆量计算公式为：Q=пRK2Lη式中R为浆液扩散半径，取RK=0.6L0;L0为注浆钢花管中至中的距离;L为钢花管长;η为围岩空隙率，各种地层条件下围岩空隙率参考值：砂土40%，黏土20%，断层破碎带5%。

（4）注浆结束后及时清除管内浆液，并用M30号水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。

4.3 初喷砼及钢筋网的安装

（1）坍塌面初喷砼

待管棚施工结束后，进入坍塌区域，对顶部裸露岩面喷射C20砼，厚度10cm。在喷射过程中随时观察顶部围岩变化，安排专人进行警戒。

注意事项：①施工时注意围岩变化，有渗水处需安装半圆管。②喷射砼是喷头与受喷面间距为0.6～1m，分层且S型喷射，先拱部后边墙。

（2）钢筋网施工

本次坍塌处理顶部设计双层钢筋网，紧贴岩面挂设一层钢筋网，当拱架安装后紧贴钢架外轮廓线挂一层钢筋网。紧贴岩面挂设钢筋网时，必须在初喷4cmC20砼后进行施工，针对坍塌断面的形状，场外制作网片，现场拼装，与岩壁紧贴安装

4.4 拱顶钢架施工

由于顶部坍塌断面不规则，钢拱架加工时要尽量接近坍塌断面轮廓线，钢架加工要以断面测量数据为基础，在坍塌区域扫面断面时，每5米一个断面，且根据实际情况，在变化较大处增加断面数量。

（1）注意事项

①钢拱架必须洞外加工，洞内安装。②在钢架的安装过程中不能扰动围岩，对于围岩面有局部突出部位，可适当增加或减少钢架间距。③钢架组装时保证焊接牢固，钢架之间连接牢靠，所有焊接均采用双面焊接。④钢架基础暂时落在坍塌体上，设立拱脚垫块，锁脚锚杆和钢架搭接牢靠。

4.5 锁脚锚杆施工

本施工方案设计Φ32锁脚锚杆，每榀设计8根，L=4米。在施工锚杆时要紧贴钢架两侧进行布 置见下图：

（1）锁脚锚杆施工工艺流程

测设布孔→凿岩机就位→钻孔→清孔→药卷浸泡→安装药卷→打入锚杆。

4.6 坍塌体清理

坍塌体的清理尤为关键，根据隧道软弱围岩开挖以往的经验，本次清理支护可按照环形开挖预留核心土的方法进行清理，清理过程中机械操作规范不得扰动周围岩体，避免放炮。

（1）施工方法

①放样，打点确定套拱两侧边墙的位置;②挖除环形拱部及邊墙①，在挖出左右两侧边墙坍塌体时，每5米作为一个工作循环，挖出后立即挂网喷射砼支护，喷射砼施工结束后，进行套拱施工，预埋环向止水带。③待①施工完稳定后，开挖核心土②; ④开挖下部围岩③，开挖时采用跳槽施工每2米一段，挖出后立即施工仰拱。

（2）注意事项

①施工时要对顶层拱架进行监控，了解顶层钢架的受力及下沉情况。②在挖出①后，顶层钢架处于悬空状态，在套拱施工前可采用临时支撑顶住顶层钢架拱脚，避免下沉，施工时不要对围岩扰动过大。

4.7 套拱施工

套拱施工为5米一段，每段之间连接处设置环向止水带，预留连接筋。套拱内设置I20钢拱架，拱架之间采用Φ25钢筋进行连接，内外轮廓线各设置一排。

（1）钢筋接头应设置在承受应力较小处，并应分散布置。配制在“同一截面”内受力钢筋接头的截面面积，占受力钢筋总截面面积的百分率，应符合设计要求。

（2）采用电弧焊焊接，单面搭接焊，其搭接长度不得小于10d，双面搭接焊，其搭接长度不得小于5d，焊缝宽度不小于0.8d且不小于10㎜，焊缝高度不小于0.3d且不小于4㎜。

（3）焊接绑扎衬砌钢筋时一定要其他物件保护好防水卷材不被损坏，注意防火。

4.8 后续施工

套拱施工结束后，本次坍塌处理基本结束，套拱顶部预留窗口，用于后期顶部空腔C20砼的回填。C20砼回填至拱顶1.5米高时结束施工，其余空腔的回填采用细沙材料，输送泵施工。施工中随时进行监控量侧。下部仰拱施工时，采用跳槽法，施工及时不易滞后。

5坍塌事故的预防

（1）施工前进行超前地质预报及超前探孔，超前地质预报可以大体了解围岩情况，超前探孔更为实用。探孔部位拱顶设置两孔，一孔平行与路线，一孔上倾角度设在10～20度之间，可探明施工区顶部围岩状况。

（2）对于施工支护后的区域，要经常进行监控量测，监控期过后，一个月进行一次测量，直至二衬施工结束。

（3）对于地下水较发育的隧道工程，必须做好排水措施，保证排水畅通，初期支护砼内部不积水。

（4）隧道大断面施工时，开挖进尺不宜过长。

6结束语

大风口隧道塌方的处理采用管棚超前双层拱支护的方案，管棚的设置保证了坍塌处理的施工安全，双层拱设计，顶部拱架属于刚性材料快速承受压力荷载，下部设计C20砼套拱刚柔结合，有效地保证了后期运营的安全。坍塌处理结束后，经监控量测数据证实此段已完全稳定。

此次处理的成功为今后隧道大断面坍塌处理提供了经验，具有实用参考意义。

参考文献

[1] JTJ 042-1994.公路隧道施工技术规范[S].北京：中国标准出版社，1994.

[2] 黄成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001：107.