隧道塌腔处理措施研究

黎海波

摘   要：隧道施工中由于地质情况多变，尤其是拱顶围岩为强风化松散岩层或砂砾层时，可能会造成开挖后隧道顶部坍塌，出现塌腔。塌腔出现后应立即分析原因，并采取紧急措施，防止塌腔进一步扩大，并稳定掌子面，采取稳妥开挖方式掘进，同时对出现的塌腔进行妥善处理。文章对此进行了分析。

关键词：塌腔;紧急处理;稳妥开挖;塌腔处理

垣渑高速公路某隧道位于南沟坪桥南，属山岭地貌，地形起伏大，地面高程为760～1 140 m，高差为380 m，隧道围岩主要为部分强风化至中风化砂质页岩和石英砂岩，按双向4车道高速公路标准建设，设计速度80 km/h，该隧道为分离式隧道，左线长3 670 m、右线长3 690 m。进口洞门采用削竹式洞门，出口洞门采用端墙式洞门。洞门段明洞长13 m，采用现浇钢筋混凝土结构，暗洞衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式，初期支护以拱架、锚杆和钢筋网喷混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土衬砌，初期支护与二次衬砌结构之间设防排水夹层。隧道纵断面采用单向坡。该隧道采用两头向中间对打的施工方式施工。

1    塌腔情况及原因分析

2019年7月9日凌晨1时左右，某隧道出口右洞施工至K47+732.5处时，开挖进尺一榀拱架，钢架已立好，间距75 cm，工人正在打超前，拱顶处开始出现小范围塌方，且拱顶处不停有洞渣塌落，现场工人无法继续施工，项目部要求来现场做设计变更。当天9时，业主、设计、监理、施工4方在现场看过后，定下了往前做的施工方案，对于塌腔处理的初步意见是等掉块停下来时再立钢架，喷砼后再处理塌腔，同时采取紧急处理措施是从洞外拉石渣进洞，采用洞渣对掌子面进行回填形成反压，防止掌子面围岩继续失稳。某隧道K47+732.5掌子面照片如图1所示。

2019年7月10日9时，塌腔仍然不断掉落碎块，人员不敢靠近，塌腔的具体情况无法得知，原定的等塌腔稳定后再施工的方案已经不适用了，项目部再次要求业主、设计、监理来现场重新定下塌腔处理方案。截止到2019年7月11日上午9时，塌腔塌落砂砾等估计在200 m3，并且还不时掉落砂砾和小块状的强风化页岩。

K47+732.5处隧道地面距地表垂直距离为156.5 m，属深埋段。设计图纸对围岩的描述是中风化石英砂岩，节理发育，岩体较完整，雨季有点滴状出水，拱部无支护时可发生小-中塌方，建议按照Ⅲ级围岩支护，支护类型是Ⅲc，即拱部为环向120°三肢格栅钢架，其余部分为光爆，采用挂网喷浆支护。现场围岩实际情况是实际掌子面上部与下部均为强风化页岩，泥质含量较高，层理间夹砂质页岩夹层，属软弱夹层状，围岩破碎，强度很低。围岩稳定性很差，开挖后，拱顶无支护时，不停有松散碎块往下掉落，已造成拱顶空洞。K47+740～K47+732.5处施工方案经过变更，围岩定为V级，衬砌类型为Va，支护方式是超前小导管，每根长4.5 m，环向39根，钢架为I18，间距75 cm，间隔3 m打一次超前小导管，也就是每四榀钢架打一次超前小导管。发生塌方后，經4方商定K47+732.5向前的施工方案又变更为Ⅴc衬砌，从K47+732.5开始每榀工字钢打超前小导管，小导管长度为3.5 m，小导管环向间距为35 cm，每榀小导管数量为39根。

塌腔发生的主要原因：第一，拱顶围岩为强风化页岩，泥质含量较高，层理间夹砂质页岩夹层，属软弱夹层状，围岩破碎，强度很低，围岩稳定性很差。第二，超前小导管施工未严格按照注浆要求进行施工，小导管管壁未打孔，注浆压力及稳压时间均有所欠缺。

2    塌腔处理方案

2.1  对掌子面后面初支进行加固处理

从K47+732.5至K47+740段采用I18工字钢制作环向钢架，间距为75 cm，共10榀，将初支面进行支撑，钢架两侧拱脚处设置双拼I18工字钢作为拱脚支撑，长度均为7.5 m。钢架间设置环向间距为1 m的连接钢筋，钢筋直径为22 mm。沿钢架打壁厚3.5 mm，直径42 mm，长度4.5 m的小导管，环向间距为1 m，每榀工字钢打19根小导管，共10榀工字钢。之后注水玻璃和水泥浆（双液）对四周围岩进行加固。打注浆小导管如图2所示，环向钢架支撑初支面如图3所示。

2.2  对回填渣体进行喷浆封闭

在现在的塌方及回填土渣上用砂袋码起来（见图4），砂袋宽度初定为100 cm，砂袋回填完毕后，对整个渣体和砂袋进行喷浆封闭，喷射C25混凝土厚15 cm（见图5）。在喷射砼中间预留3根直径150 mm的泵管，长度约3 m，作为注C25砼及吹砂砾的孔道。

2.3  向塌腔内注C25砼

从预留孔道向塌腔内注入C25砼，厚度约为1 m，形成一个类似套拱的砼结构物，等砼强度达到85%的设计强度后打直径89 mm管棚。

2.4  打管棚

向注入的C25砼内120°范围内环向打直径89 mm的钢管形成管棚，钢管以向上3°的倾角打设，每根钢管长度初定10 m。环向数量为39根。完成后向钢管内注水泥浆。

2.5  加强监控量测

塌方处理过程中，加强围岩监测频率，每2 h一次，密切关注并分析监测数据。量测断面加密，2 m一个断面。及时反馈监测信息，指导现场施工，直至各项监测数据稳定后方可进行掌子面开挖。

2.6  开挖及支护

等注入的水泥浆强度达到设计强度的100%后，开挖掌子面前反压洞渣，并逐步向里面开挖，严格按照预留核心土三台阶法施工，施工至K47+732.5处后每次按60 cm开挖立架，按V级围岩按5c衬砌施工，每榀钢架均按要求打超前小导管并注浆，直至渡过塌腔段。

2.7  塌腔回填

塌腔回填分为两部分，第一部分是往塌腔内泵送C25砼，厚度在1 m，前面已经施工完成。第二部分是在开挖渡过塌腔段落后，通过预埋的管道向塌腔内吹砂砾，厚度在1 m左右，在泵送砼顶面形成一个缓冲层，防止后期塌腔顶部再有掉落的岩石或砂砾时能起到保护作用。选择砂砾的原因：其一，砂砾自重比较轻，对下面的初支和二衬压力小，其二，砂砾为柔性材料，缓冲效果较好。

为确保前方安全，稳妥掘进，后续开挖前做好超前地质预报。施工时严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则组织施工。

3    塌腔实际实施方案

3.1  按原制定的方案进行第一至第三步

原定的方案第一至第三步都严格执行完成，在进行第四步时，管棚打孔施工时，钻机进场发生卡钻现象，且无法有效成孔，管棚施工难度很大，无法进行下去。

3.2  超前小导管替代管棚

根据现场情况，决定取消管棚，将原定方案的第四步改为在拱部120°范围打设超前小导管，每根小导管直径42 mm，长4.5 m，环向39根，然后用注浆机进行注浆，采用注浆量和注浆压力双控原则进行注浆时间的控制。注浆压力0.5～1.0 MPa，稳压10 min。

3.3  监控量测

监控量测采取2 m一个断面，主要观测拱顶下沉和周边收敛两个指标。每两小时观测一次，经过连续两天的观测数据显示，超前小导管施工后，掌子面后面的初支面很稳定，每天的周边收敛为0.1 mm，拱顶下沉位移为0.2 mm，表明掌子面后面围岩基本稳定。

3.4  开挖及支护

超前小导管结束后两天，开始开挖掌子面前的反压洞渣，并逐步向里面开挖，严格按照预留核心土三台阶法施工，施工至K47+732.5处后每次按60 cm开挖立架，按V級围岩按5c衬砌施工，每榀钢架均按要求打超前小导管并注浆。

由于之前泵送砼及压浆措施在掌子面顶部形成了一个类似“硬壳”的结构物，在开挖过程中对施工人员起到了保护作用，在钢架施工时，用I20工字钢将钢架与“硬壳”支撑牢固后，将钢架与硬壳之间的空间用C25喷射砼填实。

3.5  塌腔回填

按照制定的方案进行泵送砼和吹砂砾填充塌腔，填充总厚度为2 m。在后续施工中，对塌腔范围下的初支和二衬进行了监控测量，拱顶下沉和周边收敛均稳定。

此次塌腔未造成人员伤亡，对于塌腔险情处理从7月9日开始至7月19日结束，共历时10天。工程后续开挖过程中，加强了超前地质预报工作，同时对类似顶部作了防范措施，加强了超前小导管施工质量，局部薄弱处采用加密小导管数量，未再次发生类似事情。