浅埋隧道掌子面坍塌原因分析与控制

饶品彪

中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230000

1 引言

隧道施工中群死群伤的突发性事件主要有坍塌、冒顶、涌水、突泥、有毒有害气体突出等，其中坍塌发生的概率相比其他要大一些，是最为常见的典型事故。一旦发生，不仅延误工期、造成经济损失，甚至会威胁到施工及技术人员的生命安全。据不完全统计，发生在掌子面10m 以内的塌方占比44%，因此分析掌子面坍塌的原因对预防隧道坍塌至关重要［1］。

2 工程概况

华家山隧道为双线分离式隧道，线间距为25m，隧道右线起讫里程K0+558～K1+322，全长764m，隧道左线起讫里程ZK0+416～ZK1+214，全长798m。隧址区岩体较为破碎，整体稳定性较差，地形起伏较大。隧道内发育构造破碎带2 条。隧道穿越Ⅳ、Ⅴ级围岩段，地表迳流条件好，地表水除部分渗入地下外，多数以地表径流的形式从沟谷排入区外水系中。隧址区内地下水主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。

3 隧道掌子面坍塌简要概述

华家山隧道出口端左线上台阶开挖及初支施工里程为ZK1+041，塌方段位于华家山隧道出口左线ZK1+042～ZK1+030（约）段。该段设计围岩级别为Ⅴ级，衬砌类型为Ⅴb，初期支护为系统锚杆、钢筋网、钢架相结合，其中钢架间距设计80cm 每榀。

2018 年7 月24 日发现ZK1+044 开始出现节理发育、煤矸石、岩层破碎、夹泥、局部出现小掉块、小量涌水等现象。7月25 日暂停掌子面施工，对掌子面进行封闭，观察掌子面围岩变化情况，对涌水进行疏导。7 月28 日上午11：53，现场主管巡查时发现掌子面拱顶有土石块落下，立即撤到掌子面30m以外，拱顶开始小面积塌方，塌方量345 方，无人员伤亡。7 月29 日凌晨2：00，掌子面再次出现大量坍塌，塌方量1150 方。6：00 开始对初支进行加固，防止塌腔再次扩张继而对已完工初支造成破坏，对掌子面再次进行全封闭，并反压回填。

4 掌子面坍塌的原因分析

（1）地质条件差。①围岩等级差，华家山隧道V 级围岩占比67%～69%，Ⅳ级围岩占比31%～33%。②隧道埋深浅，开挖后形成的自然拱自稳能力差，本次塌方段埋深18～30 米。③存在断层，工程物探解译F1 位置在ZK1+143 附近。发育在奥陶系下统马家沟组（O1m）灰岩地层中，岩石破碎。断层走向延伸较长，向南北两方向未发现源头，断层走向上切割隧道中心线。④节理裂隙发育，岩体较破碎，充填泥质黏土，破坏了岩体的整体稳定性。⑤断裂带、泥质粉砂岩中铁质氧化物析出孔洞及溶蚀灰岩区，为地下水活动提供了条件，易于储水。

（2）地质勘察资料与实际不符，围岩突变。地质勘察资料中节理发育段为ZK0+450 段延长3.40m，ZK0+820 段延长3.30m，ZK1+170 段延长2.8m 等3 处。地质勘察报告中显示ZK0+940～ZK1+140 段处于强-中等溶蚀灰岩，岩体较破碎。实际施工中发现塌方段ZK1+042～ZK1+030 节理发育，掉落的石块呈现紫红色、红褐色、灰色、黄灰色，泥质、砂质结构，中薄层状构造，局部铁质矿物吸出，被黏性土充填，属于典型的强风化泥质粉砂岩（C2b），且伴随出现了黑色煤矸石层、岩层破碎、极易产生滑动掉块，并伴有小量涌水等现象。

（3）质量方面控制不到位。①超前支护不到位，掌子面超前支护存在空隙，超前小导管数量不满足设计要求。②初期支护钢拱架平均每榀间距84cm，个别达到90cm，超过设计要求。③锁脚锚杆平角安装，不符合力学要求。

（4）未及时调整开挖工艺。因断面过大、暴露时间较长，使得掌子面围岩稳定性下降，加上裂隙水的浸润直接导致掌子面围岩失去自稳能力而塌方。

（5）未及时增加掌子面围岩变形的监控量测频次，未能第一时间反馈拱顶下沉量、周边收敛量等真实数据。

（6）偶然不利天气影响。连续一周的短时强降雨导致掌子面围岩受基岩裂隙水浸泡，不断产生掉块及坍塌现象，7 月28日中午掌子面拱顶有小石块落下，随后拱顶开始大面积塌方，7 月29 日凌晨再次因中雨而塌方。

5 掌子面坍塌的处置措施

（1）坍塌初期紧急处置措施：①将开挖台车拖出来进行切割、场地进行平整；②在上下台阶分界处设置警戒线，禁止无关人员靠近；③增加监控量测点，安排专人监测，观察初支完整情况；④安排专人、专车24 小时值班，一旦有异常，立即汇报。

（2）塌方体处置工艺：塌方影响段护拱加固→反压回填注浆固结→拱顶背后空腔浇筑混凝土→坍塌体开挖支护→掌子面端（掘进方向）塌方影响段加固→塌腔回填。

①塌方影响段护拱加固（见图1）。先对ZK1+051～ZK1+041 已经初期支护完成段采用I18 工字钢拱架支撑（护拱）加固，拱架之间用Φ22 钢筋连接，环向间距0.5m，如图1。拱脚处设双锁脚锚杆，打设角度为斜向下约45°，锚管与拱架焊接牢固。在护拱加固完成以后，用Φ42×4mm，4.5m长的径向小导管注水泥浆加固，水灰比0.5：1，注浆要饱满，注浆终压不小于1.5MPa。

图1 初期支护安装护拱加固

②反压回填注浆固结。护拱段注浆加固完成后，对ZK1+042～ZK1+030 段受塌方影响较大的12 米进行反压土石回填（压实度不小于90%），然后采用20cm 厚C25 喷砼+定型钢筋焊接网对塌方体临时封闭。封闭后对回填土体采用水平注浆机对回填土进行注浆加固，注浆深度为12m，间距1.0×1.0m，梅花型布置。注浆采用1：1 水泥浆，水灰比1：1，注浆要饱满，注浆标准采用注浆压力和注浆量双控。

③拱顶背后空腔浇筑混凝土。塌方体封闭固结后，在塌方体与拱部初支交界处埋入2 根Φ108mm 钢管（泵送混凝土用）和2 根Φ42mm 钢管（排气用），长度均应超过拱顶以上5m，通过钢管在塌体顶部浇筑C30 混凝土，厚度2m。浇筑完成后，保持钢管畅通，待将来塌腔回填时继续使用。见图2。

图2 反压回填后拱顶背后空腔浇筑混凝土

④坍塌体开挖支护。拱顶背后空腔浇筑24h 后方可进行坍塌体（ZK1+041-ZK1+030）的开挖，开挖前，施做双排小导管超前支护并注浆。开挖采用风镐开挖，严禁爆破。采用三台阶法开挖，严控进尺，50cm 一个循环，每循环要对掌子面进行初喷封闭，初喷厚度8～10cm，开挖后及时支护。支护参数为25cm 厚C25 喷砼+I22 型工字钢（榀间距0.5m）+钢筋焊接网+系统锚杆（Φ25mm×5mm，L=3.5m，纵环间距0.5×1.0m）。

⑤掌子面端（掘进方向）塌方影响段加固。由于塌方段掌子面遇到构造破碎带，地质情况发生了较大的变化，对掘进方向塌方影响段（ZK1+030-ZK1+010）进行加固，开挖方法采用三台阶法，60cm 一个循环，每循环要对掌子面进行初喷封闭，初喷厚度8～10cm，开挖后及时支护。支护参数为25cm厚C25 喷砼+I22 型工字钢（榀间距0.6m）+钢筋焊接网+系统锚杆（Φ25mm×5mm，L=3.5m，纵环间距0.6×1.0m）。如图3。

图3 掌子面端（掘进方向）塌方影响段加固

图4 塌腔回填

⑥塌腔回填。加固完成后，待仰拱和二衬有一定承载能力后，方可进行塌腔回填，护拱上浇筑约2m 厚混凝土，并吹填2m 厚细砂作缓冲层。如图4。

6 过程管控措施

（1）加强超前地质预报。专门组织地质雷达探测，检查初支背后是否存在岩溶、空洞等现象，通过水平钻孔超前探测确定掌子面前方围岩是否含水。通过这两种办法能掌握30m 范围内的地质情况，有助于塌方的处理，防止二次事故的发生［2］。

（2）预留初支变形量。掌子面开挖支护时，塌方段预留一定变形量取30cm，防止沉降过大导致初支侵限。

（3）严格落实按图施工，按方案施工。采用三台阶法开挖，减小开挖断面，减少暴露时长，提高围岩自稳能力。

（4）加强支护参数。缩小初支钢拱架间距，增加超前小导管的布设密度，确保注浆的质量，同时增设锁脚锚杆，可有效提高初支的稳定性。

（5）施工过程中加强监控量测，通过计算初支位移速度和位移速度的变化率，判别隧道开挖工作面是否稳定，为调整支护参数以及调整开挖工艺提供依据。

（6）做好掌子面引排水工作，减少基岩裂隙水、孔隙水、降水对围岩的侵蚀。据不完全统计，单独穿越破碎带和单独穿越地下水区段所造成的的塌方占比均为26%，而洞室穿过破碎带和地下水综合影响段所造成的塌方占比高达42%，做好引排水工作对预防隧道塌方尤为重要［3］［4］。

7 管理措施

落实隧道坍塌处理专项施工方案交底、安全技术交底，明确治理期间安全注意事项，提前告知预防措施。组织现场安全教育，禁止无关人员进入警戒范围以内，避免人员伤亡。落实领导带跟班制度，带领技术主管、测量人员24 小时现场盯控。成立应急小组，制定应急措施并进行交底，加强现场安全巡查，一旦发现异常立即停工撤人，启动应急预案。另外要加强与建设单位、设计单位的联系，及时反馈施工一线情况［5］。

8 结束语

浅埋隧道拱顶处于节理发育、破碎带等不良地质时，受强降雨、裂隙水、地表渗水影响易失去自稳能力而塌方，需缩小初支钢拱架间距，并辅以超前小导管注浆。通过加强超前地质预报动态掌握围岩变化情况，结合监控量测反馈的数据，尽早地加强初期支护，严格按照三台阶法开挖，减小掌子面暴露时长，同时做好掌子面引排水工作，可有效的避免掌子面坍塌。