公路山岭隧道断层大塌方处理施工技术

隆燕青

(湖南省隧道工程总公司，湖南 益阳 413000)

因公路山岭隧道在公路穿越山岭或丘陵时对改善公路线形、缩短线路长度等方面发挥着重要作用，故随着我国公路建设的飞速发展也不断增加，且目前仍以钻爆法开挖为主﹒塌方是隧洞施工中的主要地质灾害，约占90%以上，断层破碎带塌方占塌方的绝大部分[1]﹒隧道穿越地层地质情况复杂多变、设计考虑不周、施工方法和措施不当是导致塌方的3 个主要原因﹒塌方处理方案若不当，轻则造成工期延误和费用增加，重则造成机械设备损毁、人员伤亡、企业信誉和形象严重受损等不良影响﹒因此，能否采取适当的施工技术对塌方进行处理非常重要﹒

很多学者在隧道塌方处理施工技术等方面进行了相应的总结和研究，取得了一定的成果，目前的主要处理施工技术归纳如下：加固未塌方段→锚喷等支护加固塌穴面→加强塌方段初期支护→塌腔回填[2-5]；地表注浆加固塌方体→洞内采用超前支护和加强初期支护[6-7]；注浆小导管加固整个掌子面的堆积体→塌腔回填→超前支护加双侧壁导坑法等工法分部开挖[8-9]﹒

从现有的研究情况和工程实例来看，很多学者提出的塌方处理施工技术都能较好地完成对相应塌方的处理﹒但是，对处理过程中二次塌方造成的安全问题和二次灾害考虑不足，对处理的施工成本也有待进一步深入研究﹒本文结合湖南省某公路山岭隧道断层大塌方处理实例，对公路山岭隧道断层大塌方处理施工技术进行了研究﹒

1 工程概况

湖南省某公路双车道隧道全长712 m；进口段地形较缓，坡度10°~18°；出口段地形较陡，坡度38°；隧道中部山体雄厚，洞顶最大埋深152 m﹒围岩主要为灰绿、深灰色、紫红色变质石英砂岩、砂岩夹中薄层砂质板岩、板岩或页岩﹒根 据地质测绘，隧道沿线穿过了F27、F21、F280、F281等4 条断层，破碎带宽0~3.5 m﹒隧道围岩级别有Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级3 个级别，Ⅴ级围岩主要分布于进出口洞口段、断层段和围岩破碎富水段﹒Ⅴ级围岩岩石破碎，强风化状态，富水，地下水头较高，围岩极不稳定，存在大规模掉块、坍塌、涌水、流沙等问题，其隧道开挖断面宽×高为10.4 m×8.025 m﹒

出口工作面在进行桩号0+668~0+667 段开挖时出现塌方，此次塌方破坏的范围较大，对已完成支护段0+675~0+668 段的初期支护段全部毁坏，塌方区范围高约10~15 m，宽约8~12 m，长约6~8 m，塌方方量约960 m³﹒

通过现场勘察并查看施工、设计和地质资料，分析隧道塌方的主要原因是地质条件突然变差，遇到了以前未曾发现的 F254断层，其产状40°∠75°~80°，破碎带为碎块石和大块石夹泥，碎块石直径0.1~3.0 m 不等，且地下水丰富，右侧角渗水呈线状，围岩自稳能力差，在渗水作用下引起拱部围岩失稳而坍塌﹒

2 塌方处理施工技术

2.1 方案比选

方案1：加固未塌方段→锚喷等(由打设锚杆、挂钢筋网、喷混凝土、钢管或型钢加钢板点支撑等的一种或多种措施组合)支护对塌穴面加固加强围岩自身的稳定性→加强塌方段初期支护→塌腔回填﹒此方案的施工速度快，经济效益好，但对易发生二次塌方的部位，其施工危险性很高﹒此方案更适用于规模不大的塌方或塌方后塌穴比较稳定不易发生二次塌方的情况﹒

方案2：地表注浆加固塌方体→洞内采用超前支护和加强初期支护﹒此方案施工安全性好，但由于出口段地形较陡，塌方段埋深超40 m，且塌方段地表无施工道路，故施工工期长，其经济性差﹒此方案更适用于埋深浅且隧道顶交通方便的大塌方情况﹒

方案3：注浆小导管加固整个掌子面的堆积体→塌腔回填→超前支护加双侧壁导坑法等工法分部开挖﹒此方案施工较安全，由于此塌方堆积体为碎块石和大块石夹泥，具有一定的自稳能力，故不需对整个掌子面采用注浆加固，且掌子面加固后还需进行开挖拆除，使施工时间增长且经济性差﹒此方案更适用于自稳能力极差的流沙和突泥涌水地质等大断面或超大断面隧道﹒

图1 方案4 施工流程

方案4：施工流程见图1﹒此方案不管塌腔内 是否发生二次塌方，均能保证塌方处理作业人员的安全，同时减少不必要的浪费，经济性较好，施工速度较快﹒此方案更适用于隧道埋深较大，隧顶交通不便，且塌穴内易发生二次塌方，又塌方堆积体有一定自稳能力的大塌方情况﹒

采用方案4 并结合湖南省某公路山岭隧道断层大塌方处理的工程实例进行分析﹒

2.2 大塌方处理施工技术方案

步骤1：现场勘察和渗水处理﹒先将人员、设备和材料撤离，待塌方基本稳定后再进行现场勘察﹒勘察主要了解塌方部位、范围和大小，渗水情况，围岩地质，并初步分析塌方原因，为塌方处理提供依据﹒若塌方段渗水量大，需先用钢管等排水管道进行引排﹒

步骤2：堆积体反压和修坡﹒为了提高塌方堆积体的自稳、承重和防漏浆作用及提供一个平整的受喷面减少喷混凝土浪费，对堆积体采用挖机进行反压和修整成一定坡度的平整坡面，该塌方处理的坡比为1︰0.5，见图2﹒堆积体需与未受影响的初期支护全部接触，若未全部接触需从洞外运洞渣回填﹒先采用机械作业，当机械操作受限时，采用人工装袋堆码填筑至与初期支护全部 接触为止，并埋设回填用钢管﹒

图2 加固示意图

步骤3：堆积体封闭﹒为了增强堆积体的防漏浆作用，对反压修坡后的堆积体渣面采用喷10 cm 厚混凝土封闭，并对拱部的封闭层加厚形成止浆墙﹒为了提高封闭层的防漏浆效果，还可增加锚杆和钢筋网等措施﹒此塌方段处理见图2﹒

步骤4：加固未塌方段﹒为了防止塌方往未塌方段扩大和保证塌方处理安全，对塌方段附近一定范围的未塌方段视情况采用副拱、固结灌浆、小导管注浆的一种或多种组合措施加固﹒由于副拱存在侵限问题，在二衬前需要拆除，一般优先采用后2 种加固措施﹒此塌方处理对起拱线以上部位采用3 环注浆小导管进行加固，见图2﹒

步骤5：处理开挖轮廓线外堆积体﹒当堆积体标高超过已支护的拱顶时，在注浆加固前先在顶拱打设超前探孔探明塌穴的长宽高和堆积体标高超出隧道开挖轮廓线的高度﹒当堆积体标高超出隧道设计开挖轮廓线1.5 m 时，直接采用分段注浆加固措施；当未超出1.5 m 或低于已支护的拱顶时，为降低塌方处理成本，可先用探孔或预埋管往塌腔内回填砂、砂浆或混凝土后再注浆﹒

为了减少止浆墙防渗压力、隧道开挖范围内的浆液用量和固结后开挖拆除费用，同时保证注浆加固拱圈的承载能力，采用在拱部周边布设不同角度、长度和相互错开的钢花管对堆积体进行分次分段注浆加固﹒注浆量按照注浆加固体的平均厚度超出设计开挖轮廓范围外不少于1.5 m 考虑和控制[10]﹒每环长度根据塌穴纵向加固长度而定，按照第1 环2~3 m，后两环不超过6 m/环布设，环向间距0.5~1.5 m，堆积体渗透性大选大值﹒当塌穴纵向长度大于15m 时，为了减少钻孔浪费，将整个塌方分为几个塌方段依次进行处理﹒

此塌方处理详见图2 和图3﹒单孔施工流程为造孔→安装钢花管→注浆→凝固，依次完成第1，2 和3 环，每环钻孔和灌浆均采用由低到高跳孔加密的原则进行施工﹒钢花管的尾部在已加固段不开孔，不开孔长度第1，2 和3 环孔分别为L1=1 m，L2=L1cosα/cosβ m，L3=L2cosβ/cosγ m﹒

图3 注浆钢花管横断面

注水灰比为0.5︰1(重量比)的水泥浆液，注浆压力0~1.0 MPa，为加快凝固和控制浆液扩散范围，掺加3%的速凝剂﹒当出现漏浆时，采用封堵、待凝与加速凝剂或加水玻璃双液注浆等措施﹒

步骤6：塌穴回填﹒为确保支护结构的安全，同时兼顾经济性，钻不少于2 个进入加固后剩余空穴内的孔，并埋设回填管和排气管﹒对空穴可通过回填管回填砂、砂浆、混凝土、黏土、粉煤灰水泥浆或其它轻质材料等，具体材料根据空穴大小、形状、围岩地质、渗水情况、现场材料设备和施工成本等综合考虑，最后再注浆填满﹒

步骤7：超前大管棚﹒超前大管棚主要作用为在隧道开挖范围外形成一个拱形支护[11]，确保施工和结构的安全﹒管棚根据塌穴大小和围岩情况选用φ89 或φ108 钢管，环向间距30~50 cm，长度10~35 m，具体长度根据塌穴的长度确定，管棚需伸入未塌方段不少于5 m，当塌方纵向长度超过30 m 时将塌方分成多个区段和增设管棚排数的措施，管棚的搭接长度不少于5 m，管棚内注水灰比为0.5︰1(重量比)的水泥浆，注浆压力0.2~1.0 MPa，钻孔和灌浆均采用由低到高跳孔加密的原则进行施工﹒见图4﹒

图4 超前支护和钢支撑支护

步骤8：分台阶分部短进尺开挖﹒由于塌方段和断层影响段围岩自稳能力差及承载力低，且与开挖断面的宽和高及循环进尺负相关，因此需根据围岩地质和开挖断面大小采用分台阶分部短进尺的方式进行开挖，严格控制每循环进尺，一般每循环进尺控制在0.5~1.0 m，开挖方法可选用两台阶、三台阶、CD 法、CRD 法、双侧壁导坑 法或同时预留核心土等[12]﹒此塌方处理采用短正两台阶法﹒

步骤9：加强塌方段和断层影响段初期支护和围岩变形量测﹒按照“管超前、短进尺、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”的原则施工﹒其施工流程：在超前支护下进行上台阶开挖→初喷→锚喷钢支撑支护→上台阶连续开挖不超过下台阶5 m→下台阶右边墙开挖→初喷→锚喷钢支撑支护→下台阶左边墙开挖→初喷→锚喷钢支撑支护→上台阶开挖→下道工序﹒其中每次开挖进尺0.5~1 m，初喷采用素喷4~10 cm 厚混凝土封闭开挖部位和掌子面，其余参数详见图5﹒

图5 塌方段施工支护

塌方段过后，一般仍处于断层影响段内，为了保证安全度过断层，仍按照塌方段进行施工，直到整个隧道断面已全部通过断层3~5 m 后再按设计进行施工﹒为了确保施工安全和验证处理措施的稳定有效，做到信息化施工，将塌方段和断层影响段围岩变形量测断面间距加密至3 m﹒根据此塌方现场监测结果，其拱顶沉降和周边收敛均满足规范要求﹒

2.3 塌方处理施工技术评价

在此塌方处理过程中塌穴内虽多次发生掉块和坍塌，但是采用上述施工技术进行处理未受其影响，从塌方措施制定到塌方处理完成共经历43 d，施工速度较快﹒因此，采用方案4 对断层导致的大塌方处理满足施工安全、施工进度、经济效益和施工质量等方面的要求，是切实可行的﹒

3 结论

1)由于地质情况复杂多变，隧道断层塌方很难避免，故施工中应加强超前地质预报和预控，尽量减少塌方﹒

2)由于隧道塌方段地质情况、开挖断面和塌方原因不尽相同，故处理方案也相应有所不同﹒塌方处理方案首先必须确保施工人员的安全，然后再综合考虑施工速度、经济效益和现场材料及设备情况﹒

3)在拱部周边采用不同角度和长度的注浆钢花管进行分次分段注浆加固的措施不但能起到加固拱周形成加固拱圈的作用，而且还能有效缓解止浆墙的防渗漏压力，减少对开挖范围内堆积体不必要的注浆浪费以及因不必要的注浆加固而增加的开挖范围内堆积体的拆除费用﹒

4)此断层大塌方处理施工技术在施工中基本不受二次塌方影响，能有效避免发生二次灾害﹒