高边坡大滑坡体塌方段施工成洞研究与实践

冯述平

（中铁二十局集团市政工程有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

两河口水电站交通工程主线隧道出口端洞口位于瓦支沟左岸，距沟口约200m，洞口处设计基线高程2733.51m，洞口上方约2773.00m（高程）处有11#公路施工便道通过。洞口处斜坡总体走向N78°W，洞口至上方便道间坡度40～45°，便道至山顶50～60°。洞口以下及便道至山顶基岩裸露，其余均为覆盖层。出露的地层主要有新都桥组（T3xd）上段的粉砂质板岩、绢云母板岩以及后期侵入的花岗岩或石英岩脉，岩层产状为N70～80°W/SW ∠70～80°；覆盖层为崩坡积块碎石土（col+dlQ）。地表调查未见大的断层，主要发育板理及节理裂隙，以板理面最发育。斜坡岩体卸荷作用强烈，可见卸荷拉裂缝充填次生泥。斜坡为顺向陡倾岸坡，基岩变形破坏主要表现为倾倒破坏及卸荷拉裂，覆盖层有蠕滑现象。斜坡中分布的第四系崩坡积物及倾倒变形体，松散、破碎，稳定性差，在暴雨及人工扰动下容易失稳。坡体岩体以板岩为主，绢云母板岩岩性软，易风化，遇水软化，风化卸荷作用强烈，边坡岩体松弛、破碎，完整性差，工程岩体分类为Ⅴ类，岩体质量差。

该洞口边仰坡于2010 年3 月开始施工，7 月2 日按照设计处理意见施工完成，5 月10 日隧道出口段贯通。受出洞口地质原因及汛期降雨等因素影响，2010 年7 月27 日出洞口仰坡开口线以上坡体发生大规模坍塌，主线隧道出口端洞身全部坍塌，洞身塌方段为K4+563.60～K4+603.00，近40m。

2 设计原则

坡体发生大规模坍塌后，经参建各方充分沟通，设计单位通过与相关专业协调，深入研究后，制定了处理总体原则如下：

（1）根据本边坡地质情况，综合考虑施工条件、进度和投资等方面的因素，不再重新进行改线施工，原则上对边坡进行削坡卸载处理。

（2）由于洞口2733～2820m 主要为强卸荷体边坡塌渣和堆渣体，对边坡2820m 高程以下强卸荷体边坡原则上不进行开挖，只对洞内塌方体采取固结处理等方式形成固结圈进行出洞施工。

（3）设计支护参数。坡面按照1∶0.75 坡度开挖后，进行喷锚支护，采用12cm 厚C20 砼挂网喷砼支护ф6.5钢筋网（网格尺寸20cm×20cm），锚杆采用Φ25 自进式中空锚杆L=4.5m，间排距2m×2m 布置。洞内塌方体开挖支护参数：隧道拱部120°范围内，4.5m 长超前小角度注浆小导管环向间距30cm，纵向排距200cm，注P.O42.5 水泥浆100kg/根。隧道拱墙全断面3.0m 长大角度固结注浆小导管，梅花形布置，环向间距100cm，纵向排距100cm，注P.O42.5 水泥浆150kg/根。

3 隧道塌方段施工难点

（1）该段坍塌体坐落滑移松散体埋深大（最大约90m），松散体压力大。

（2）洞身开挖跨度大（最大开挖跨度16.3m），对开挖方法及为开挖安全施工提供保护壳体固结圈效果要求高，安全风险高。

（3）隧道塌方段处理长度长（40m），连续固结拱圈形成完整的拱效应更为重要。

（4）开挖轮廓线内外均存在大量块石架空现象，吃浆量大，流失严重，施工难度大。

（5）隧道外边坡斜坡岩体卸荷作用强烈，卸荷拉裂缝充填次生泥，在暴雨及施工扰动下容易失稳再次滑塌，处理好洞内外施工关系尤为重要。

4 施工总体思路

由于3#公路隧道出口边坡及洞内塌方处理施工难度大，为保证施工安全、质量和进度，根据设计要求确定了以下总体施工思路：

（1）结合现场实际情况，根据洞口边仰坡处理与洞内塌方处理的相互影响关系，确定总体施工顺序为先洞外后洞内的施工原则，即先治理边坡后处理洞内塌方，接近洞顶2820m 强卸荷体边坡塌渣和堆渣体高程时，为减少洞内施工对边坡扰动，可进行洞内开挖支护。

（2）边坡开挖设计高程为2925m，最大开挖高度达192m，开挖从每级马道自上而下分2 层，每层控制7～8m 高度；分段开挖每段15～20m，分层支护，每层边坡高度不能超过8m，支护未完成，严禁进行下部开挖。边坡卸载开挖应根据设计提供地质情况，合理布设孔眼和装药量，设置减震孔，采用预裂爆破方案，调整爆破参数尽量减少对边坡的二次扰动。

（3）根据现场多次勘查，洞口2733～2820m 约90m 主要为强卸荷体边坡塌渣和堆渣体，隧道K4+563.60～K4+603.00 塌方体处理成败直接影响隧道上方边坡稳定性，隧道塌方处理的重点是对隧道开挖线外2～3m 内松散体进行固结，形成固结拱圈，同时控制好洞内溜踏。结合以上客观原因，选择从洞内向外顶进施工，采用短进尺、预留核心土、分部分台阶开挖以及超前注浆锚杆支护、固结浆锚杆支护、型钢钢架支护、喷射混凝土紧密配合，协调跟进的原则进行。

5 塌方段隧道处理施工方法

按照总体施工方案要求，2011 年11 月顺利完成边坡2810～2925m 段边坡开挖支护工作。为确保强卸荷体边坡塌渣和堆渣体稳定性，人工只对洞口周围孤石和松散体进行清理，先进行洞内塌方段开挖支护，出洞后在进行边坡塌渣和堆渣体支护。结合现场实际情况，在该段洞身开挖支护过程中应坚持以下原则：

（1）洞内塌方体处理采用短进尺、预留核心土方式开挖支护。每循环开挖进尺不大于60cm，分部开挖高度不能超过200cm。上循环支护工作未完成，严禁进入下循环开挖施工。

（2）为确保洞内支护安全，在洞内塌方体开挖前对未受损段K4+552.62～K4+563.60 段进行拱架加强支护。

（3）先施工完毕小角度超前注浆锚杆后，再施工大角度固结注浆锚杆，每榀拱架定位后及时进行大角度锚杆锁脚固结施工，所有锚杆必须与钢架焊接牢固。

（4）锚杆注浆选择注水泥浆，注浆总量进行控制，注浆压力只作为注浆效果参考，达到隧道开挖轮廓线外形成2～3m 固结圈目的。如有超出设计注浆量的情况出现，需现场根据实际情况确定方案。

（5）二次衬砌、仰拱作业待初期支护围岩稳定后立即进行，紧跟初期支护的原则，具备6m 长度浇筑成型一仓。

（6）施工过程中严格按照相关规定做好洞外边坡及洞内变形量测工作，量测结果及时进行分析，为开挖作业提供保障。

5.1 塌方体洞身开挖

（1）洞身开挖施工方法确定。由于该段坍塌体坐落滑移松散体埋深之大，松散体压力大，洞身开挖跨度之大（最大开挖跨度16.3m），塌方段处理长度之长，及隧道开挖轮廓线外存在大量块石架空现象，吃浆量大，施工难度大、安全风险高等特点，将隧道的开挖方法确定为四台阶十步开挖法，台阶控制在高度2m 左右。四台阶十步开挖法将隧道一个断面分为10 个小的断面进行开挖，即上断面开挖支护、中左断面开挖支护（两分部）、中右断面开挖支护（两分部）、下左断面开挖支护、下右断面开挖支护、核心土开挖（核心土预留面积＞断面面积50%）、仰拱开挖支护，开挖横断面和纵断面分别如图1、图2 所示。

（2）分部台阶开挖循环施工程序。因本段属于塌方体，主要采用人工进行开挖、扒渣，机械车辆运输，严禁使用任何爆破，对于局部孤石采用风镐凿除，其每分部开挖施工工序如图3 所示。

5.2 注浆锚杆支护

图2 开挖纵断面

图3 分部开挖循环施工流程

（1）施工参数调整。本塌方隧道段位于坡体坐落滑移形成的大块石及碎块石中，岩性为砂板岩及部分花岗岩，经现场钻孔及观察，隧道坍塌后开挖轮廓线内外均存在块石架空现象，回填注浆量较大。通过现场几天钻孔试验，小导管钻孔施工存在无法成孔，卡钻和钻杆无法拔出现象，因此无法按照原设计小导管施工。为克服小导管施工成孔难问题，改为自进式中空注浆锚杆。支护参数调整如下：隧道拱部150°范围内，Ф32，4.0m 长小角度注浆自进式锚杆，环向间距25cm，纵向排距100cm，注P.O42.5 水泥浆100kg/根；隧道拱墙全断面，Ф32，4.0m长大角度固结注浆自进式锚杆，梅花形布置，环向间距100cm，纵向排距50cm，注P.O42.5 水泥浆350kg/根。

（2）自进式锚杆成孔、制作。自进式注浆锚杆虽然克服小导管施工成孔难问题，但是自进式注浆锚杆的注浆主要是从尾部反冲浆液压力形成岩体固结，注浆效果远不如小导管，对形成2～3m 固结圈有很大影响。为此，对自进式锚杆管壁设置注浆孔，孔径由24mm 改为32mm，在管壁上每排间距80cm 梅花型钻眼，眼孔直径为不小于5mm，根据现场岩石情况和钻杆刚度情况适当调整间距，确保每根不少于9 个孔，尾部长度不小于50cm 作为不钻孔的止浆段。为增加锚杆刚度，壁厚由4mm 改为6mm，每2m 钻进后设置联结套连接，成孔和扩浆起到很好效果。

（3）自进式锚杆注浆。第一，注浆效果分析。自进式注浆锚杆采用GS20EC 灌浆泵压注水泥浆。注浆时在孔口处设置能承受规定的最大注浆压力和水压的止浆塞或自制阀门，确保浆液不外流。但由于本塌方隧道段位于坡体坐落滑移形成的大块石及碎块石中，岩性为砂板岩及部分花岗岩，隧道坍塌后开挖轮廓线内外均存在块石架空现象，发现存在超灌浆量，吃浆量大。浆液流失严重，开挖时存在掌子面松散渣体向洞内溜塌现象，超挖较严重，不易形成固结拱圈，支护很难进行。第二，注浆工艺改进。通过现场调查和统计分析，成立质量管理了小组，采用因果分析图，从人、机、料、法、环5个方面入手找出各种原因，进行要因确认，制定对策，对注浆配合比变浆浓度、适当掺加外加剂、调整注浆量、改变注浆顺序、分段、跳孔、间歇等方法改进注浆工艺，开挖揭示通过超前预注浆为开挖安全施工提供保护壳体，稳定掌子面渣体，控制超欠挖，为固结注浆提供屏障。通过固结锚杆在开挖线外形成2～3m 厚的连续固结拱圈，起到拱效应作用。第三，注浆工艺总结。根据吃浆量大小选择水泥浆或水泥砂浆，块石架空现象较大时，可先注水泥砂浆后注水泥浆，注浆浆液先浓后稀，由下至上、间歇、跳孔及吃浆量大时适当参加速凝剂分段分次顺序进行。注浆选用水泥浆液掺加2%速凝剂，采用每次50 kg水泥量进行分段注浆，间歇4～5min，根据地质及吃浆量情况，对个别锚杆注浆量适当增减，控制总量不变。小角度自进式超前注浆锚杆超前角度调整为15～25°，一环角度15°，间隔一环25°，大角度固结锚杆超前向上（外）不小于60°，每次注浆前对掌子面采用10～12cm 厚C20 喷射混凝土进行封闭，锚杆端头设置止浆阀门，可避免浆液流失。为防止固结浆液流失同时保证施工安全，对固结锚杆滞后1 榀拱架（50cm）可跳孔注浆到孔深的一半，待下循环再次进行补注浆。

5.3 钢架及喷射砼作业

隧道各分部开挖固结锚杆注浆完成后，钢架采用HW150X150 型钢钢架，纵向间距为0.5m 分单元及时安装，与双侧锁脚注浆锚杆进行固定，纵向采用Φ22 钢筋连接，钢架之间铺挂钢筋网，然后复喷C30 混凝土到设计25cm 厚度。

5.4 仰拱及洞身衬砌

为保证施工安全，仰拱、洞身衬砌同步推进的方式施工，拟在开挖、支护落底作业面进尺约6m 后即视已支护段稳定情况（以监控量测数据作参考）进行仰拱、洞身砼衬砌及其他附属工程施工，以保证洞身尽早获得永久可靠的支撑。

6 安全监控量测

（1）监控量测项目及量测工具和方法如表1 所示。

（2）洞内、外观察分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。第一，开挖工作面观察应在每次开挖后进行。观察中发现围条件恶化时，应立即采取相应处理措施。对已施工地段的观察每6h 应进行一次，主要观察喷射砼、锚杆和钢架等的工作状态。第二，洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，变形观测点采用国产莱卡棱镜，将连接杆牢固焊接于系统锚杆上，水平垂直位移采取极坐标法进行观测。

表1 监控量测项目及量测工具和方法

（3）监控量测资料的应用。绘制拱顶下沉、水平收敛的位移～时间变化曲线，如表2 所示，要求随时绘制。

表2 变形管理等级

观察及量测发现异常时，及时通知施工管理人员，采取加强措施，确保隧道不塌方；严重时施工人员须迅速撤离施工现场，保证人身安全。

7 结束语

目前用运该技术，圆满地完成了本项目出口段高边坡大滑坡体隧道长距离塌方段出洞施工任务。总结高边坡大滑坡体隧道塌方段成洞施工，有以下几点总结经验：

（1）隧道塌方处理的关键是通过超前预注浆为开挖安全施工提供保护壳体，稳定掌子面渣体，控制超欠挖，为固结注浆提供屏障。通过固结锚杆在开挖线外形成2～3m 厚的连续固结拱圈，起到拱效应作用。

（2）由于该段坍塌体坐落滑移松散体埋深大（最大约90m），松散体压力非常大；洞身开挖跨度大（最大开挖跨度16.3m）；隧道开挖长度长（40m）；斜坡岩体卸荷作用强烈，形成倾倒变形体，致使隧道偏压严重，施工难度大、安全风险高，采用四台阶十步开挖法短进尺、预留核心土方式开挖支护得到很好运用。

（3）塌方隧道段位于坡体坐落滑移形成的大块石及碎块石中，岩性为砂板岩及部分花岗岩，当小导管钻孔施工无法成孔，或卡钻和钻杆无法拔出时，使用自进式中空注浆锚杆，通过调整锚杆孔径和壁厚，对自进式锚杆管壁设置注浆孔，使得成孔和注浆都起到很好效果。

（4）针对塌方体位于坡体坐落滑移形成的大块石及碎块石中，坍塌后开挖轮廓线内外均存在大量块石架空现象，存在超灌浆量，吃浆量大、浆液流失严重等困难，通过改进注浆工艺，即注浆浆液先浓后稀，按照由下至上、间歇、跳孔顺序，当吃浆量过大时适当掺加速凝剂后再按照分段分次的顺序进行，以起到预期固结作用。