双连拱隧道浅埋段冒顶塌方原因分析与处治措施

王洪明，王 强，杜维锋

（中建三局南方公司，广东 惠州 516000）

隧道塌方事故在隧道施工过程中较为常见且高发，易造成安全事故、工期延误、经济损失等后果，隧道塌方事故的预防与处治成为隧道施工的关键环节。洞口浅埋段为冒顶塌方事故多发的部位，而双连拱隧道由于其力学体系的特殊性，在冒顶塌方处理过程中亦有其区别于一般隧道的特点。

1 工程概况

某隧道采用双连拱曲中墙结构形式，总长223m，双向6 车道，左洞净宽16.0m、断面面积约为192m2，右洞净宽13.75m、断面面积约为135m2。隧道按新奥法原理进行设计和施工，采用复合式衬砌结构。

隧道地处剥蚀丘陵地貌区，标高约为33.0～81.0m，覆土厚度1～48m，洞口地形坡角一般在15～30°，上部第四系残坡积粉质黏土覆盖较薄，下伏基岩主要为全风化、强风化粉砂岩，岩石节理、裂隙发育。地下水主要为基岩裂隙水，地下水水量较小，水量受季节变化影响，施工过程中地表水极易渗入施工中的隧道中，产生冒顶现象。

2 事故情况

准备开挖左洞K5+151～K5+153 段下台阶时，现场施工管理人员发现该段初支出现开裂、下沉，伴有拱顶上方土体从错缝中滑出，隧道外洞顶排水沟外侧土体发生滑移，土钉护坡出现开裂，最终出现冒顶塌方，经核实，无作业人员伤亡。经测量，塌穴直径约7m，中心距离暗挖洞口约16m，洞顶覆土2.9～8m，塌穴前后初支侵线段长度分别为2m、5m。

3 事故原因

（1）洞口段围岩主要为第四系残坡积土、强风化及全风化粉砂岩，为松散结构，隧道岩石节理、裂隙发育，且事故发生部位覆土厚度较薄。事故时正处于当地雨季期间，且事故发生前一周内连日降雨，出口段土体含水量处于饱和状态。在降雨渗入作用下，全、强风化岩体内部水压力增大，沿节理、裂隙面产生卸荷作用，风化岩遇水强度明显下降。

（2）大管棚中间连接处较薄弱，设计管棚之间连接采用φ114、壁厚5mm 的管棚连接套进行连接，管内无纵向连接钢筋，此种连接方式抗剪切能力较弱，造成冒顶塌方部位管棚断裂。

（3）上台阶初支完成后长时间搁置，未及时封闭成环，下台阶开挖后未及时施作边墙，拱脚工字钢处于悬空状态。

4 处治措施

4.1 应急措施

（1）地表水截流。在塌方体地表附近开挖临时截水沟，地表开裂部位采用水泥砂浆进行灌缝，避免地表径流进入塌方体。塌方体顶部采用彩条布覆盖，作为临时防雨棚罩，减少降雨对塌方体的影响。

（2）未塌方段落加固。对塌体后方已施拱部初支但未做仰拱的段落，设置临时仰拱进行加固，以实现初支封闭成环，避免塌方段落进一步扩张。左侧钢拱架拱脚通过纵向工字钢进行连接，横向工字钢对撑至中隔墙，邻近塌方段部位采用“K”字形角撑避开塌方土体，如图1 所示。

（3）塌方体加固。对洞内塌方土体进行反压，喷射混凝土进行封闭，并对塌方土体进行注浆处理，增强塌方土体稳定性。

图1 “K”字形角撑示意图

（4）二衬跳仓。将二衬台车推至临时仰拱加固段后方，优先进行该段二衬施工，强化未塌方段落支护参数，作为未塌方段支护储备。

4.2 塌方段处理

（1）设置混凝土护拱。对塌穴岩壁喷射钢纤维混凝土进行封闭处理，提供安全的作业环境。在初支轮廓线以外设置混凝土护拱，环向采用工字钢拼接而成，并采用纵向钢筋连接成整体，顶部铺设一层钢筋网片。护拱右侧落于中隔墙顶部，左侧采用锁脚钢插管固定。

（2）拱部初支恢复。在护拱的支护下，分上、中、下三个台阶分步开挖并恢复初支结构，拱架加密至每榀40cm，开挖与支护逐榀进行，即开挖一榀、支护一榀，确保土体稳定。为保证护拱在开挖过程中的支护可靠性，在塌方段左侧初支轮廓外侧设置一道混凝土条形基础，将护拱左侧通过工字钢支腿焊接在条形基础顶面，如图2 所示。

图2 冒顶塌方段处理示意图

（3）仰拱及二衬跟进。仰拱施工紧跟拱部初支，仰拱长度缩短至2m 一板。同时，在保证作业空间的前提下，二衬紧随仰拱施工。

4.3 初支侵线段处理

（1）设置临时支撑。在上台阶与原初支之间分别设置临时竖撑Ⅰ和临时斜撑Ⅱ，临时支撑根据原初支间距每榀设置一道，顶部与原初支拱架进行焊接，底部落于钢板上，纵向设置两道工字钢横梁形成整体，如图3 所示。

（2）左侧换拱。逐榀拆除原侵线初支A 段，接左侧中腿工字钢a，中腿上端与护拱拱架连接，下端采用双排锁脚锚杆固定。中腿安装完成后，挂网、喷射混凝土，随后拆除临时支撑Ⅱ和原初支B 段，并喷射混凝土。按照上述顺序逐榀完成左侧上台阶初支换拱。上台阶初支换拱完成后，逐榀开挖下台阶，完成左侧下腿工字钢b 段安装，随后按每3m 一板施作左幅仰拱。

（3）右侧换拱。左幅仰拱完成后，逐榀拆除临时支撑Ⅰ和原初支C 段，并喷射混凝土，完成右侧上台阶换拱。最后开挖右幅下部土体，完成右幅仰拱施作。

4.4 塌穴处理

图3 初支侵线段处理示意图

在完成冒顶塌方段和初支侵线段仰拱后，对护拱顶部2m 范围进行回填，稳定塌穴四周土体，降低地表水对塌方部位的影响。为减小顶部荷载，采用气泡轻质土进行回填。待上述部位二衬结构施工完成后，顶部回填素土并恢复绿化。

5 结束语

通过对实际案例的总结，在隧道冒顶塌方处理过程中需注意如下几点：（1）事故发生后要建立警戒区，避免无关人员进入，有序开展塌方处理工作；（2）应采取措施控制好地表水对塌方部位的影响，做好对塌方部位及周边影响段落的加固，避免发生二次坍塌；（3）第一时间建立测量监控体系，掌握地表沉降、周边收敛、初支应力等监测数据变化情况，及时反馈相关信息，以指导现场事故处理；（4）根据地质、水文情况及现场塌方体形态，制定科学合理的处理方案，应采用对土体扰动较少的方法，处理措施应以保障作业人员安全为第一要务。