石马寨隧道进口浅埋段冒顶处理技术探讨

王晓俐

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

1 绪论

在隧道工程领域，多数隧道工程的洞口段施工，往往都会面临浅埋、偏压及不良地质的问题，所以在施工过程中出现塌方、冒顶事故的概率相对较高。在出现塌方、冒顶等突发情况后采取什么样的处理技术才能够安全、快速、有效的顺利通过是我们工程技术人员所必须要研究和掌握的一项基本技能［1］。下面以本人所参建的一个项目出现了类似情况后，所采取的处理技术来讨论一下相关的做法和经验。

2 工程概况

2.1 塌方段的地质水文情况

石马寨隧道进口浅埋段长317m，浅埋段设计起止里程为K0+880-K1+197，出现冒顶事故的里程为K1+041，位于进口浅埋段范围内。该段地形左高右低坡度22°，地表有果树、村民数座祖坟。地质勘察钻孔发现，本段地表为亚粘土（Q3d1），以下分别为砂质粘性土 （Qe1）、全强风化花岗岩及强风化花岗岩 （O1N），DK1＋000 的地质特征见表1 所示。

浅埋段隧道围岩为Ⅴ级围岩，稳定性差，花岗岩残积土及全、强风化花岗岩中普遍发育球状风化体，在浅埋段地表附近也有球状风化体和散落的滚石，大小不一均为弱、微风化花岗岩，岩质坚硬，给隧道开挖工作带来了难度［2］。隧道覆盖层情况、地下水埋深情况见表2 所示。

表1 DK1＋000 地质特征

表2 隧道覆盖层厚度及地下水埋深统计表

地表有较多冲沟，地下水为孔隙潜水及孔隙裂隙承压水，以大气降水的补给为主，通过泉水或地下河形式排泄到附近河流，隧道开挖极易出现坍塌和小规模的突泥涌水，开挖应及时支护采取相应的堵水措施。区域内雨季较长，雨量较大，给隧道防水工作带来了很大的困难。

2.2 塌方段的施工情况

在进行隧道进口浅埋段设计里程为DK1+041～DK1+162 段施工过程中，隧道所在区域正处于雨季。施工过程严格按照上下台阶双侧壁导坑法施工，在进行K1+041 段左侧壁上导坑打设超前小导管工序过程中，掌子面顶部出现掉块现象。施工现场立即组织人员连续数次喷C20 混凝土加固围岩，但抢险均没有奏效。随后掌子面大量砂性土裹含小块孤石从拱顶不断坍塌，由于撤离及时，施工人员没有伤亡。洞内塌方体基本稳定后，为了防止塌方扩大，对洞内的塌方体进行封闭。次日，地表形成直径 7.2m，深 5.3m 的塌坑，塌穴地表状况见图1 所示。地表沉陷后，我单位马上进行现场围蔽，设立警示标志，派专人进行危险警戒，并在附近设立沉降观测点；在塌穴靠山侧挖截水沟，并用篷布将塌穴覆盖，防止雨水灌入隧道中，地表塌穴防雨水措施见图2 所示。受掌子面塌方影响，桩号 DK1+027～DK1+041 已经支护地段的初期支护出现不同程度的破坏，掌子面附近已经施作的3 榀拱架初期支护被坍方体砸损变形。根据地质勘察结果，该段隧道埋深19m 左右，约1.1 倍洞径，属于典型浅埋隧道，地表覆层以亚粘土 （Q3d1）、砂质粘性土（Qe1）及全～强风化花岗岩 （01N）为主，围岩级别为Ⅴ级。塌方部位及地质情况见图3 所示。

图1 塌穴地表状况图

图2 塌穴地表防雨水措施图

图3 隧道K1+041 冒顶塌方段纵断面图

3 引起塌方的原因分析

根据现场施工情况，对施工原始记录和初期支护进行详细的检查，并对初期支护喷射混凝土进行抗压强度试验，施工支护参数及喷射混凝土强度满足设计要求；经专家组多次现场研讨，该段发生冒顶的主要原因为以下几个方面：

（1）位于浅埋及软弱地层

对塌方土体进行现场取样和室内试验，试验结果表明，所取岩样性质为砂质粘性土 （砂感强烈），土样性质指标参见表3 据设计地质展示图及现场土样试验分析坍塌体地质为：大部分为无粘结砂性土裹含小块孤石，土质松散不均匀，具砂感，无粘结力，遇水更易软化崩解，自稳能力极差，经过现场分析，原设计围岩级别为Ⅴ级较低，需将围岩级别更正为Ⅵ级，同时支护参数及衬砌形式相应改变。施工过程中隧道拱部围岩变形过大不可避免。

表3 K1+041 断面处取样室内试验结果

（2）连续大雨的天气情况

在施工过程中，从 2008 年 6 月中旬开始，本区域进入雨季，施工现场连降大到暴雨，下雨持续时间长、强度大。根据里程K1+036 掌子面超前水平钻孔记录，在拱顶1 处，左拱腰2 处分别钻到 2 米位置出现含泥水，出水量达 30～36.5m3/h。此时，正值隧道浅埋段开挖施工，由于隧道埋深相对较浅，大量地表水沿遍布地表的冲沟及裂隙渗入土体，拱顶土体在地下水的长期浸泡下，强度降低，自稳能力降低，土体在重力以及动水压力、静水压力的共同作用下软化、泥化，这种岩性地层易遇水软化围岩影响稳定有塌方冒顶风险。

（3）开挖施工时扰动

土体含水量过大，隧道跨度比较大，在开挖过程中，发现隧道洞内出现大面积渗水并有多处较大股水，在开挖扰动后围岩内的细小粘粒随流水流失，减弱了围岩自稳能力，在没有采取相应的应急措施情况下，易产生掌子面坍塌，甚至于冒顶的发生。

综上三个方面因素的共同作用下最终导致掌子面出现了塌方。

4 冒顶塌方处理技术

经过综合分析，以稳固坍塌体为先导，切断地表水与地下水的联系、防止坍塌体扩大、综合治理水患为原则［3］。采取对塌体挂网锚喷支护；沿坍塌体表面浇注1m 厚C30 混凝土止浆墙封闭塌体；封闭后塌穴同土回填，分层夯实；塌穴地表处1m 扩口开挖，C20 钢筋混凝土浇筑成盖；左导洞塌方体全封闭注浆；塌穴后方1 倍洞径（15m）临时钢架支护、径向导管注浆加固［4］。冒顶塌方段处理流程见图4 所示。

图4 冒顶塌方段处理流程

4.1 洞内塌方体封闭加固技术

（1）塌体挂网锚喷封闭

塌体初步稳定后，沿塌体外露面初喷10cm厚C20 混凝土对其进行封闭；在塌体上打直径为12cm 长 1.5～3.5m 的木桩进行加固，木桩呈梅花型布置，间距 1m×1m；挂 φ8@15cm×15cm 钢筋网，复喷 20cm 厚 C20 混凝土。

（2）施作 C30 混凝土止浆墙

沿塌体表面施做1m 厚C30 混凝土止浆墙；止浆墙下设基础，基础下挖至基岩；为保证止浆墙的稳固性，止浆墙与洞壁间设双排锚杆进行锚拉，锚杆采用 φ22 砂浆锚杆，长 3m （锚入岩壁2m，外露 1m），间距 0.5m，排距 0.8m；为保证止浆墙不漏浆，止浆墙与洞壁交接处喷射25cmC20 混凝土密封，为满足后序注浆施工要求，在止浆墙中埋设φ108mm 孔口管。

4.2 塌穴及地表处理技术

（1）塌穴同土回填

地表塌穴采用同土回填，在征地范围内就地取土，分层夯填，为保证夯填施工安全，采用在塌穴上方架设移动支架，用滑轮牵拉重物的措施进行夯填，每层回填高度控制在0.5m，回填至距地面0.5m 的高度即可。

（2）塌穴口部封闭处理

塌穴口部向外扩挖1m，开挖深度0.5m，与填土面平齐，扩挖后浇筑C20 钢筋混凝土盖板封闭防水，钢筋采用φ22mm 螺纹钢，间距20cm×20cm，布置于盖板底层，钢筋保护层5cm。

4.3 塌方体注浆加固技术

由于此塌方体为砂性土，含水量较大，为达到良好的注浆效果，塌穴回填后，采用水泥-水玻璃双液浆注浆工艺，利用φ89 钢花管对洞内塌方体及塌穴进行全封闭固结注浆。

4.3.1 水泥—水玻璃双浆液掺入量确定

水泥—水玻璃混合液以水泥和水玻璃按照一定比例混合在一起的注浆材料，性能取决于水泥浆的水灰比、水玻璃模数和浓度、水玻璃与水泥二者配比［4］。

从双浆液掺入量表可以看出其凝结时间有以下规律：

（1）水玻璃模数大时，SiO2含量高，凝结时间短，结石强度高；水玻璃模数小时，SiO2含量低，凝结时间长，结石强度低［5］。

（2）在其它条件相同，水泥浆浓度越大，凝结时间则缩短，结石抗压强度就越高。

（3）在其他条件相同，水玻璃浓度在 30°～50°Be′时，浓度减小，凝结时间则缩短。

（4）在其他条件相同，当水玻璃与水泥的体积比控制在 0.3 ∶1～1 ∶1 范围内时，水玻璃用量少，凝结时间短［6］。

根据上述分析结果结合类似工程施工经验，以及现场施工条件和设备配备情况，选择配比为：水泥浆水灰比 W∶C=0.8；水玻璃浓度 35°Be′，水泥浆与水玻璃浆液体积比 C ∶S=1 ∶0.5；开展现场注浆工艺性试验，经过钻取岩芯进行分析，浆脉分布明显，裂隙充填固结良好，达到了预期试验效果，可以用于施工。在现场注浆施工过程中，为有效控制浆液扩散半径及扩散范围，加入适量磷酸氢二钠作为缓凝剂，掺量为浆液体积的1～2%，并根据施工具体情况进行调整［7］。

4.3.2 注浆孔布置

水平固结塌方体钢花管间距1m×1m，长度11.2m～15.2m （有效固结长度10m，止浆墙厚度1m，斜面差 4m，外露 0.2m），Φ89 钢花管平面布置见图5 所示。

图5 隧道左导洞注浆管横断面布置图

固结塌穴分别以 15°、30°、45°、60°仰角打入斜上钢花管，长度分别为 12m、13m、15m、20m，其中 15°、45°角钢花管各打 3 根，30°、60°角钢花管各打4 根，呈梅花型布置，水平方向两管间外插角15°，管中心间距0.5m，在止浆墙后方拱部开孔，向塌穴处打入［7］。

全封闭注浆钻孔立面布置图见图6 所示。

图6 封闭注浆钻孔立面图

4.3.3 注浆施工准备

注浆钢花管采用钢构厂集中加工，规格尺寸采用 Φ89×6mm 无缝钢管，为有效错开钢管接缝，采用 2m、3m、6m 三种尺寸，丝扣连接，钢管管壁设置 Φ6～12mm 注浆孔，间距 40cm，梅花形布置，孔口预留1.5m 止浆段，安装止浆阀；采用XD-2 型地质钻机钻孔，孔径Φ102mm，根据注浆顺序分三批钻孔：第一批孔钻掌子面塌方体固结注浆孔，第二批钻塌穴的固结注浆孔，第三批钻检查孔，同时根据固结情况判决是否追加注浆孔；水泥浆采用双层搅拌机拌制，严格控制水灰比，并与水玻璃浆液单独存放 （30min 内完成注浆）；注浆采用双液注浆泵，水玻璃浆液与水泥浆液的出液管分别设置流量计，双液出浆管通过注浆混合器连接并在混合器前端安装压力表［8］。

4.3.4 注浆施工技术

（1）注浆顺序及注浆压力

为减少钻孔工作量，提高注浆效果，按照先塌方体后塌穴，先下部后上部，先无水后有水，分序加密的原则进行。依据类似工程施工经验，注浆压力选定为0.5～1.5MPa，并结合现场实际注浆情况进行必要的调整和优化。

（2）注浆量

单孔理论注浆量按公式 （1）计算［9］

式中，R-浆液有效扩散半径，一般按照0.75 倍孔距的扩散半径考虑，取水平花管按照0.75m，斜向上花管平均按1.0m 计；L-注浆长度 （m）；n-孔隙率 （%），坍塌体孔隙率一般为50%，砂性土孔隙率一般为20%。

（3）注浆施工

先采用KBD50/70 型双液注浆泵注浆，当吃浆量较大时，立即改用BW250/50 型注浆泵注浆。注浆方式采用分段后退式注浆，每段长度5～8m；在分段位置安设止浆塞，第一段注浆完成后，提出止浆塞，进行下一段的注浆，直至达到设计注浆深度。注浆过程中注浆压力从0.5MPa 逐渐升至1.5MPa，终孔压力为1.5MPa。注浆完成原则：达到及接近设计注浆终压时持压10min 以上，或者注浆流量逐渐减少到小于1L/min·m 时持续10min 以上，可结束本孔注浆。在靠近孔口位置，因孔间距较小，为防止串浆，采取逐渐加大双液浆的水玻璃浓度。注浆过程采用注浆压力和注浆量双控的方式保证注浆效果［10］。

在注浆施工过程中，加强洞内变形观测和地表监测，当发现异常时立即降压，并报告设计负责人，做好详细施工记录，按设计负责人指令进行下一步施工。

（4）注浆施工机具设备

注浆施工机具设备见表4 所示。

表4 注浆施工机具设备

（5）注浆施工工艺流程

注浆施工工艺流程见图7 所示。

图7 浆施工工艺流程

（6）注浆效果分析

在注浆过程中，10 根水平钢花管注浆量统计见表5 所示，14 根斜上钢花管注浆量统计见表6 所示。

表5 水平钢花管注浆量

表6 斜上钢花管注浆量表

整个注浆过程严格按照注浆压力和注浆量进行双控，水平花管实际注浆量合计157m3，斜向上钢花管实际注浆量合计421.4m3，达到注浆效果。

注浆完成后，根据现场实际情况，打1 个检查孔对注浆效果进行检查，检查孔中土体较密，固结情况较好，有少量渗水，达到了注浆效果。注浆达到设计强度后，再进行开挖作业。

5 已支护段变形处理措施

为了避免注浆过程对已经支护段初期支护造成破坏，对坍塌处后方15m 范围内左右导坑及中隔墙采用临时钢架进行加强；对坍塌处后方一倍洞径 （15m）范围内和塌方段拱部土体进行径向注浆加固，以确保施工安全和施工质量。注浆达到强度后，对破坏支护进行拆换。

（1）已经支护段临时钢架加强

在径向注浆前，对塌方段后方15m 范围已支护段采用I22 临时钢架临时支撑 （与初期支护钢架相对应），并在拱腰、拱脚等重要部位每处打设4 根φ22mm 长3.5m 锁脚锚杆对临时钢架进行锁定，临时钢架与初期支护间用木楔塞紧。注浆结束待注浆强度达到70%后，方可拆除临时钢架。

（2）径向注浆加固

径向5m 范围注浆加固。采用φ42 导管注水泥—水玻璃双液浆加固，导管垂直开挖轮廓线间距1m×1m 梅花型布设。

（3）支护拆换措施

由于塌方导致部分支护变形较大，局部初支严重侵限，为保证二衬厚度，对初支侵限部分进行拆换处理。具体的拆换作业方法如下：

①混凝土拆除

采用风镐拆除原有混凝土结构，降低对围岩的扰动。

②拱架拆换

初期支护中的钢拱架采用间隔拆换，钢架长度视具体需要拆换长度及原钢架接头位置单独加工，在每个拱脚接头处采用4 根长4mφ42 锁脚钢管稳定拱圈。同时加密该处I22a 临时横向支撑。

③喷射混凝土施工

拱架架立完成后，采用原设计参数施作锚喷支护，新旧混凝土面应保持平顺。

（5）安全防护设施

进行支护变形段处理过程中，必须设置逃生管道 （Φ800 钢管），以确保出现二次塌方时人员安全撤离。并在隧道洞口储备应急救援设施。

6 通过塌方体施工技术

6.1 下穿塌方体双层小导管初期支护

为了确保下穿塌方体开挖施工安全，在按照Ⅵ级围岩支护参数的基础上增加一排双层超前小导管配合钢拱架加强支护，增设的小导管采用φ42×3.5 热轧无缝钢管，长度为 4m，外插角分别为30°，钻孔偏差率控制在0.5～1%，纵向布置间距为2 米，搭接长度大于1m，双排小导管注浆材料均采用水泥-水玻璃双液浆，按照拟定配比进行。双层超前小导管断面布置见图8，双排超前小导管纵断面布置见图9。

图8 双层超前小导管断面布置图

图9 双排超前小导管纵断面布置图

6.2 下穿塌方体开挖施工技术

根据围岩的变化情况，塌方段按照Ⅵ级围岩支护参数进行初期支护施工。当塌方体注浆及后方径向注浆固结达到设计强度后，采用上下台阶双侧壁导坑法进行本段的开挖工作，施工过程中按照 “管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、早封闭” 的基本原则，双侧壁导坑和中间核心土超短台阶开挖，台阶长度3～5m。当开挖过程中必要时，上台阶可分两次开挖。当左侧壁导坑临时支护闭合后，再开挖右侧壁导坑，两侧壁导坑临时支护闭合后，方可开挖中间核心部分，拱部、仰拱及边墙初期支护闭合后，再拆除临时支撑。施工过程中，保持合理的分部开挖断面，减少围岩的扰动，及时初期支护，根据监测情况分段间段拆除隧道临时支撑，每拆除长度达到衬砌长度，应及时进行模筑二衬混凝土，严禁超前拆除，以确保安全。

开挖过程中，应特别控制每次开挖进尺为一榀钢架的间距 （0.5m），开挖后及时做好初期支护，本段开挖采用人工配合机械开挖，减少对围岩的扰动，若需要采用爆破开挖，须采用微差爆破，以减少爆破震动。为了控制地表沉降，及时施做仰拱或临时仰拱，打设拱脚锚杆，提高拱脚处围岩的承载力；同时加强对地表沉降、拱顶沉降的量测及反馈，以指导施工。

本段隧道二次衬砌的浇注时间根据围岩量测信息确定，若临时支护下围岩尚未稳定，不得施作模筑衬砌。经过相关措施的处理，塌方段开挖支护工作顺利通过，经过监控量测分析，围岩处于稳定状态，塌方冒顶处理措施有效。

6.3 通过塌方段的监测数据

（1）隧道开挖前在浅埋段地表布设沉降测点

隧道开挖过程中，在洞内埋设围岩量测点。洞内测点包括拱顶沉降点和每台阶一条水平收敛测线。地表沉降点埋设符合表7 所示及图10 要求，观测频次满足相关规范要求。

表7 地表下沉量测断面间距表

地表沉降测点横向间距为2m～5m。在隧道中线附近测点应适当加密，隧道中线两侧量测范围应不小于H0+B。测点布置见图10 所示。

图10 地表沉降横向测点布置示意图

（2）整治后监测数据分析

塌方整治后，对塌方区域遭破坏的监测点位及时进行恢复，隧道开挖前开展正常的监控量测。现选择塌方区域中心处断面里程为K1+035的量测数据进行分析。

①洞外地表沉降观测数据分析

在K1+035 断面共埋设地表沉降观测点9 个，DB05 位于塌方处隧道中线的地表，最大累计沉降量71.0mm，初期沉降速率较快，后期趋于稳定。

K1+035 DB05 时间——沉降曲线

②洞内围岩量测数据分析

隧道塌方处置完成后，隧道开挖至K1+035，初支完成后，及时埋设洞内围岩观测点，进行沉降位移观测。拱顶累计沉降24.9mm，水平收敛SL01-SL02 累计 22.5mm，水平收敛 SL03-04 累计收敛23.7mm。后期围岩变形均趋于稳定

K1+035 GD00 时间——沉降曲线

K1+035 SL01-02 时间——位移曲线

K1+035 SL03-04 时间——位移曲线

③围岩量测结论

监控量测的时间—位移曲线表明，隧道施工过程中，塌方区的地表和围岩变形量均较小，后期变形趋于稳定，验证了冒顶处置方案及相关支护措施基本合理，处置措施能够较好的控制围岩变形，满足施工安全的需要。

7 结束语

结合石马寨隧道施工，通过对进口浅埋段冒顶塌方情况的原因进行分析后，采取了止浆墙、抗滑桩、挂网锚喷等措施封闭洞内塌方体，防止冒顶塌方继续延伸；采用长管棚注双液浆结合地表塌穴处理技术，并针对塌方体的松散、含水量大的特点，选用凝结时间可控、提高注浆结石率的水泥-水玻璃双液浆做为塌方体固结材料等有效措施进行处理，使塌方段围岩达到稳定状态，开挖支护工作顺利通过。此处理措施对类似隧道工程事故处理有一定借鉴意义。