详解回填处理隧道掌子面塌方方法

杨 波， 任尚强

(1.重庆交通大学， 重庆 400074； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

地质条件复杂的隧道,施工中若不关注掌子面围岩地质变化、不重视超前地质预测预报，若掌子面及其前方围岩出现异常，但施工现场未及时作出工程措施回应，依旧开挖掘进，极可能造成隧道掌子面塌方。一旦发生塌方，不仅造成工期延误、经济损失甚至人员伤亡，塌方处理不当还会危及隧道结构的安全性、耐久性和可靠性。塌方处理后最常见的后遗症之一便是隧道结构的初期支护，以免与塌腔面存在脱空区，甚至是严重的脱空区。一旦塌体失稳，对隧道结构产生冲击荷载，危害很大。因此，脱空处理是隧道建设各方都重点关注和思考的问题，以便制定出安全可靠、经济可行的塌方处理方案。目前，掌子面塌方的情况主要有2种：1) 塌方后的塌腔在较短时间内基本稳定，现场对塌腔表面先喷射混凝土封闭塌落面，人员可在塌腔下施工作业；2) 塌方发生后，短时间内塌腔不能稳定，作业人员不能也不敢靠近塌体，这类塌方如何处理？笔者主持的公路隧道设计项目中，已有2次遭遇此类塌方，现场采用回填方法成功处理了隧道掌子面塌方。为此，本文重点论述采用回填方法处理隧道掌子面塌方的原理、步骤和注意事项等，以供同类工程参考。

1 隧道掌子面塌方常规处理方法

目前，隧道掌子面塌方处理分为2种情况：一是在塌方发生后，塌腔能在较快时间内自稳，通过对塌腔表面进行锚喷网加固后，作业人员能在塌腔下施工。在塌腔下作业时，架立钢架、布置钢架间的纵向连接钢筋和钢筋网，在钢架背侧设置背板，然后向背板上喷射C25混凝土。二是塌方发生后，短时间内塌腔不能自稳，持续有落石，地下水较发育，作业人员在塌腔下作业存在落石伤人等风险。塌方发生后，须加强已施工段隧道初期支护的稳定状况监测，防止掌子面塌方危及已施作好的初期支护，以免产生连锁塌方。施工现场一旦监测数据出现异常预警，应及时加固隧道初期支护，防止塌方扩大漫延。

根据规范[1]要求，2种情况的隧道塌方均需对隧道塌方段初期支护进行加强并延长5 m～10 m。一般处理方法是调整初期支护的钢架型号、加密钢架间距，加强锚喷网设计，达到加强隧道初期支护的作用，形成护拱。在拱脚和拱腰设置锁脚锚杆或锁脚钢管[2]，视塌方高度和塌腔表面的稳定情况确定是否设置河沙缓冲层，以防塌体失稳对隧道结构形成冲击荷载，致使隧道结构破坏。

1.1 自稳型塌方处理方法

第1种情况若塌腔不高，一般先对隧道初期支护加强形成护拱，再在初期支护背后吹沙形成60 cm～80 cm的缓冲层[2]。沙缓冲层多用喷射混凝土机械(干喷机械)实施，架立钢架时须预设吹沙管。塌方处理方案如图1所示。

(a) 纵断面

(b) 横断面

第2种情况若塌腔较高，须对塌方段的初期支护进行加强处理，在拱腰、拱脚和墙角设置锁角锚杆(管)对钢拱架进行锁定[2]。这类塌方需在初期支护架立钢架时预设泵送混凝土管和泵送混凝土厚度控制管和沙缓冲层吹送管。在初期支护达到强度后，在其后泵送约1.5 m厚的混凝土形成护拱，再在护拱混凝土上吹沙形成60 cm～80 cm的沙缓冲层，防止塌体失稳对隧道初期支护形成冲击荷载。

1.2 非稳定型塌方处理

其原理是隧道拱部回填的混凝土与超前支护的预加固、预支护的有机结合[3]，相当于改善隧道拱部岩体的质量，使岩体和回填的混凝土结合更充分，在隧道拱部形成承载拱。在隧道拱腰、拱脚设置锁脚锚管进行锁定，进一步提高隧道初期支护结构的稳定能力。隧道下部回填的洞渣，开挖时也比较容易掘进，开挖时短进尺，开挖的空间形成悬臂梁，如图2所示。

这类塌方发生后，塌腔持续处于不稳定状态，不断有石块掉落，且塌腔高度较大(拱顶以上高约5 m～7 m)，地下水较发育，岩体自身稳定能力差，施工作业人员短时间内无法在塌腔下作业。这种情况适用回填法处理，步骤如下：

1) 处理塌方前，须先确认掌子面附近已施作的初期支护的稳定性。必要时增设临时支撑，确保作业人员和机械设备的安全。

2) 回填洞渣、堆码沙袋[4]。因塌体存在落石和再次垮塌的可能，短时间内施工人员不能在塌体下作业。为此，采用挖掘机和装载机回填洞渣，在回填的过程中堆码沙袋并用挖掘机反铲夯实渣体，边回填边堆码沙袋。洞渣回填坡度约为10∶2，洞渣粒度合适，有利于洞渣稳定，洞渣中大的孤石应剔除。回填时尽量堆高，机械无法堆高时人工码沙袋至初期支护内缘并封闭，如图2所示。

图2 回填处理塌方纵断面

3) 在堆码的沙袋顶部、初期支护端头下缘预埋混凝土浇筑管、检查管和吹沙管(如需要)，自渣堆顶到设计开挖轮廓线拱顶上方约1.5 m范围用C15或C20混凝土浇筑。回填的混凝土改善了隧道拱部岩体的质量。

4) 在回填洞渣欠稳定时，可采用注浆固结渣堆，防止开挖时造成上部混凝土失稳。先对渣堆表面喷射15 cm～20 cm厚C25混凝土封闭后再注浆固结渣体，注浆管采用Φ42 mm钢花管，管长5 m，间距1.5 m，梅花型布置，孔深5 m[5]。

5) 在做好预加固和预支护的前提下进行开挖作业[6]。超前支护宜采用双层Φ42超前小导管支护或缩小超前支护的排距、加长超前支护的搭接长度对岩体进行预支护和预加固，第1排和最后1排超前支护尤其重要，确保超前支护施工质量，在保护下进行开挖作业，如图3所示。

单位：cm

6) 开挖作业宜采用机械开挖配合控制爆破技术，开挖一榀钢架距离，支护一榀钢架，布设钢筋网、钢架间的纵向连接筋后喷射C25混凝土，钢架脚部用锁脚锚管(杆)锁定[5]。

7) 施工过程中坚持“管超前、短进尺、弱爆破、强支护”施工原则[1]。管超前，即指Φ42超前小导管注浆进行预支护和预加固；短进尺是指隧道开挖一榀钢架距离，紧跟开挖支护一榀钢架；在超前支护的保护下利用机械开挖或采用弱爆破，强支护指对隧道的初期支应适当加强，确保支护的强度和刚度。

2 回填处理隧道塌方的注意事项

1) 慎重选择隧道超前支护方式[6]。自进式锚杆、Φ89(或Φ76)中管棚和Φ42双层超前小导管注浆是3种超前支护方案。笔者建议采用双层超前小导管注浆作为超前支护方案，该方案实施性强，已成功应用在2个项目。该类型塌方的处理所需的施工设备较简单，可多台手持式钻机同时进行钻孔作业，灵活调整超前小导管的纵向步距和超前小导管的搭接长度，加强预支护效果。自进式锚杆适用于超前支护钻孔不能成孔的情况，且自进式锚杆价格较高。采用Φ89或Φ76中管棚，钻孔作业所需的设备要求较高、作业时间也较长，但超前支护效果较好。

2) 钢架施工注意预设泵送混凝土管、混凝土厚度控制管和沙缓冲层吹送管。通过预设的控制管回填混凝土的厚度和吹沙层的厚度。

3) 塌方处理须秉持“弱爆破、短进尺、强支护”原则，并做好隧道拱脚、拱腰锁脚钢管(锚杆)[1]的施作。

3 工程应用

重庆市云阳县铁峰山隧道进口右洞施工至桩号K6+645时，由于掌子面工程地质和水文地质条件复杂，存在薄煤层且岩体层间结合差，岩层倾角陡(约80°)，存在大量孤石且地下水发育，地下水成淋雨状，存在早年形成的采空区，发生顺层塌方。

铁峰山掌子面隧道围岩级别为Ⅴ级，采用Φ42超前小导管注浆对掌子面前方岩体进行预支护和预加固。由于地下水的存在，降低了超前小导管注浆加固岩体的作用。掌子面塌方高度5 m～7 m，纵向长度约10 m。塌方处理采用的方法是前文所述的回填方法，效果良好。

另外，国道321线泸州至泸县段玉蟾山隧道同样采用上述回填方法处理隧道掌子面塌方，并取得成功。

4 结论

回填处理隧道掌子面塌方已在国道321线泸州至泸县段玉蟾山隧道、重庆市云阳县南快高速铁峰山隧道2个项目得到应用，实践证明该方案可行。

1) 该方案需要的工艺、设备适应性好，方案实施所需的装载机和挖掘机施工现场均有配置，不需要特殊的设备，节约处理成本，节省处理时间，且处理成效良好。

2) 隧道超前支护采用Φ42双层超前小导管注浆方式，可多人同时进行超前支护的钻孔作业，在钻孔过程中通过加大外层小导管仰角、加长钻眼深度，记录钻进速度、出水浊清和钻屑情况等掌握前方工程地质和水文地质情况。该方法效率较高且处理塌方的时间较短，造价也较低，对工期影响较小。