上软下硬地层某隧道塌腔处理技术

苏继超 ，武俊琦 ，李 媛

1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033

2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266033

1 工程概况

1.1 工程及地质情况

上软下硬地层某隧道全长2197.46m，最大埋深98m，最小埋深14m，隧道区位于黄土台垣与太岳过渡地带，隧道洞身位于山地区，地势起伏较大，相对高差约160m，地表冲沟发育。

隧道围岩主要为第三系中统细砂及三叠系上统延长组砂岩，呈半胶结状，围岩稳定性较差；浅埋段穿越上软下硬地层，对应隧道洞顶最浅埋深约为18m；地表地势呈凹形地貌，围岩易受地表水及风化等作用的影响，围岩裂隙发育，地下水相对富集，围岩稳定性差。

1.2 塌腔产生过程

掌子面开挖至Ⅲ级围岩时，拱顶渗水呈线状，线路右侧出现坍塌现象，虽进行了多次喷射混凝土封闭，但由于塌腔内渗水量较大，土体不断垮塌，因此喷射混凝土在初凝前就被坍塌体冲落，并将靠近掌子面一榀格栅钢架砸断。面对这一情况，施工单位虽立即使用了型钢钢架加强支护，但上方土体突然再次垮塌将已施工完的超前小导管砸断，掌子面前方围岩滑落长约1.5m。

截至第三日，已形成一长约6m，宽约5m，高约10m的塌腔（见图1）。塌腔内持续渗水，伴有土体坍落，土质为泥状粉质黏土夹块状砂岩。塌腔顶部可见粉质黏土，潮湿。

图1 塌腔示意图

1.3 隧道塌腔产生原因

塌腔段覆盖层薄，基本为冲沟内形成的堆积泥状粉质黏土夹块状砂岩，且位于土石交界地带，围岩渗水严重，含水量大，节理发育，裂隙间泥沙充填，围岩自稳能力差，初期支护承受围岩的松散荷载[1]。塌腔段围岩强风化，围岩切割为不规则块状，竖向、斜向裂隙交错，节理面光滑，节理发育，裂隙间泥沙充填，围岩破碎、松散、无自稳能力。

1.4 隧道塌腔处理方案及变更

为防止塌方区对上方地表附近村民带来安全隐患，首先在对应地表设置了安全警戒。

经会商决定，结合类似工程处理经验，塌腔区域10m范围按Ⅴ级围岩复合式加强衬砌施工，同时对塌腔段处理意见达成以下方案：首先在保证安全的情况下对塌腔内壁挂网喷射混凝土，防止继续出现滑塌现象，完成后再在该处进行洞渣回填；在隧道开挖范围以外立架筑模，对开挖范围以外的塌腔进行泵送混凝土回填，然后对掌子面重新按Ⅴ级围岩进行开挖支护。该方法理论上是隧道塌腔段处理较为安全和常规的施工方案，相对稳妥，但该方案施工周期较长、施工成本高，且塌腔顶部围岩坍落放缓，因此决定采用以下方法施工处理塌腔段。

2 隧道塌腔处理工艺

隧道塌腔处理工艺流程：施工准备→塌腔内壁初喷→立架支护→打设超前小导管→预留排气孔及注浆孔→喷射混凝土→塌腔内C30混凝土回填[2]→吹砂回填[3]。

塌腔处理前，所有施工材料必须准备到位。加工型钢钢架时，预留20cm变形量，超前小导管内注满M7.5水泥砂浆。

2.1 塌腔内初喷混凝土

首先在保证安全的情况下对塌腔内壁进行挂网、喷浆，喷射C25混凝土厚度为5～10cm，以防止继续出现滑塌现象。

2.2 立架支护

按Ⅴ级复合式加强衬砌施工，根据现场情况进行立架、支护，要求钢架间距不得大于75cm。立架时，根据现场作业空间分2个循环施工，每循环施工2榀，最后一榀钢架需顶到掌子面。每循环立架后，立即进行锁脚锚管、连接筋焊接及钢筋网片焊接施工。锁脚锚管长度不得小于4m，每榀钢架每侧打设2组，锚管尾端利用2排φ22mm钢筋与钢架可靠焊接；连接筋环向间距不得大于1m，内外交错布置；钢筋网片搭接长度不得小于20cm。另外，焊接作业时，各焊接点必须满焊，以保证初期支护质量。

2.3 超前小导管施工

超前小导管采用φ42mm×3.5mm无缝钢管，施工前将导管内注满M7.5水泥砂浆，且将前端做成尖锥状。超前小导管施工时打设双层交错布置。导管长4～4.5m，环向间距20～30cm，打设范围为拱顶140°范围及左侧边墙坍塌范围，导管向上呈5°～20°外插角。每层导管层顶面满铺钢筋网片，导管及钢筋网片与钢架焊接牢固。

2.4 预留排气孔及注浆孔

喷射混凝土前，将注浆管及排气管焊接在钢架上，以备后续拱顶塌腔注浆施工。注浆管采用混凝土输送泵管，预留2根，高度分别为1.2m和2.5m；吹砂管及排气管各预留1根，预留高度以不低于塌腔顶部30cm为宜，且不得顶住塌腔顶部，以防塌腔吹填时堵塞吹砂管。另外，各预留管均不得竖直预留，应与竖直呈约10°～15°夹角，减少注浆时浆液回流。

2.5 喷射混凝土施工

待前述工序施工完毕后，立即进行喷射混凝土施工。喷射混凝土施工应由下而上依次进行，必须将拱脚及边墙塌腔部位填充密实，要求拱顶塌腔部位喷射混凝土厚度不得小于30cm，且超前小导管、钢筋网片完全封闭。

2.6 塌腔内C30混凝土回填

塌腔混凝土回填前，对初期支护进行加固处理，拱部设竖向临时支撑（见图2）。塌腔混凝土回填分2次进行，浇筑时合理选用注浆管。第一次浇筑厚度宜为1～1.2m，选用1.2m注浆管；第二次浇筑至高度约2m，选用2.5m注浆管。塌腔内回填的混凝土，坍落度不应小于180mm。混凝土采用泵送施工，浇筑前掺加速凝剂。混凝土施工时，应严格控制浇筑速度，并密切关注初支变形情况，在塌腔段增设1～2处监控量测断面，根据实测数据控制混凝土浇筑速度。混凝土施工时，预留2～3组同条件养护试件，根据试件反馈的强度情况，控制掌子面掘进进度。

图2 塌腔段临时支撑和注浆管

2.7 吹砂回填

二衬施工至塌腔段时，通过吹砂管对塌腔吹砂回填。

3 施工注意事项

（1）后续开挖作业时，宜采用挖机配合人工进行。不得不采用爆破时，应采用松动爆破严禁放大炮。

（2）塌腔处理时，密切关注初支面喷射混凝土是否有开裂，并加大洞内围岩监控量测和地表位移沉降频率，及时分析观测数据，若有异常要及时将洞内人员撤离至安全区域，以确保人员及财产安全。

（3）施工期间，必须对已施工完的初期支护进行经常性检查。一旦发现支护变形或破坏时，就要及时分析原因，并立即修复加固。

（4）洞外及洞内危险区域必须设置警示标志，安排2～3名专职安全员进行巡查，并做好安全巡检记录。

（5）塌腔处理期间，及时跟进下导、仰拱及拱墙二衬，要求仰拱步距不大于35m，二衬步距不大于70m，且必须做到下导钢架拱脚稳固、仰拱初支循环进尺长度不得大于3m。

（6）塌腔处理过程中，应根据现场实际情况及时调整施工参数，以保证施工安全和可行性。

4 隧道塌腔处理工艺创新点

原定方案为在保证安全的情况下对塌腔内壁挂网喷射混凝土，以防止继续出现滑塌现象，完成后再在该处进行洞渣回填；在隧道开挖范围以外立架筑模，对开挖范围以外的塌腔进行泵送混凝土回填，然后对掌子面重新按Ⅴ级围岩进行开挖支护。

与原工艺相比，该塌腔处理方案灵活根据现场塌腔发展状况，加强了注浆加固和开挖支护方法的动态优化，以加强超前支护为依托，快速封闭塌腔段，为塌腔下方的立架作业赢得了安全空间；然后通过加强立架支护的措施进一步稳定塌腔体，在确定塌腔体稳定及在塌腔下方钢架进行竖向支撑后进行混凝土回填。这样消除了原方案中二次开挖时塌腔体内混凝土坍落的风险，同时显著缩减了工期、减少了材料用量。

5 隧道塌腔处理工艺实施效果

自开始处理塌腔到二衬通过此段用时约1个月，其中完成塌方处理只用时1周。通过对此段地质条件和坍腔围岩的分析，合理组织和认真施工，控制了塌腔的进一步发展，同时加强了监控量测和开挖支护方法的动态优化。监测显示拱顶累计沉降为3mm，水平收敛累计沉降为2mm，数据平稳无异常。这说明在对塌方处理中采取的技术方法是合理和可靠的。

6 结束语

该隧道塌腔段处理取得了较好效果，证明了塌腔处理过程中应根据现场实际情况及时调整施工参数，以在保证施工安全地前提下，降低处理塌腔的成本和时间。该方案能够顺利通过塌腔段，可为类似工程提供参考。