软弱夹层隧道塌方分析及治理技术

◎ 黄侠新 中交第四航务工程局有限公司总承包分公司

1.前言

隧道受地区地质环境影响可能需要穿越破碎带、软弱夹层等复杂地质环境。软弱夹层地质的弹性模量与强度均低于均匀岩层，易产生应力集中和大变形，开挖土层导致应力重新分布易在软弱夹层部位发生掉块、局部塌方。塌方问题既影响施工进度，又增加施工安全隐患。本文就以林屋隧道穿越软弱夹层段塌方事故进行原因分析，并制定相应的治理技术，为类似隧道的施工提出借鉴意义。

2.工程概况

林屋隧道路线穿越低山丘陵而建设，总体走向近南北向。隧道采用分离式，左洞、右洞总长分别为749m和785m，最大埋深分别为108m和123m。其上覆盖层主要为粉质黏土、碎石层；下伏基层为泥盆系上统砂质页岩、泥盆系上统灰岩。隧道穿越的地质主要为全～强风化砂质页岩及中风化灰岩，岩石较破碎，呈散体状，大部分呈镶嵌碎裂～块状，成洞条件一般。隧道围岩整体稳定性差，岩质偏软，强度低，且隧道穿越岩溶发育区具有水文地质条件复杂等特点。

3.现场塌方特征

隧道由出口端向进口端单端掘进，YK131+243～YK131+290为软弱夹层段采用三台阶预留核心土施工工艺。当右洞上台阶掌子面YK131+285.4正常掘进约7个小时后，右洞拱顶至左侧发生局部塌方，造成YK131+285.5～YK131+291.5段8榀初支I20b钢拱架压垮，超前小导管变形、弯曲，作业台架被损毁。塌方体主要为强风化砂质页岩，遇水部分呈泥状，塌方尺寸约为6m（纵向）×6m（横向）×2.5m（深度），土体约60m³。

4.原因分析

隧道塌方处围岩主要以中风化灰岩向强、中风化砂质岩接触过渡为主，岩石软硬相间，掌子面右侧主要由中风化灰岩组成，左侧主要由强、中风化砂质岩组成。结合施工工艺，通过对现场围岩情况和塌方破坏特性分析，认为塌方的主要原因如下：

（1）塌方段左侧岩体软硬相间，遇水易软化，且节理裂隙发育，泥质胶结，结合差，加之上台阶淋雨状渗水较大，造成围岩层理、节理面软弱夹层结合力下降，形成滑动面。

（2）掌子面右上台阶为中风化灰岩，岩质硬，需采用爆破掘进，爆破对左侧滑动面产生扰动，导致拱顶至掌子面左侧围岩局部失稳而引发塌方。

5.塌方治理施工技术

5.1 总体思路

对于隧道塌方的治理，主要思路如下：（1）管棚结合导管注浆加固软弱夹层和塌方土体段的围岩，提高围岩的承载力；（2）更换损坏的钢拱架并加强初期支护，增强初支的刚度，提高承载力；（3）引排和堵水相结合，减少渗水对软弱围岩的影响，提高围岩自稳能力；（4）塌腔设置护拱并回填，防止初支外脱空或空腔发生二次塌方。

5.2 稳定掌子面

为保证掌子面稳定避免掌子面发生塌方，采取回填洞渣反压，回填高度至拱顶以下3m，回填长度至塌方段外3m处，并经修整形成处理操作平台空间。

5.3 加固围岩

在塌腔YK131+291.5处往小桩号施作15根9m长Φ108管棚，管棚穿过塌方腔体，利用管棚注浆加固塌方掌子面土体及周边围岩，并形成隔水护壳，增强围岩的整体性和稳定性。管棚非对称布置，外插角为10°～13°，管棚内设置钢筋笼，钢筋笼主筋为4根Φ18钢筋，提高钢管的抗弯能力。管棚采用间歇式注入水泥、水玻璃双液浆（水泥浆：水玻璃=2:1），逐步提升注浆的压力，当达到1.0MPa并继续注浆15min后停止，间隔2小时后进行二次注浆，注浆的压力逐步提升至1.5MPa。注浆时应错开、交叉进行相邻孔位施工，一般先上后下、间隔对称进行注浆。管棚两侧施作双层4m长Φ50超前注浆小导管，加强拱部周边围岩为主。单层每环34根，其中管棚左侧11根，右侧23根，环向间距40cm，第一层与第二层环向错开20cm，第一层外插角20°～25°,第二层8°～12°。

除此之外，洞内对YK131+292～YK131+280段采用4.5m长Φ50×4mm钢管径向注浆，加固围岩并防止地下水影响，管距1m×1m，每环25根，非对称布置，左侧较右侧多4根。

超前小导管和径向注浆采用水泥、水玻璃双浆液，水泥浆:水玻璃=2:1，水玻璃浓度35波美度。注浆时应错开、交叉进行相邻孔位施工，逐步提升注浆的压力，当达到1.0MPa并继续注浆10min后停止。

5.4 加强初支

初支主要起承受各种可能出现的荷载，保持隧道断面净空，防止围岩质量恶化，因此在软弱夹层围岩应加强初支，增强其刚度，提高初支的承载力。

YK131+285.5～YK131+291.5塌方段损坏钢拱架由I20b逐榀更换为I22b，纵向间距由75cm加密至65cm，C25喷射混凝土厚度由26cm加厚至28cm，加强初支刚度，提高初支的承载力，确保塌方处治安全。每个拱架拱脚处Φ50×5mm注浆锁脚小导管由4根加强为8根，每根长5.0m，为钢拱架提供基础承载力和水平抗拔力。

钢拱架和锁脚小导管施工后及时进行混凝土喷射，恢复原洞身初期支护，快速封闭岩面，有效控制围岩的变形。在塌腔位置预留4 根1.5～2.5mΦ200mm泵送管及2根Φ50排气管，作为回填塌腔的通道。泵送管自拱腰向拱顶侧均匀布置，角度和长度分别由4～5°和1.5m依次增大，确保拱腰侧泵送回填混凝土时拱顶预埋管不被混凝土堵塞。

5.5 加强防排水

隧道结构须重视结构自身防水，对可能的渗水的位置进行引排和封堵，以达到防排水的目的。

塌方段采用超前管棚、超前小导管和径向注浆等对周边围岩进行注浆加固，同时达到止水作用。对存在大面积裂隙渗水的岩面，当水量和压力较小时可结合初支喷射速凝混凝土堵水，再敷设半圆排水管，排水管由2m加密至1m一道。喷射混凝土应增加速凝剂掺量，且裂隙处不喷射混凝土，使水集中于裂隙流入环向半圆排水管。隧道拱脚衬砌布设1排横向排水管，将水汇集到侧式暗内。

5.6 塌腔处治

（1）护拱施作。在塌方段围岩稳定后，在塌腔壁初喷C25混凝土，厚度为15cm，防止二次塌方。护拱为C30钢筋混凝土，厚度70cm，位于塌腔被压垮的钢拱架上方。护拱内每40cm设置1榀I22b型钢拱架，共15榀。型钢架拱脚落在完整基岩面上，拱脚处设8根5.0m长Φ50×5mm注浆锁脚小导管，为型钢架提供水平抗拔力为主。拱脚钢垫板与锁脚小导管焊接牢固，每榀型钢架纵向采用Φ22钢筋进行连接，增强型钢架的整体性和稳定性，提高承载力。

（2）塌腔回填。YK131+285.5～YK131+291.5加固完成后方可进行塌腔回填。塌腔分层分次泵送C20混凝土自下而上进行回填，每次回填厚度不大于1.0m，且应在监控量测稳定后方可进行下一次回填。拱顶以上1.5m范围内完成C20混凝土回填且监控量测稳定后进行吹砂回填，在围岩与护拱间形成缓冲层，防止初支外脱空或空腔发生二次塌方。

6.监控量测

塌方处治为非常规作业，通过监控量测可了解处治阶段围岩的稳定性及支护结构的动态变化，并对其稳定性、安全性进行评价。在塌方处治期间实行全过程实时跟踪监控量测，不仅加密监控量测点，而且加大监测频率，确保施工安全。

监控量测数据显示，在塌方处治完成后一个月内拱顶及周边位移基本稳定。当拱顶下沉和水平收敛速率均不大于0.1mm/d时，拱顶沉降最大断面累计值不大于44.0mm，周边水平收敛最大断面累计值不大于30.4mm。通过上述监控量测数据和初支喷射混凝土表面无裂缝、无底鼓状况等可知该处治方案安全可行。

7.结语

（1）该隧道围岩主要为强～中风化灰岩，其覆盖层主要为粉质黏土、碎石层。围岩较破碎，呈散体状，大部分呈镶嵌碎裂～块状，岩质偏软，强度偏低。在节理裂隙渗水或岩溶渗水的作用下，软弱夹层强度下降，在自重或外力干扰下易引起塌方。

（2）结合现场塌方情况，主要从加固围岩、加强初支、引排和封堵渗水、塌腔回填等方面制定该隧道塌方处治方案，并通过现场施作验证其可行性。

（3）软弱夹层隧道施工应采取预加固、短进尺、弱爆破、强支护、引排和封堵渗水等技术措施，为隧道作业安全提供保障同时保证隧道结构的安全。