软岩隧道塌方处理技术

刘洋

（申成路桥建设集团有限公司，河北 保定 071000）

1 工程概况

某隧道全长2.38km，等级为Ⅴ级，隧道右线围岩长2 340m，左线围岩长2 425m。围岩包括强风化岩、中风化岩、炭质岩，裂隙发育，被泥质充填，软岩岩体破碎，遇水易软化，地下水为基岩裂隙水，受到冲沟影响，呈滴状，局部断层和破碎带可能存在涌突水。隧道穿越山体，海拔2330～2554m，高差约240m，可见地势起伏大。隧道进口处于火溪河的左岸，坡体有厚度为20～25m 的碎石土，坡度为30～35°。洞身存在2 条冲沟，水流量不大。工程区有大规模断裂、褶皱，隧址在弧形构造带的北西向，受南侧弧形构造影响，构造向南突出。

2 软岩隧道塌方的常见原因

2.1 地质方面

由于隧道施工较为特殊，属于地下作业，因此对于地质条件有较高要求。地质因素是关系到隧道顺利施工的重要因素之一，可产生如下影响：①隧道掘进施工环节，若遇突变地质，如围岩等级突然变化，那么就容易出现塌方；②如果隧道的洞身相对较浅，可能因偏压而出现塌方；③如果隧道地质存在褶皱带或者断裂和堆积等情况，也容易塌方；④在隧道开挖阶段，如遇特殊岩石或溶沟、暗河等不良地质，也会影响隧道安全。

2.2 设计方面

在隧道正式施工之前，需要进行地质勘察，然后开展施工设计，如果勘察工作不完善，那么就难以掌握地质条件，使得施工方案制定不合理，不适应地形结构，特别是支护结构设计不合理，不能保证隧道的稳定性，发生塌方事故的概率较高。

2.3 施工方面

软岩隧道施工阶段，施工技术运用不合理也是导致塌方的重要因素。如果施工区域存在特殊地质，那么需要相关人员提前制定支护方案，若支护操作不合理，那么就容易发生塌方。即使是同一种地质条件下，也可能采用不同的隧道施工方法，常见的有全断面施工、下台阶施工等，若施工方法选择不当也会导致塌方。应该保证前期支护稳定，当结构不稳、混凝土厚度不合理时，就不能对围岩结构提供支撑。二次支护的及时性也十分重要，只有支护技术运用合理，才能保证隧道安全。除此之外，隧道施工中还可能使用炸药，药量的控制对于隧道稳定性有直接影响，药量过大必然会导致隧道内部结构受到破坏而发生塌方。

3 软岩隧道塌方处理方案的确定

3.1 变形情况

在梅家沟隧道的出口左线上下连接位置出现严重变形，大量初支结构入侵到二衬钢筋中，且左线的上下连接位置剪切结构失效。初支结构出现环向开裂，拱顶出现局部塌陷。出口右线的初支结构也出现开裂和剥落问题。

3.2 初支破坏原因

初支破坏的原因主要有如下几点：①炭质岩层间的结合度较差，遇水呈泥状，掌子面开挖之后，围岩、空气相互结合，氧化后呈松散状态；②岩层与隧道中轴线平行，在山体压力、重力等作用之下，可能出现竖向位移，约束力较弱的方向会鼓出，边墙鼓入，拱顶也发生少量变形；③爆破后，围岩受到的应力会重新分布，导致洞体受到破坏；④变形收敛出现滞后，施工过程中上部开挖变形过大导致下方施工闭合工序中出现变形问题。

3.3 塌方处理方法

由于掌子面的围岩结构与设计存在不同，岩层薄且软，岩层与隧道中轴线平行，呈碎裂状，内部存在发育的裂隙，有泥质填充，隧道开挖以后可能形成临空面，导致掌子面坍塌，围岩失稳。经专家评估，千枚岩隧道软岩的变形问题过大，因此施工期间，应该贯彻动态化设计、施工、管理的理念，优化支护参数，密切监控施工过程的变形，保证隧道结构安全与人员人身安全。根据二衬开裂情况，可以尝试对围岩采取加固和保护等措施，提高其承载能力，利用长锚杆、后注浆多种工艺，建立变形控制体系，防止围岩的塑性区不断发展。

该隧道的出口右线，可以设计为大变形的衬砌结构，因为出口段左线的加宽段存在初支病害，需要换拱，并将加宽段的二衬施工滞后情况考虑其中，确保加宽段不受侵限，提高加宽段的稳定性。隧道出口断面衬砌结构剖面如图1所示。

图1 隧道出口断面衬砌结构剖面图（单位：cm）

对于隧道出口端的洞口展开收敛试验，可以看出，当锁脚锚杆的数量、长度增加以后，洞口的收敛值不断减小，选择5 处试验点，试验点累积收敛最高值为33.8cm，平均收敛值为24.6cm，与设计要求不符，所以需要对初期支护结构的参数进行优化。

3.4 方案优化调整

若利用“长锁脚锚杆”，在原有设计之上选择注浆小导管，锁脚锚杆型号为Φ42×4mm，将其长度增加至6m，数量变为12 根。对5 处断面支护参数、收敛值进行分析，结果如表1所示。优化后的隧道出口断面衬砌结构剖面如图2所示。

表1 试验断面参数和收敛值

图2 优化后的隧道出口断面衬砌结构剖面图（单位：cm）

根据上述试验，优化初期支护结构，采用“长锁脚锚杆+长短锚杆”的方式对围岩进行加固，选择4 处断面，采用图2 所示优化后的Da 型支护结构，选择的锁脚锚杆的型号为Φ42×4mm 注浆小导管，长度均为6m，数量为12 根/环。系统锚杆型号为Φ32 自进式锚杆和Φ42 注浆小导管，长度分别为8m 和4m，共21.5 根。第一处的收敛值为14.7cm，第二处的收敛值为20.5cm，第三处的收敛值为13.1cm，第四处的收敛值为10.2cm。

通过上述数据可知，采用“长锁脚锚杆+长短锚杆”加固围岩，洞周收敛累计值有所降低；选取的4处试验断面，收敛累计最高值为20.5cm，收敛累计均值为14.6cm，满足设计要求。此外，需要注意的是Da支护结构的成本高，施工中产生的干扰也相对较大。

3.5 方案确定

结合上述现场试验能够得出，若只增加锁脚锚杆长度、数量，那么洞周收敛累计值虽然会减小，但仍然超过了设计的限值；而采取“长锁脚锚杆+长短锚杆”对围岩加固，可有效降低周收敛累计值并满足设计要求。施工人员需注意对围岩结构的变形进行监测，如果变形量较大，那么应提前预留变形量，将原设计值从10～12cm 调整为30～50cm，之后使用“长锁脚锚杆+长短锚杆”的加固措施，既能有效控制隧道洞口的围岩变形，还能控制施工成本，提高施工安全性，防止出现塌方。

4 塌方处理及控制措施

4.1 做好初期支护保证围岩稳定

修筑洞顶塌陷坑周边的截排水沟，并在塌陷坑上方搭设防雨棚，以阻止地表水继续向塌方区汇集。加强观测洞内围岩及塌方体后方已施工的初期支护变形情况，并对现场监控数据进行回归分析，以便对围岩及初期支护的稳定性进行分析并采取加固措施。

4.2 保持洞内塌方体稳定

先在洞内塌方体表面喷一层20cm 厚的C25 早强混凝土将塌方体封闭，且根据具体情况在塌方体上设置平孔以便及时将水排出洞外，以保持洞内塌方体稳定。然后在塌方体表面打入Φ50mm小导管，呈梅花形布设，间距为1m×1m，导管长为6m，注C30 水泥浆以固结塌方体。

4.3 地表沉陷坑周边注浆

在地表沉陷坑周边（沿裂缝两侧各1.50m 处）插入注浆导管，间距1m，呈梅花形布置，注浆导管采用Φ50无缝钢管制成，长6m，管壁每隔15cm 交错钻眼，眼孔直径为6～8mm，根部留1.5m 不钻眼作为止浆段。注浆过程中，观察断面是否有浆液渗出，若隧道内塌方处自上而下有浆液渗出，则维持注浆压力30s 后停止注浆；若隧道内塌方处没有浆液渗出，则注浆压力达到0.8MPa后停止注浆。

4.4 塌方体后方注浆

对塌方体后方已施工好的初期支护进行加固，采用径向小导管注浆补强，小导管长6m，间距为100cm×100cm，范围为YK58+309—YK58+314。强化塌方段落的支护结构，将原超前支护由F2-1 改为F2-3，YK58+309—YK58+399 段初期支护变形（二衬侵限） 大于5cm，应逐榀置换钢支撑，置换前先采用超前小导管注浆（搭接2m），待小导管注浆达到强度后方可置换。置换后必须保证初支及二衬达到原设计厚度。

4.5 地表沉陷坑回填

上述施工工序结束后，对地表沉陷坑进行回填处理，要求回填至原地貌，回填的材料为50%原状土+50%稳定土（掺5%水泥）。回填过程中用小型设备进行碾压夯实，回填后的地表按明洞回填处理，施工50cm 的胶泥防渗层并进行绿化。在施工过程中要特别注意施工安全和沉陷坑的防水。

5 处理效果

根据对监测数据的分析，对围岩及支护体系的稳定状态进行判断和预测。该塌方段处理完毕后，在拱顶布设了左、中、右共3个测点，并在腰线处左右分别布设了2 个测点，通过近3 个月的监测，发现拱顶最大下沉量为21.5mm，相对变形量为1.98%，周边位移最大值为34.93mm，相对变形量为0.27%，均在允许范围内，表明所采取的措施得当，取得了应有的效果。

6 结语

总之，软岩隧道施工期间，保证围岩的稳定性十分重要。因此，在施工之前，需要先根据地质信息，判断围岩的稳定情况。同时，还应根据现场测试，判断支护结构的稳定性，保证结构设置合理，防止围岩出现失稳而威胁施工人员安全。应该根据塌方产生的主要原因，采取差异化的处理措施，才能高质量完成软岩隧道的施工工作。