隧道地表塌陷处治专项方案

戴秀平

（广东省南粤交通清云管理处，广东 广州510101）

1 设计依据

一是《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）；

二是《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009)；

三是《公路隧道施工技术细则》（JTG/T F60—2009）；

四是《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）；

五是《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）；

六是该项目设计图纸；

七是国家其他与隧道工程相关的规范、规定以及有关会议纪要、规定等。

2 工程概况

白石隧道位于广州市花都区花东镇狮前村境内，采用分离式隧道方案，左线起讫里程为ZK7+820～ZK9+620，隧道长1800m，最大埋深161.0m；右线起讫里程K7+840～K9+755，隧道长1915.0m，最大埋深157.6m。隧道总体走向方位角约35，属长隧道。隧址区属构造剥蚀丘陵地貌区，沟堑发育，地形起伏较大，隧道中线范围内地面高程163.0～335.6m，山体自然坡度25～50，植被发育。进、出口均处于山前斜坡地带。隧址区进出口有公路通过，交通条件尚可。

3 技术标准

一是公路等级：双向六车道高速公路；二是设计车速：120km/h；三是设计荷载：公路I级；四是主要结构设计基准期：100年；五是隧道抗震设防烈度：Ⅶ度；六是防水等级：二级；七是隧道净宽：0.75+0.25+0.50+3×3.75+1.0+1.0=14.75m；净高：5.0m。八是紧急停车带净宽：0.75+0.25+0.50+3×3.75+1.0+3.0+1.0=17.75m；净高：5.0m。

4 工程地质条件

4.1 地层岩性

隧址区第四系覆盖层为薄层坡残积砾质黏性土，广泛分布于隧址区，厚度变化较小，下伏基岩为燕山期侵入花岗岩(γ)。

4.2 地质构造

隧道为路线穿越狮前村境内山丘而建，隧道处于构造剥蚀丘陵地貌区，下伏基岩为燕山期中粗粒黑云母花岗岩。根据区域地质资料以及现场勘察成果，初勘物探推测隧址区K8+150～K8+350段，受构造挤压，岩体破碎；详勘物探推测隧址区K8+520～K8+660、K8+820～K8+950段分别存在四处破碎区（段），深度较浅，判断是由表层全强风化层引起的。隧道进口发育三组节理：85∠59、5条/m，335∠70、2条/m，95∠69、4条/m，裂隙面粗糙不平。隧址区存在推测断层或破碎区（段），总体上地质构造相对较复杂，但采取合理的设计、施工方案仍可进行隧道工程建设。

4.3 水文地质条件

隧址区地表水不发育，仅在进口及K8+700处冲沟内发育溪流。勘察期间水量不大，在强降雨气候条件下，坡面冲刷作用强烈，受大气降水及基岩裂隙水出渗补给，水量较大。地下水类型主要为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水。

4.3.1 松散层孔隙水：主要赋存于（Q4el）砾质黏性土层中，接受大气降水及地表水流补给，顺地形向低洼处排泄，其透水较好、富水性差，水量一般。

4.3.2 基岩裂隙水：不均匀地赋存于下伏花岗岩裂隙中，主要接受大气降水的渗入补给，其次为地下水的相互转换补给、第四系松散堆积物孔隙水的渗入补给等。基岩节理、裂隙是地下水的主要赋存场所和运动通道。地下水的流向受地形的控制，地形上的分水岭也是地下水的分水岭，总体流向与现代水系的地表水流向基本一致，主要以渗水的形式排泄于地形低洼处。据调查，此次未发现该类地下水出露点，故该类地下水贫乏。

5 塌方情况

2022年2月27日，上导掌子面封闭出完渣后，未支护段（K9+313～+310）左侧（面向小里程方向）开始出现掉块及围岩塌落，塌方总计约80方，塌方体组成为含强风化花岗岩的碎石土，地下水较少。目前，掌子面附近已有3榀拱架出现变形（K9+316～K9+313），K9+334已支护段左侧初支出现开裂，经测量发现K9+340～313段初支侵限，地下水在K9+332～K9+317段初期支护渗出。经现场地表踏勘，未见地表开裂现象。2月28日～3月3日，监控量测数据三天无异常后，施工单位按照既定处理方案，K9+330～+320段初支已经完成10m护拱加固。当进行空腔处注浆处理时，浆液从塌方处溢处，于是停止注浆，未采取有效措施，而开挖塌方体，继而发生塌方。3月29日～3月30日，广州市连续两日小到中雨，广州市内尤其以隧道所在区域更大，花都区应急办也以短信通知项目管理人员，3月31日单日降雨值超139mm，造成冒顶位置地表土体物理力学性变化，导致塌坑处地表部分土体滑塌至塌腔内，较大冲击荷载导致初支结构破坏塌方。地表塌陷区域也较之前增大约2m。

6 塌方段落原设计情况

原设计该段为Ⅲ级围岩，采用S-Ⅲa支护型式，上下台阶法开挖。岩性为灰白、浅肉红色中风化花岗岩，节理裂隙稍发育，岩体较完整，巨块状镶嵌结构，岩质坚硬，成洞条件较好，自稳能力较好，侧壁较稳定，地下水为基岩裂隙水，水量不大，呈滴状出水。

该段平面位置如图1所示，处于地表冲沟处。

图1 隧道塌方位置平面截图

该段隧道设计埋深约55m，隧道掌子面左侧埋深较浅，岩石破碎、风化程度较高。

7 变更原因分析

连续雨天，日均降雨值超139mm，暴雨造成冒顶位置地表土体物理力学性变化，导致塌坑处地表部分土体滑塌至塌腔内，较大的重力势能转化为对拱顶的冲击荷载，从而使结构失稳破坏。连续的降雨也导致塌腔内土体物理力学性能发生变化，土压力随之增大。

8 现场检测情况

8.1 监控量测数据情况

根据监控量测报告显示，拱顶下沉值3日单日沉降量均小于5mm/d，初支结构基本稳定，适于塌方后续处置工作（见图2）。

图2 隧道塌方立示意图

8.2 超前地质预报情况

根据编号JC-X-BSCK.CQ-046超前地质预报显示，推断该段围岩与当前掌子面基本一致，主要以中风化花岗岩为主，节理裂隙较发育，结构面较张开，节理裂隙较张开，局部夹杂软弱破碎夹层，多以切割块状或块状结构，产状不均，掌子面整体自稳能力及完整性一般，开挖扰动下拱顶易掉块，另基岩裂隙水较发育，局部点滴状出水。建议围岩级别为Ⅲ级。

8.3 掌子面地质素描（K9+310)

隧道通过区段为地表冲沟处，掌子面围岩风化程度不均，掌子面右侧为中风化花岗岩，灰白色，岩体完整，为坚硬岩，节理裂隙较少，未见地下水渗出。掌子面左侧为全～强风化花岗岩，灰白色夹黄褐色，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩石强度较低，地下水呈点滴状渗出。

8.4 初支断面侵限情况

图3中负号表示已经侵入二衬限界（单位为m）。由图3可知，K9+345～+313段后续处治需对侵限初支进行换拱，并加强支护型式。

图3 隧道全断面测量图

9 处治方案

9.1 塌方段施工前准备工作

9.1.1 初支情况监控量测，为保证人员安全，判断初支情况是否稳定，在塌方处治前于断面上布设拱顶下沉点、周边位移点，设置间距为2～3m，监控量测频率为2次/d，连续三日拱顶下沉值低于5mm可视为初支结构基本稳定，可进行后续加固处置。

9.1.2 塌方后的地表处治，于冒顶处周围地表设置临时截水沟，截水沟距塌方边缘应不小于2m，采用M30水泥砂浆封闭，空腔位置则采用塌腔范围内布设φ60×4mm注浆钢花管，长度40m，间距120×120cm，梅花形布置。浆液采用水灰比1∶1 P·O42.5级水泥浆，注浆压力0.5～1MPa。注浆后洞顶塌腔采用掺5%水泥碎石土回填至冲沟下流排水沟底高程，并铺设一层EVA防水板，其上设置5cm厚砂浆保护层，并覆盖50cm厚黏土层，满足顺坡排水需求（排水坡度大于5%）。

9.2 未塌方段临时初支加固措施

9.2.1 K9+340～+316段设置工18工字钢护拱，护拱纵向间距与原初支钢拱架间距一致，为120cm，钢拱架应与原初支结构密贴。

9.2.2 K9+340～+316段左半断面径向注浆加固，注浆采用4.5m长φ42钢花管，间距1.5×1.5m，梅花形布置，浆液采用水灰比1∶1水泥浆，初压0.5MPa，终压1.0MPa。注浆结束标准：第一，注浆压力逐步提升，当达到设计终压（建议为1.0MPa）并继续注浆10min以上；第二，有一定的注入量，与设计的注入量大致相近，注浆结束时的进浆量一般在20～30L/min以下。

9.3 超前支护措施

K9+319～+301段超前支护采用φ108×6mm长管棚，管棚施工开挖管棚工作室，工作室范围为K9+319～+323.5，长4.5m，深度为0.7m，工作室开挖应按S-Vc超前支护型式做好超前支护工作，管棚工作室开挖完成后，采用S-Vc支护类型进行初支封闭，后续待K9+326～+316换拱完毕后，应注意工作室初支与相临初支结构喷射平顺，铺设好防水板，工作室采用二衬C40混凝土回填。

注浆浆液采用水灰比1∶1水泥浆，初压0.5MPa，终压2.0MPa。注浆结束标准：第一，注浆压力逐步提升，当达到设计终压（建议为2.0MPa）并继续注浆10min以上；第二，有一定的注入量，与设计的注入量大致相近，注浆结束时的进浆量一般在20～30L/min以下。原设计S-Va超前支护采用φ50×4mm钢花管注浆不取消，仍按原设计施作。

9.4 超前加固措施

为保证施工安全，管棚施工完毕后，应对塌方区域进行超前预加固，加固采用φ108×6mm钢花管，在掌子面设置30cm厚C25喷射混凝土止浆墙。超前加固措施完成并形成强度后，为对注浆质量进行评定，采用潜孔钻机在加固边界范围内钻设检测孔（共3个），深度10m，检测孔采用不跟管的形式，钻孔过程中应做好钻孔记录，记录钻孔过程中钻进速度，地下水、卡钻等情况，如出现卡钻情况及地下水较多，应视为注浆效果不佳，宜加密注浆孔重新注浆加固。

9.5 主洞支护型式及开挖方式

S-Ⅲa支护型式在原S-Ⅲa的基础上，将二衬混凝土变更为C35混凝土，其他参数与原S-Ⅲa一致，(R)S-Ⅴa支护型式在原S-Ⅴa的基础上，将钢拱架间距调整为40cm，系统锚杆取消，上中台阶锁脚锚杆变更为双排φ50，长度3.5m注浆小导管。

主洞开挖方式采用三台阶预留核心土法。

9.6 防排水设计

塌方防排水设计原则为“以排为主，防堵结合”，地表水仍应尽量做好截排水措施，使地表水仍然从地表漫流，防止地表水漫入隧道。K9+326～+306段加强洞内排水设计，环向盲管设置纵向间距为3m，横向排水管纵向间距加密为4m，二衬施工缝及变形缝设置一道中埋式止水带和一道背贴式止水带。

9.7 监控量测设计

9.7.1 施工过程中应根据施工监控量测数据掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用监控量测结果及时调整设计支护参数，指导施工。

9.7.2 隧道拱顶下沉和周边位移、地表下沉为必测项目，在该段塌方处治全过程中（包括换拱施工），建议监控量测频率增加为每天2次。

为保证施工安全，K9+326～+316段塌方牵引区换拱应等塌方区二衬施作完毕后再逐榀换拱。

10 结语

本文针对隧道设计详勘不足，缺漏隧道附近地表和沟河、湖泊、水库等对隧道施工产生的安全隐患进行处治。通过对广连高速公路白石隧道地表塌陷处治的方案分析，希望对同类的隧道设计施工有一定的借鉴作用。