隧道后关门式塌方工程治理

陈仁东

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

隧道施工是一项具有较高风险的工程建设过程，尽管前期开展了尽可能详尽的地质勘察与设计工作，但是由于地质条件的复杂难以准确预判，或是围岩自身稳定性的缺陷，或是施工方法不当、操作不规范，如拱部初期支护背后存在较严重超挖、脱空部位没有有效的支护、二次衬砌滞后等情况下，隧道出现塌方等意外仍是较为常见现象。

其中一种类型可称为后关门式塌方，是指塌方位置远离前方掌子面，发生在掌子面与进洞口之间的围岩坍塌与支护结构破坏的现象。关门式塌方有别于因特殊地质条件或支护不及时而导致的掌子面塌方。由于其发生在施做完成的支护结构中部，开挖与支护时间已久，基本呈现出渐趋稳定的状态，监测频率较低或被忽略，相关人员的警惕性也随之降低。一旦发生塌方，导致的损失范围更大、对于现场作业人员的威胁更大、治理难度更大。

关于隧道塌方工程治理方法与安全保障措施，国内隧道建设参与人员、研究人员结合工程实践，开展了多项研究总结。陈仁东［1］等通过对某隧道塌方发生时各工作面状态及前期施工过程的追溯，提出了以加强衬砌、周边围岩注浆、扩大拱脚及组合工法为技术要点的综合处理方案；剧仲林［2］针对“关门”塌方发生时围岩处于完全松散的施工状况，认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式，支护结构处于极限应力平衡状态，很容易破坏而造成隧道坍塌；周涛［3］等对燕子岩隧道“关门式”特大塌方的成因进行分析，结合地质条件和塌方情况，提出了采用先压注水泥浆回填固结塌渣和泵送混凝土形成护拱后再进行塌方开挖处理的一套完整和系统的“关门式”特大塌方处治措施；郭艳伟［4］等通过财神梁隧道塌方处理实例，从塌方原因分析、处理方案、变形监测等方面阐述了护拱法处理隧道塌方的施工技术；肖东辉［5］等以汕湛高速某隧道塌方治理为工程背景，介绍了T76S自进式螺旋注浆管棚施工工艺在该隧道塌方段的应用情况，并对该工艺的施工流程、技术要点及支护效果进行了评价，认为该方案初支受力合理、结构安全，支护效果较好；吴学智［6］等以安全风险极高的“关门式”隧道大塌方为研究对象，提出了较为通用的隧道塌方“三段四步法”安全处治技术。

本文通过对隧道后关门式塌方治理案例的分析，希望为类似情况下的工程治理及风险防范提供参考。

1 隧道概况与塌方情况

1.1 隧道概况

某隧道工程按设计速度80km／h、双向六车道、高速公路标准建设。隧道全长6600m，属特长隧道，除分离式主线隧道外，设置两座斜井，其中2＃斜井长138.25m，施工期为施工通道，运营期用于通风排烟。

隧道内轮廓采用三心圆拱顶曲墙断面，单孔结构内净宽15.24m、净高9.95m，毛洞最大开挖跨径16.96m、最大开挖面积158.3m2。

工程沿线穿越髫髻山复式向斜的北西翼，地质构造复杂，隧址区及周边发育有28 条断裂带。主要涉及地层为新生代第四系坡洪积层、崩坡积层、洪冲积层，中生代侏罗系髫髻山组火山岩、沉积岩，九龙山组沉积岩、窑坡组沉积岩以及燕山早期侵入岩三大类。岩性以安山岩、砂岩、砾岩为主。

1.2 塌方情况

塌方发生时隧道各作业面状态见图1。塌方发生于右线隧道，该工作面自2＃斜井进正洞后，由大里程向小里程方向掘进，塌方位置位于AK32 +784 至+810 里程段，紧邻刚刚完成浇筑不足24h的二衬结构端头，距最前方上台阶掌子面144m、距初支封闭成环断面75m、距施做完成的二衬仰拱及仰拱回填层断面40m，是典型的后关门式塌方。

图1 塌方发生时隧道各作业面状态（单位：m）Fig.1 Status of each working face in the tunnel when a collapse occurs（unit：m）

塌方段围岩主要为微风化～中风化复成份砾岩、安山质火山角砾岩，局部夹凝灰质砾岩；砾岩层内顺层发育燕山期侵入岩脉，岩性以闪长玢岩为主，受侵入接触面的热液冷凝及构造挤压，局部差异风化为较软岩。该区段岩体整体节理裂隙较发育，以贯穿性好、长大、陡倾剪节理为主，局部密集发育，且沿节理面存在较明显的差异风化及热液蚀变现象。段内岩体间隔发育破碎带，断带内及附近岩体破碎，完整性差，富水性与导水性好。综合判定围岩等级为Ⅳ级。

塌方段施工时采用三台阶法钻爆开挖；以直径φ42mm注浆小导管为超前支护，拱顶90°范围内环形布设，环向间距40cm，长45cm；复合式衬砌结构，初支厚度为24cm，钢筋混凝土二衬厚度为50cm；初支内拱墙设置φ8mm 单层钢筋网，钢筋格栅拱架纵向间距80cm，φ25mm 中空注浆锚杆长350cm，按环×纵向间距100cm ×80cm 径向打设；夹层防水由400g／m2无纺布与1.5mm厚EVA防水板组成。

塌方造成部分初支损毁，铺挂防水板作业台车被埋，二衬模板台车前端脚部被压覆，工程停滞约4 个月。

2 塌方段工程治理方案

2.1 基本原则

安全原则：确保人员安全为首要原则，防止二次事故与次生灾害的发生，确保应急抢险现场处置人员安全、确保工程治理施工人员安全。

审慎原则：未经风险评估的区域，不得贸然进入；未经加固的塌体，不得贸然开挖；未经充分论证的方案，不得贸然实施。发生突发事件后，立即启动应急预案，制定抢险救援方案，通报信息。编制治理方案并论证，细化各项工作，以确保处治方案的可操作性及实施效果。

质量原则：既要保障治理塌方段施工安全通过，尽量降低对于工程总体工期目标的影响，同时也要保证交付运营后衬砌结构长期工作性能的可靠，按照“一次实施、不留后患”的要求确定衬砌参数及施工方案。

2.2 工作要点

塌方段工程治理方案的总体思路与工作要点可归纳为：查明情况、研判风险、稳定塌体、遏止发展、防护拱顶、锁住拱脚、超前注浆、充填空腔、分部开挖、及时支撑、加强支护、消除隐患、实时监测、动态调整。其中，对于塌方段基本情况的充分掌握与研判风险是落实安全、审慎、质量原则的基本保障。

1.查明情况

查明塌体堆积范围、高度、形态；查明塌腔尺寸、空间形状及与隧道的相对关系；结合施工过程中记录的地质资料与塌方渣样的物质组成，复核详勘资料，查明塌方段及受塌方影响段的地质情况，并与塌体、塌腔的空间形态相比对，初步分析引发坍塌事件的不良地质条件与特殊构造；查明受损支护结构范围、状态与程度。

采用雷达扫描解析、激光测距及物探等多种手段相结合，见图2，探明坍腔纵向长度约21.5m、横向最大宽度约为14.84m、高19.2m，坍腔坡面斜长29m，与水平呈44.13°；塌方体纵向长度约为26m，顶部高于隧道拱顶约6m，堆体超过4000m3；通过对塌落方向、塌腔空间形态、塌体物质的分析后认为，与详勘报告揭示的顺层发育的侵入岩脉特征完全吻合；紧邻塌方段的二衬结构强度已达到设计强度的70%，未发生变形，起到了约束塌方范围、防止松动圈扩大的作用，可视为安全区；受影响的左线隧道暂停开挖，加密测点布置与监测频率，必要时设置临时支撑。

图2 雷达扫描塌腔正立面示意Fig.2 Radar scanning collapse cavity upright profile schematic

2.研判风险

研判风险的主要内容，一是评估塌体、塌腔当前的稳定状态，评估继续发生更大范围、更严重程度塌方的可能性，切实防范安全风险；二是判定受塌方影响的区段，确定工程治理及需重点监测的范围；三是划分风险区段，以便采取有针对性的措施，使现场施工人员始终处于安全区内。

将塌方段及其影响范围划分为：监测区（已完成二衬浇筑且基本稳定段）、后加固区（紧邻塌方段的二衬端头段，因打设大管棚、埋设泵送混凝土管等作业开孔需要而受到削弱，后期需进行拆换或补强，纵向长度为5m）、塌方体治理段（纵向长度约26m）、前加固区（受塌方影响初支结构发生破坏的区段，其范围根据实际情况进行现场判别调整）、补强区（邻近塌方影响区但未发生结构损伤的区段，其范围根据现场检测确定）。其中，塌方段治理区、前加固区为风险区，后加固区、监测区为安全区，安全区范围随着开挖与支护不断向前扩展。

2.3 实施步骤

塌方段工程治理方案具体实施步骤如下（见图3）：

图3 塌方段风险分区与工程治理步序示意（单位：m）Fig.3 Risk zoning and engineering management sequence schematic for landslide hazard zones（unit：m）

第①步，固结二衬台车前方塌体。穿过二衬台车门架及支撑杆件间隙敷设泵管，采用地泵向台车前端塌体表面泵送M10 水泥砂浆，封闭压覆顶面，采用向二衬内表面及仰拱回填层顶面植筋的方式固定，立模浇筑C30 钢筋混凝土。

第④步，回填形成工作平台。利用挖掘机配合自卸汽车挖运洞渣，采用装载机分层回填，形成高3.1m、长15m 的大管棚及注浆作业平台及长11m的走行坡道。

第⑤步，塌体顶部填筑混凝土。通过预埋和钻孔等方式设置泵送管，填筑C20 素混凝土至塌体顶面以上约5m高度范围内，形成护拱。

第⑥步，注浆固结塌体及其周边。注浆孔自止浆墙沿纵向以隧道中心为轴呈伞状分布，注浆范围除塌体外尚需扩展至理论开挖轮廓线以外8m。单孔浆液扩散半径为2m，孔底间距不大于3m。前期采用水泥-水玻璃双液浆与硫铝酸盐水泥浆交替使用，以控制注浆范围；中后期采用水泥单液浆，以确保注浆质量。注浆初压0.5MPa～1.0MPa、终压2.0MPa。采用钻芯取样法、孔内成像法等对注浆效果进行检验，确保注浆效果。

第⑦步，打设第一批超前大管棚。大管棚超前支护是保障塌方段开挖安全的重要措施。大管棚沿起拱线以上180°范围内拱顶环形布设，环向间距40cm；钢管外径φ108mm，壁厚6mm，管壁设注浆孔，孔径为φ8mm，孔距30cm，梅花型布置；管内放置钢筋笼骨架并压注水泥浆，初始注浆压力0.5MPa～1.0MPa，终压2.0MPa。

为避免扩挖管棚工作室的施工风险，采用大倾角分批、多循环打设大管棚的方式，采用台车行走机构以外的塌体表面，确保二衬台车撤出时的安全。

第②步，撤出二衬台车。清理影响台车撤出的坍渣和杂物，解除影响台车后退的型钢、喷混及台车支撑系统等约束，由机械牵引台车整体后退，为后续作业提供工作面，图中未示。

第③步，施作止浆墙。止浆墙全断面设置，厚度为2.0m，基础置于仰拱回填层这种方式虽然增加了作业步骤且有一定的废弃工程量，但在治理塌方的工程实践中更为安全可靠。

大管棚分为先后两批，首批打设第1、2 两环，均穿透紧邻塌方段的既有二衬结构段施做，并以其为管棚尾端支点。第1 环管棚仰角10°、长14m，图示为；第2 环大管棚仰角8°、长34m（其中含空管9m），图示为。

第⑧步，拆除止浆墙。

第⑨步，开挖塌方体。

塌方段超前支护采用小导管注浆，管径φ42mm、长6m，环向布设范围及间距均与先前打设的大管棚相匹配；塌体采用三台阶法机械开挖，结合监控量测反馈的稳定状态，必要时加设临时竖撑；台阶拱脚处锁脚锚杆采用长6m 的T76 自进式锚杆，每处4 根，注1∶1 水泥浆。

该段结构采用加强型衬砌，初支支护喷射混凝土层厚度为28cm，内设双层钢筋网及Ⅰ22b型钢拱架，纵向间距50cm；钢筋混凝土二衬厚度为60cm。

第⑩步，打设第二批超前大管棚。在塌方段前端AK32 +788 打设第3 环管棚，仰角8°、长23m，与第2 环管棚间水平搭接长度不小于5m，管棚尾端初支型钢拱架加密布置，图示；第4 环大管棚在AK32 +804 反向打设，仰角8°、长16m，用于固结受塌方影响的二衬端头围岩松动区，同时为拆换该段二衬结构作业提供安全防护，图示。

3 结语

隧道塌方事故对人身安全构成极大威胁，也会带来严重的经济损失，同时还会产生恶劣的负面影响。后关门式塌方发生在开挖掌子面与已施做完成的二衬结构之间，造成围岩坍塌与初支结构破坏，具有一定的突发性，导致的损失范围更大、对于现场作业人员的威胁更大、治理难度也更大。为了预防此类事故的发生，应遵循围岩稳定的客观规律，秉持严谨务实的工作态度，严格按照规范开展施工作业。

1.重点关注易产生塌方事故的危险时段。大量隧道塌方案例表明，经历长时间停工之后的复工时段，工程自身积累的危险因素正在酝酿，这一时段切不可掉以轻心。

2.隧道支护结构除必须具有足够的强度外，也必须重视支护结构施做过程中的时间与空间效应，应使各工序间保持合理节奏与规范的距离。

3.以钻爆法为主的山岭隧道施工，应加强信息化管理手段，为促进隧道建设的数字化、智能化发展，以提高安全风险管控水平奠定基础。

4.型钢拱架与钢筋格栅拱架在材料性能，构件承载能力，节段接头相对刚度，加工、搬运与架立的便利性及与喷混结合后的整体受力性能，与围岩的密贴性等方面均存在差异，宜根据其特点应用于适宜的情况。在原状围岩中开挖时优先选用钢筋格栅拱架，以尽量保护围岩自稳能力、促进围岩与支护结构共同受力，而塌方段工程治理是在松散堆积体中进行开挖，需要型钢拱架早期承载能力强、支护刚度大、利于尽早受力的特点。