琅岐隧道塌方综合处理技术研究

    王建东

    

    

    

    摘要：琅岐隧道由于地质条件复杂，在施工中出现围岩坍塌，地表塌陷现象。本项目根据隧道坍塌的具体情况，结合以往处理隧道坍塌的成功经验，并进行工艺创新。最终通过采取地表阻水、锚杆注浆加固围岩、小导管及管棚形成保护层、塌腔填充泡沫混凝土、预留核心土环形开挖法清除塌方渣体等综合处理措施，顺利完琅岐隧道的坍塌处理。

    Abstract： Due to the complicated geological conditions of the Langqi Tunnel， the surrounding rock collapse and surface collapse occurred during the construction. According to the specific circumstances of tunnel collapse， this project combines the successful experience of dealing with tunnel collapse in the past， and carries out technological innovation. Finally， comprehensive treatment measures such as surface water blocking， bolt grouting to reinforce surrounding rock， small pipes and pipe sheds to form a protective layer， cavern filling with foam concrete， and ring-shaped excavation of the reserved core soil to remove the collapsed slag body， have successfully completed the treatment of Langqi tunnel collapse.

    關键词：隧道坍塌;围岩注浆加固;小导管及管棚保护圈;泡沫混凝土;施工技术

    Key words： tunnel collapse;surrounding rock grouting reinforcement;small conduit and pipe roof protection ring;foam concrete;construction technology

    中图分类号：U458.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）25-0162-03

    0 ?引言

    在隧道施工掘进施工时，常遇到岩溶、塌方、变形及突泥突水等各种事故，其中以塌方最为常见，是较为典型的一种隧道施工事故，往往给施工带来巨大的困难。塌方的处理不仅耗费大量资金，且严重影响工期。隧道受地质情况、围岩状态及受力情况、地下水变化、施工作业方法等不可控的因素影响，隧道施工时出现坍塌很难避免。故隧道坍塌后的施工处理方法和措施以确保施工安全、降低成本和减少工期延误是工程技术人员最为关切的问题，本文结合工程实例将隧道坍塌后的综合处理措施与各位进行交流，为处理隧道坍塌提供一些思路。

    1 ?工程简介

    琅岐隧道位于福州市马尾区琅岐镇金砂村，采取双洞分离式，为长大隧道，本合同段负责施工琅岐隧道的一部分。施工范围：左线起迄里程ZK29+430.17～ZK30+468，长1037.83m;右线起迄里程YK29+410～YK30+461，全长1051m。

    隧道采用复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护。隧道为六车道分离式公路隧道，按行车速度100km/h设计。

    隧道区属丘陵地貌，地形起伏大，进口段自然坡度在30～60°，洞口山体自然坡度约60°;隧道洞身围岩为中-微风化花岗岩/花岗斑岩，属较硬-坚硬岩，但受区域构造带影响，隧址区节理裂隙发育，岩体总体较破碎，隧址区发育有F14、F14a、F17a三处断层及5处裂隙密集发育带，施工安全风险高;洞身围岩以Ⅲ级为主，节理裂隙密集带附近围岩级别以Ⅳ、Ⅴ级为主，容易出现涌水突泥、坍塌等事故。ZK29+620处隧道顶板上方约25m处为季节性小溪，与隧道有一定水力联系，可能发生地下水突涌，其水量受水库泄水及季节性降雨影响大。

    2 ?隧道坍塌过程及情况

    2017年6月13日约9时30分，隧道左洞ZK29+633掌子面围岩为Ⅳ级，采用两台阶法开挖，ZK29+628下台阶已完成开挖放炮，正在进行清碴作业，在施工中，现场施工人员发现ZK29+615断面处左侧拱腰至拱顶部分工字钢钢架出现变形、初支混凝土出现裂缝现象。施工员立即安排现场的施工人员及所有机械停止作业，速撤离施工现场，留下两名技术人员进行远距离监测。约至10时10分，随着钢拱架变形、裂缝的加大，左侧拱腰部分突然出现坍塌，并迅速扩散，形成了约直径2.2m左右的塌方孔洞;至19时20分，塌方体段不断扩大，纵向延伸至ZK29+613～

    +618，横向整个拱顶及左侧墙身出现坍塌，形成长约为5m，宽约为9m，高约为6m的塌腔。随着坍塌的不断发生，塌方体全部填充隧洞。且观察到地表出现沉陷长6m×宽7m，深为3.6m塌坑。

    6月15日坍塌处于稳定状态。

    3 ?塌方原因分析

    ①查阅之前记录的监测资料，此段隧道收敛变形没有明显突变现象，表明琅岐隧道在ZK29+615处的坍塌具有突发性。根据塌方段（ZK29+615）施工时记录的地质描述：该里程揭示围岩为中风化花岗岩，节理及裂隙发育，岩体呈现碎石状，且拱顶及边墙围岩出现较严重渗水，围岩级别应是为Ⅴ级，但设计图纸的支护参数还是按Ⅳ级围岩的要求。

    ②对隧道坍塌体的工程地质进行了分析：塌方处隧道围岩较为破碎，且杂夹着大量泥状黄土，含水量较大。坍塌处隧道顶埋深约为25m，从地表塌陷处坑壁显示，地表表层上覆土厚度约为2.5m，土体主要为无粘性粉状黄土，粘土层下为强风化片麻状破碎岩层，土体的自稳能力差，在隧道爆破掘进的扰动下，容易诱发围岩坍塌。

    ③隧道坍塌处的上方为季节性小溪，溪流处发育构造F14断层。地表水与隧道洞身位置构造带存在连通性，地表水易沿构造带下渗，补给地下水，对隧道围岩稳定性影响大。福州地区6月～7月为雨季，隧道坍塌前连续多天暴雨，大于往年降雨量，且在设计院下发的隧道图纸中，没有针对地表的处理及隔水方案，造成雨水下渗，影响隧道初期支护稳定。可认为因渗水破坏了围岩的自稳能力是导致隧道坍塌的主要原因。

    4 ?塌方处理方案

    4.1 塌方处理总体思路

    根据琅岐隧道坍塌的具体情况，并结合以往处理类似围岩坍塌的成功经验。本项目处治围岩坍塌的总体指导思路是：

    ①阻水：对坍塌处上方的地表进行阻水处理，避免地表水再向围岩里渗透，引起围岩软化，减少粘结力而导致失稳坍塌。

    ②固岩：对洞内初支变形及超限段、受影响段采取围岩加固措施，确保坍塌及初支变形范围不再扩大。

    ③防护：在洞顶轮廓以外的坍塌体分别施做小导管注浆和大管棚注浆，形成两层保护圈，以确保进行洞内坍塌体掘进清理时的施工安全。

    ④慎进：坍塌体清理时，依据：“短进尺、强支护、快封闭、勤量测、速反馈、跟二衬”的原则。本项目采取二台阶预留核心土弧形开挖，每次进尺0.5m，并随挖随进行初支的施做，谨慎进行坍塌体的清理。

    4.2 具体的处理技术措施

    4.2.1 ZK29+603～+613侵限段处理方案

    经对隧道进行断面量测，ZK29+603～+613段支护出现10～35cm变形侵限，需进行拱架换拱处理，支护采用间距为50cm的Ⅰ20工字钢钢架，钢架间设置间距为100cm的？准22连接筋;喷射混凝土平均厚度为27cm，采用间距20×20cm的？准8网片;隧道洞身围岩设置？准25中空注浆锚杆加固，长度为5m，中空注浆锚杆洞身纵向间距50cm，环向间距75cm;注浆材料采用1∶1水泥砂浆。

    同时加大ZK29+588～+613段段围岩监控量测，及时分析围岩变形，根据监控量测情况，及时动态调整加固长度。

    4.2.2 ZK29+588～+603受坍塌影响段处理方案

    ZK29+588～+603段初支没有出现变形超限及开裂现象，但作为受影响的段落，后期存在变形超限和坍塌风险，本项目对此段隧道洞身围岩采取设置？准25中空注浆锚杆加固，长度为3m，中空注浆锚杆洞身纵向间距75cm，环向间距100cm;注浆材料采用1∶1水泥砂浆。

    4.2.3 ZK29+613～+618坍塌段处理方案

    ①地表阻水及坍陷坑处理方案。

    地表水渗入围岩是导致本次隧道坍塌的主要原因之一，为了避免地表水持续下渗，使破碎围岩的物理力学性能更为恶化而加剧坍塌风险，首要任务就是对地表水采取阻渗措施，具体措施如下：

    1）对地表水进行临时的截、排，避免恶化坍塌情况。在地表沉陷区域的上方及两侧外设置浆砌片石截水沟、排水沟;并对地表塌穴处进行覆盖。

    2）对地表塌穴进行回填。为提高竣工后安全运营系数，塌穴内采用2∶8灰土分层回填，每层回填夯实，每层回填厚度不大于0.5cm。对坍陷的周边地表进行刷坡，人工夯实局部松散或有裂缝部位，且同时全坡面进行挂网噴混凝土，喷射厚度为10cm。

    3）在坍陷区内打入注浆钢花管，钢管采用无缝钢管，长度为6m，规格为？准45×3.5，钢花管下端制成锥形，管上钻设？准8注浆孔。钢管布置呈梅花形，间距为1.5×1.5m，钢花管与坡面垂直打入，且外露25cm以联接注浆软管。

    4）注浆管施打完成后，对整个坡面进行挂网喷混凝土，挂设@25cm×25cm的？准8钢筋网;且钢筋网与钢花管接触处焊接牢固，然后再由上至下喷混凝土10cm。

    5）对钢花管进行注浆，注浆材料为双液浆（水泥浆与水玻璃混合），注浆由下至上逐根进行，注浆严格按设计的配合比、注浆量及注浆压力进行，以使坍陷区坡体的围岩稳定及有效阻水为最终目的。

    地表阻水及坍陷坑处理方案如图1、图2所示。

    ②施工人员及机具防护措施。

    为了确保在坍塌进行施工的人员及机具的安全，采用管棚注浆加小导管注浆处理措施。具体为：

    1）沿掌子面前进方向，在拱顶180°范围内施打？准42注浆小导管，向坍塌渣体内注浆固结，即在拱顶坍塌体内注入双液浆（水玻璃和水泥浆液），将拱顶3m范围内的坍塌渣体固结，形成第1层保护圈。小导管为？准42注浆小导管，长度为600cm，环向间距按30cm，外插角为10度。

    2）隧道拱顶180°范围内采用10m长的？准108注浆管棚，管棚环向间距按40cm，外插角15°，嵌岩长度大于3.0m，且管内设置由4根？准20钢筋构成的钢筋笼，注单液浆，形成第2层保护圈。

    ③初支方案。

    初支采用I20钢拱架，拱架间距为50cm，且拱架每处拱脚设置4根锚管锁脚，锁脚锚管为？准42注浆小导管，长度为5m，在拱脚处按正方形布置在工字钢两侧;钢架环向设置水平的？准22连接筋，间距为100cm;

    塌方段二次衬砌参照Ⅴ级围岩加强复合式衬砌图进行衬砌施做。

    ④塌方体开挖处理。

    隧道坍塌稳定后，对塌方体渣面采取喷射C20混凝土封闭，厚度为15cm，并在塌方体坡脚处堆码高度2m的石碴进行反压防护，以免塌方体再溜滑变形。

    两层防护圈施做完成后，进行塌方体的清理，采取预留核心土环形开挖法，每掘进一榀钢架的跟，换一榀钢架，钢架拱底部成环，并及时施打锁脚锚管;全环环向设置？准25中空注浆锚杆，长度为4m，梅花型设置，纵向间距0.5m，环向间距0.6m。

    ⑤塌腔处理。

    进行两层保护圈施工时，预埋深入塌腔内的？准80注浆管，以便在完成坍塌体清理后进行塌腔填充处理。

    本次塌腔较大，需压入大方量的填充物，如果填充物为混凝土或是砂浆时，在填充物未达强度前，其巨大的重量荷载均需由保护圈及初支承受，存在压垮初支的风险。为此，本项目进行工艺创新，采用轻质的泡沫混凝土进行塌腔的填充。

    塌腔回填采用的泡沫混凝土容重仅为普通混凝土的1/4，在大幅降低支护承受的荷载值的同时，也大幅降低了施工成本。

    4.2.4 ZK29+618～+626加固处理

    塌方段处理完后，经量测ZK29+618～+626段初支也存在拱架变形侵限，需进行初支换拱处理，采用间距为50cm的Ⅰ20工字鋼钢架，钢架间设置间距为100cm的？准22连接筋;喷射混凝土平均厚度为27cm，采用间距20×20cm的？准8网片;隧道洞身围岩采用？准42注浆小导管加固，长4m，洞身纵向间距75cm，环向间距100cm。

    坍塌综合处理方案如图3、图4所示。

    5 ?结束语

    本项目根据隧道坍塌的具体情况，采取科学有效的系统综合处理措施。同时，坍塌空腔采用泡沫混凝土填充技术，不仅取得了良好的技术处理效果，顺利、安全完成了坍塌的处理，且降低了处理成本，给类似隧道坍塌的处理提供了借鉴作用。

    参考文献：

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