田暾
中交隧道工程局有限公司 北京
摘要：结合新建哈牡客专六标段东山隧道进口掌子面正面塌方情况，分析塌方产生的原因，提出塌方处理方法，总结此类地层隧道施工经验教训。
关键词：软质岩 隧道塌方 机理分析 处理技术 研究
一、引言
软质岩地层主要是指岩性为风化破碎严重的泥岩、页岩、泥质页岩、泥质砂岩等，其地质构造特征为节理裂隙十分发育，岩体破碎，岩层产状扭曲，结构松散，自稳性差，承载力低，流变特性、水软化作用和受施工扰动性影响较大。在此类地层修建隧道，极易产生塌方，特别是在初期支护尚未施作，在无任何征兆的情况下，掌子面正面即产生塌方，对隧道施工安全的影响极大。
本文就新建哈牡隧道在DK244+452掌子面正面左侧拱顶位置产生塌方，所进行的塌方原因分析、处理技术方案以及总结的经验教训，对今后施工类似地层的隧道应具有一定的借鉴参考意义。
二、工程概况
1、工程简介
新建哈牡铁路东山隧道全长1717m，双线隧道，设计为10‰的单面上坡，全隧位于半径R=8000m的右偏曲线上，隧道拱顶最大埋深约52m。
隧道洞身地层岩性按其成因类型、岩土特征，可划分2层，地层厚度及分布自上而下依次为：上覆第四系全新统坡残积层（Q4dl+el）粉质粘土，褐黄色，黄褐色，硬塑～坚塑状，厚0～2m，局部稍厚；下伏基岩为三叠系中统河口组第一段（T2h1）页岩，青灰色，薄层状，节理裂隙和页理发育，受线路右侧约450m发育有右江大断裂影响，岩体破碎，岩层产状扭曲。质软，遇水易软化。围岩等级为V级。
地下水主要为风化带裂隙水及第四系孔隙水，主要赋存于基岩风化带裂隙及土层中。地下水受大气降水及地表水补给。
2、塌方情况
本隧道施工采用正台阶法开挖，喷、锚、网及工字钢拱架联合支护，从隧道出口向进口方向掘进。隧道开挖掘进至DK244+452，初期支护还未施作时，掌子面正面进洞方向左侧拱顶位置岩体突然失稳，产生塌方，并在拱顶左侧斜向前方位置形成一个高约4m、宽约6～7m、长约2～3m的空洞。塌方位置地质为薄片状页岩，极破碎、松散，空洞内及周边岩体极不稳定，不时有石块掉落，危及施工安全。
三、产生塌方的原因
从本隧道洞身穿越地层的岩性特征及现场施工情况上看，DK244+452掌子面正面左侧拱顶位置产生塌方的原因主要有以下几点：
1、开挖掌子面塌方位置地层岩性为青灰色三叠系中统河口组第一段（T2h1）页岩，极其破碎，岩体呈薄层状小碎块体，质软，用手即可掰断，结构松散，有少量裂隙水，自稳能力很差，在外界扰动的影响下易产生坍塌。
2、虽施作了超前小导管但未进行注浆加固。由于没有有效地进行地层超前预注浆加固，使得破碎松散岩体没能得到有效加固。
3、采用正台阶法施工，开挖断面大。上、下台阶分界线设置在隧道圆心点位置，开挖高度为749cm，最大开挖宽度为设计断面尺寸最大值，且在开挖施工时未留核心土，对掌子面未形成一个作用反力。使掌子面产生较大变形和失稳。
综上所述，在DK244+452位置发生塌方的主要原因为：施工方法选择不当和未完全有效施作超前预加固辅助施工措施，极破碎松散岩体开挖暴露后，在自重的作用及施工扰动的影响下，出现失稳坍塌。
四、塌方处理方案的选定
由于塌方形成空洞的周边岩体极不稳定，不时掉碴掉块，且还存在二次坍塌风险，因此该处掌子面正面塌方处理施工的难点在于如何保证施工人员在塌方空洞下面进行支护作业的安全。在现场实地踏勘之后，经过慎重考虑制定研究了搭设棚架保护处理方案（方案1）及塌方空洞回填加固后再进行开挖方案（方案2）。
方案1：在塌方空洞下方初期支护外侧用充填砂浆大直径无缝钢管或工字钢，一端固定焊接于已完成初期支护钢架上，另一端深入空洞内部插入周边岩体内，钢管或工字钢间以钢筋环向焊接形成一个整体，并在钢管或工字钢上铺设固定废旧钢模板或厚木板，搭设形成棚架（见图1），以此保护施工人员作业时的安全。
方案2：在掌子面已完成初期支护处修建挡碴墙，对塌方空洞进行封闭，预埋一定数量的吹沙管和注浆管，通过吹沙管将塌方空洞回填满，再利用注浆管对回填体进行注浆固结，然后拆除挡碴墙，在超前支护保护下进行隧道开挖（见图2）。
从这两种方案比较上看，方案1工序相对简单，能够抵御掉石、掉块和中小规模塌方所带来的安全风险，施工成本和进度方面比方案2较低和较快；而方案2在安全性方面比方案1相对高一些。
基于上述情况，该处掌子面正面塌方处理最终确定的方案为先按方案1进行施工，处理过程中加强安全防护措施。在采用方案1处理未果的情况下，再按方案2实施。
五、塌方处理方法（方案1）
1、保持掌子面塌方状态不变
塌方堆积体及开挖作业台车在掌子面的状态及放置位置保持不变，以防工作面失稳产生更大的塌方，同时也为塌方下部人员提供作业平台及起到棚架保护的作用。
2、喷射混凝土封闭
对开挖轮廓面周边、掌子面正面及塌方空洞内岩面喷射钢纤维混凝土进行封闭，要求喷射混凝土层尽量厚一些，以确保塌方处理后续工序施工时围岩保持稳定，不再坍塌。喷射混凝土采用湿喷工艺，分层喷射，后一层喷射在前一层混凝土初凝后进行，喷射时以划圈喷射为主，喷嘴对受喷岩面作均匀的顺时针方向螺旋转动，一圈压半圈横向移动，划圈直径约为20～30cm，以使混凝土喷射密实。为了增加粘结性，初喷在岩面上的混凝土适当增加水泥用量。
3、搭设保护棚架
棚架搭设材料采用φ108mm无缝钢管，壁厚6mm，搭设时，从塌方空洞范围以外、围岩较稳定的进洞方向右侧开始，逐步向左侧施工，边架设钢管，边铺设固定钢管上部厚木板，直至棚架将塌方空洞全部覆盖。棚架搭设技术要求：
（1）棚架所用钢管内部均以M20水泥砂浆填充满，以增加其强度。搭设时，布置间距15cm左右。
（2）棚架各钢管间以Φ25螺纹钢环向焊接，纵向布置间距20cm，使之成为一个整体。
（3）在塌方空洞范围之外围岩完整性较好的开挖轮廓面上设置径向锚杆，通过Φ25螺纹钢筋将所有锚杆尾部与棚架钢管、环向连接筋焊接起来，使棚架固定在开挖轮廓基岩面上。
（4）棚架在塌方空洞范围之外与围岩之间的空隙以混凝土喷射密实。
棚架搭设情况见图3所示。
图3 棚架搭设示意图
4、在棚架保护下，施作初期支护
为保证施工及结构安全，塌方地段初期支护施工参数予以调整：钢拱架间距由原设计80cm/榀调整为0.5m/榀设置；喷射混凝土厚度30cm；钢筋网片采用Φ10螺纹钢，网格间距20×20cm，并采用双层设置方式。
5、塌方空洞处理
初期支护施作时，在喷射混凝土内预留窗口，并预埋吹砂管和注浆管。通过预留窗口向初期支护背后泵送C25混凝土，厚1.0m，形成护拱，然后采用混凝土干喷机通过吹砂管向护拱上部空洞吹砂的方法，将塌方空洞回填满，再通过注浆管对砂体注浆固结。
6、施工安全注意事项
（1）处理塌方时，现场领工员及安全员跟班作业，配备手电筒，站在作业人员旁边，随时观察围岩变化情况，一有异常，马上通知作业人员立即撤离施工现场。
（2）塌方处理时，施工人员必须在已完成的初期支护或棚架保护下进行作业，所有施工作业人员必须站在已完成初期支护或棚架的下方。
（3）棚架钢管内必须灌注水泥砂浆，使其具有足够的刚度及强度，能够抵御空洞内塌方掉块的冲击，两端连接（支撑）点必须牢固。
（4）塌方空洞范围外钉设的锚杆、环向钢筋及棚架钢管必须焊接形成一个整体。
六、塌方处理过后结构稳定性和安全性监测
为全面掌握隧道塌方段初期支护的受力情况，对结构的稳定性和安全性作出评估，塌方处理过后，在DK244+452位置设置了一个量测断面，对该段初期支护进行了监测。监测的项目主要为围岩拱顶下沉和周边水平位移和净空收敛变化，通过在一定时期内不间断地测设和分析计算围岩变形位移的变化情况，并与控制基准进行比较，来判别支护结构的稳定性和安全性。
监测断面测点的布置如图4所示，采用Leica反射膜片，粘贴在埋设于围岩内预埋件的钢板上，埋入围岩深度不小于20cm。采用全站仪无接触式测量、任意测站极坐标测量的方法，直接获取各监测点的三维空间坐标。监测频率为施工过后开挖面距量测断面0～1B（B0为隧道开挖宽度）时2次/1天；1～2B时1次/1天，2～5B时1次/3天。数据分析采用回归分析法，根据量测数据时态变化曲线，计算中采用对数模型分析绘制回归曲线，并预测最终值。DK244+452断面在一定时期内监测数据时态变化及回归分析。
图4 DK244+452断面监控量测测点布置示意图
从上图拱顶下沉及周边收敛时态变化可以看出，至2017年6月25日以后，水平收敛（拱脚附近）速度小于0.2mm/d，拱顶下沉速度小于0.15mm/d，围岩基本达到稳定。拱顶下沉及周边收敛回归分析最终预测值均为16mm，其拱顶下沉相对位移值（拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比）及拱脚水平相对净空变化位移值（两拱脚间净空水平变化值与其距离之比）分别为0.13%和0.11 %，依据《铁路隧道监控量测技术规程》第4.5.2～4.5.4条有关规定，与表4.5.2-2所示控制基准值比较，均满足表4.5.3有关规定，表明隧道在该位置塌方处理所实施的方案及技术措施切实可行，处理过后支护结构安全稳定，不存在任何施工隐患。
七、几点建议
东山隧道施工时在DK244+452位置出现的掌子面正面塌方，尽管没有造成人员伤亡的重大事故，但在塌方处理上所发生的直接成本达到十万元左右，因塌方处理造成的人员、机械停工所发生的间接成本尚未计算在内，损失十分巨大。通过此次塌方事故，我们得到的主要教训为认清了破碎松散软质岩地层岩性流变性高、自稳性差、受施工干扰隧道易塌方的特点，施工时必须稳扎稳打，不可盲目掘进，否则若发生因隧道塌方造成人员、机械伤害的重、特大安全质量事故情况，后果将是十分严重的，应当以此为戒，警钟长鸣。由于我单位在新建哈牡铁路管区还有几座隧道穿越地层地质条件与此类似，在吸取教训的基础上，针对此类地层工程地质特点，结合该隧道此次塌方情况的原因分析及处理方法，总结归纳出以下几点隧道在此类地层中施工时应采取的技术要求及技术措施，为今后隧道施工提供借鉴和参考。
1、超前预注浆加固地层。主要采用小导管超前预注浆的方法实现，小导管布设于隧道拱部120°～140°范围内，长4.0～6.0m，环向布置间距30～40cm。通过小导管对掌子面前方待开挖岩体压注纯水泥浆或水泥—水玻璃双液浆，使隧道拱部开挖轮廓线周边破碎松散软质岩岩体固结，改变了洞室周边岩体的c、μ、E、φ值，抑制了围岩的流变性，提高了围岩自身承载力和自稳能力。超前预注浆加固地层是破碎松散软质岩地层隧道施工必不可少的重要环节。
2、正确选择开挖施工方法，尽量缩小开挖断面尺寸。隧道开挖最好选择三台阶预留核心土法，其中上台阶的高度控制2.5m～3.5m左右，在满足施工机械能够正常作业的情况下，尽量使围岩在隧道开挖暴露后所产生的自重荷载降到最小值。隧道开挖时宜采用短台阶或超短台阶施工，严禁采用长台阶或超长台阶施工，以便隧道开挖洞室初期支护早日闭合成环，增加开挖洞室的稳定性。
3、尽量降低开挖爆破对围岩的扰动。由于此类地层围岩破碎松散，尽量采用挖掘机进行开挖。在无法使用挖掘机施工的情况下，爆破采取密布眼、少装药的措施，为降低爆破震动对围岩的扰动，周边眼可采用小直径药卷装药、间隔装药结构、导爆索起爆的方式。
4、严格控制每循环开挖进尺长度。上台阶每循环开挖进尺不大于1榀钢架间距；边墙每循环开挖进尺均不得大于2榀钢架间距。仰拱开挖每循环进尺不得大于3m，且开挖前必须完成钢架锁脚锚管（杆）。
5、在初期支护未施作前，必须立即对开挖面进行封闭。隧道开挖后，立即在开挖轮廓面周边初喷一层厚约5cm混凝土进行封闭，如果岩体特别破碎松散，自稳能力很差，掌子面正面也必须喷射一层混凝土进行封闭，以增加其稳定性和超前注浆加固效果。
6、尽量缩短隧道开挖与初期支护施作之间的间隔时间。隧道开挖结束，找顶处理完毕，以及施作完初喷混凝土之后，立即进行后续初期支护施工，若因其它施工因素耽搁，造成隧道开挖与初期支护时间间隔，其间隔时间不超过3小时。
参考文献：
《中国隧道及地下工程修建技术》 王梦恕等著 人民交通出版社
论文作者:田暾
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/24
标签：隧道论文; 棚架论文; 围岩论文; 地层论文; 拱顶论文; 初期论文; 空洞论文; 《防护工程》2018年第12期论文;