武文秀，李余生，田彩霞

（成都理工大學地球科學學院，成都 610059）

1 引言

在青藏高原地區(qū)，由于海拔高，冰凍期長，路面結冰嚴重影響交通安全，為繞避冰雪路段需要在渾厚的山體中修建長大隧道。在公路隧道施工過程中很容易引起塌方，不僅會造成重大的經濟損失，而且還會嚴重影響施工安全和施工進度。導致隧道塌方的一個主要原因是隧道屬于地下隱蔽性工程，在巖體中開挖隧道，由于原來的受力結構平衡體系受到破壞，引起了圍巖的應力重分布［1－2]。隧道塌方往往出現在圍巖的地質條件較差地段，因此，若處理不當，會給后期留下諸多安全隱患而且處理難度極大，所以一旦遇到隧道塌方，必須采取合理措施處理，杜絕后患。國內在青藏高原高寒高海拔強風化變質砂巖地區(qū)對隧道塌方的處理與分析的研究少有提出，本文旨在闡明該類地區(qū)隧道塌方處理及其效果分析的方法，并提出個人的認識和體會，以供參考借鑒。

2 工程概況

隧址區(qū)地質情況：

國道318線東俄洛至海子山段公路改建工程某隧道位于甘孜州理塘縣境內，距理塘縣城約3 k m，根據設計，進洞里程樁號為K208＋424，出洞里程樁號為K211＋255，全長2 831 m。隧址區(qū)絕對高程4 092～4 333 m，高差約241 m，屬于高海拔高寒山區(qū)隧道。工程區(qū)屬川西高原高山區(qū)，橫斷山脈中段的大雪山脈與沙魯里山脈之間，屬于構造侵蝕高山地貌，地勢起伏較大。隧址區(qū)鄰近甘孜－理塘斷裂帶，隧道出口端距斷裂最近距離約2 k m，該段動力變質作用較強，巖層次級褶皺發(fā)育，地層產狀變化較大，隧址區(qū)巖層總體產狀為104°～170°∠66°～71°。

3 塌方段地質特征與塌方情況

3.1 塌方段工程地質與水文地質條件

塌方段隧道設計高程為4 101.00 m，地表高程為4 154.51 m，隧道埋深為53.51 m。隧址具體構造部位位于松潘－甘孜地槽褶皺系雅江冒地槽褶皺帶婁隆背斜范圍內，隧道軸線穿越婁隆背斜。塌方處隧道掌子面幾乎全部為變質砂巖，僅有少量泥質板巖夾層出現。由于巖體處于斷裂帶邊緣，次級褶皺發(fā)育，地質活動頻繁，裂隙極為發(fā)育，有利于地下水的侵蝕，加之在高寒高海拔地區(qū)，以凍結風化為主，造成巖體破碎，變質砂巖風化強烈。

基巖裂隙水為本段最重要的地下水類型，分布廣泛，主要為構造裂隙水，其富水程度與巖性密切相關，板巖和砂巖的強風化層，裂隙較發(fā)育，與地表殘坡積層水力聯系緊密，裂隙水發(fā)育且相對豐富，而中－微風化板巖，巖體完整性好，少見地下水活動的痕跡，構成相對隔水層。中－微風化的砂巖相對而言屬脆性巖體，其裂隙張開度較好，裂隙面浸染痕跡顯著，地下水貯藏較為豐富。基巖裂隙水主要賦存在基巖的裂隙中，受大氣降水和松散層孔隙水下滲補給，變質砂巖的透水性較好，工程區(qū)內巖層揉皺強烈，裂隙發(fā)育，故該類地下水量較豐富。

3.2 塌方情況及其原因

隧道掘進到里程為K211＋005處，掌子面開始出現不穩(wěn)定狀態(tài)，偶爾有較大石塊滑落，當隧道掘進到里程為K211＋000時，突然從拱頂出現連續(xù)性塌方，已建好的初期支護里程為K211＋003.5，塌方縱向約3～3.5 m橫向自進洞左側55°至右側36°范圍，坍腔高度約4.83 m（圖1，圖2）。

圖1 K211＋000塌方處橫斷面圖Fig.1 Cross section of the collapse at K211＋000

圖2 K211＋000塌方處縱斷面圖Fig.2 Longitudinal section of the collapse at K211＋000

掌子面為嚴重風化變質砂巖，受地下水浸泡影響巖石呈砂土狀用手可輕易掰碎（圖3）。根據《工程巖體分級標準》的定性判斷掌子面巖體應屬于V級圍巖［3]。

圖3 K211＋000掌子面地質素描Fig.3 Geology of the working face at K211＋000

根據前期超前地質預報，推斷在里程K211＋004～K210＋993范圍內圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，且掌子面正前方存在較豐富的地下水。由此可知，隧道拱頂強風化變質砂巖在受到地下水侵蝕的影響和自身重力作用下產生坍落是隧道塌方的主要因素。在塌方前期施工時，隧道掌子面沒有及時噴射混凝土封閉掌子面，使地下水不斷的侵蝕掌子面；而鋼拱架和錨桿沒有跟進到掌子面前，存在空頂現象，造成軟巖在無支撐的情況下進一步松動、坍落進而形成惡性循環(huán)。因此，圍巖失穩(wěn)前支護結構不能提供及時有效的支護是造成塌方的促成因素［4]。

4 塌方處理方法

由超前地質預報提供的塌方處掌子面附近的地質信息為在里程K211＋004～K210＋993范圍內圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，且掌子面正前方存在較豐富的地下水。塌方發(fā)生后，經過現場勘察后提出隧道采用工字鋼架＋錨桿＋掛網噴射20 cm厚C20混凝土的支護體系，并對掌子面軟巖增加輔助超前支護手段即超前小導管注漿［5－7]。為防止后續(xù)的塌方，初步提出利用鋼拱架支撐結合超前小導管預注漿法和長大管棚超前支護兩種處理方法，兩種處理方案的優(yōu)缺點如表1所示［8－9]。

表1 超前小導管注漿法和長大管棚法方案優(yōu)缺點比較Table 1 Advanced s mall pipe grouting vs.long and large pipe shedding

長期以來，在處理隧道塌方實踐中，總結出“治坍先治水，治坍先加強，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為贏”的原則。為了防止塌方繼續(xù)發(fā)展，影響已施做初期支護段，確保施工人員的安全，首先在K211＋003.5～K211＋008.5段初期支護內側設置臨時鋼拱架，鋼架型號為118型鋼鋼架＠80 cm，共設置6榀；其次封閉坍腔壁，在塌腔壁噴射一層C20混凝土，厚10 cm；然后搭設臨時腳手架采用方木支撐坍腔面，同時對坍腔進行錨桿、掛網噴漿支護，保證坍腔壁穩(wěn)定。再從K211＋003.5起，架設I18型鋼鋼架，鋼架間距50 cm，鋼架間設φ22連接筋＠100 cm，每榀鋼架設置8根長3.5 m的鎖腳錨桿，共設置8榀型鋼鋼架，同時用錨桿錨固然后布設φ8鋼筋網＠20×20 cm，噴射混凝土厚24 cm，坍腔位置初期支護上預埋長度3.5 m的3根200鋼管，泵送C20混凝土至拱頂上方2.0 m，并同時預埋3根φ50排氣鋼管（兼作排水管，該排氣管高度應高于混凝土頂面至少10 cm，以免被堵塞），施做防水工程時，該排水管用50 HDPE單壁無孔波紋管直接引排至邊墻背后縱向排水盲管。待該段二次襯砌施做完畢后，再通過200鋼管泵送1 m厚的混凝土，設置緩沖層，防止上部繼續(xù)掉石塊影響結構物。

5 隧道塌方區(qū)處理效果分析

當前國內公路隧道絕大多數采用新奧法施工，隧道監(jiān)控量測是新奧法施工中的重要組成部分。監(jiān)控量測結果不僅可以用來指導隧道動態(tài)施工，同時也可以用來檢測塌方區(qū)的加固效果［10]。為保證隧道施工安全和圍巖穩(wěn)定，新奧法監(jiān)控量測工作的目的主要是利用量測結果修改設計，指導施工，對量測數據進行分析處理與必要的計算和判斷后，作出預測與反饋［11]。為觀察塌方處理效果，及時掌握隧道塌方處初期支護的收斂位移變化，在塌方處布設兩個監(jiān)測斷面分別是K211＋003和K211＋001，前半月每天監(jiān)測兩次，以后每天監(jiān)測一次，共監(jiān)測60 d，分別量測隧道拱頂下沉量和洞周收斂位移值如圖4所示 （因只開挖了上臺階，故E、F、D測線未布置）。

圖4 隧道周邊位移和拱頂下沉測點布置Fig.4 Locations for measuring periphery displacement and vault settlement

圖5 K211＋003斷面累計收斂值時態(tài)曲線Fig.5 Constringency value variation with time for the section at K211＋003

圖6 K211＋003斷面累計拱頂下沉時態(tài)曲線Fig.6 Vault settlement variation with time for the section at K211＋003

圖5、圖6分別是K211＋003斷面的收斂位移和拱頂下沉量與時間的關系曲線，通過量測結果可知隧道的收斂位移值最大值為37 mm，拱頂下沉量為37 mm，因塌方段隧道設計Ⅴ襯砌，預留變形量為120 mm，根據三級位移管理（表2）［12]，U1＝37 mm，U0＝120 mm，U0＜U1／3，可得出在 K211＋003處即可正常施工，這表明加固后該斷面圍巖是穩(wěn)定的。同理，可得出K211＋000.5斷面處收斂位移值最大值為36 mm，拱頂下沉量為34 mm，即U2＝36 mm，U0＜U2／3，可得出在該斷面處圍巖是穩(wěn)定的（圖7，圖8）。因此，該塌方處圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 K211＋000.5斷面累計收斂值時態(tài)曲線Fig.7 Cumulative constringency value variation with time for the section at K211＋000.5

圖8 K211＋000.5斷面累計拱頂下沉時態(tài)曲線Fig.8 Vault settlement variation with time for the section at K211＋000.5

表2 位移管理等級Table 2 Levels of displacement control

6 防止塌方規(guī)模擴大的體會

（1）加強現場監(jiān)控量測。根據量測得到的數據，進行反饋分析，特別是結構變形速率和結構受力變化情況的分析，及時調整支護參數［13－14]。

（2）禁止在沒有有效加固圍巖前運走塌落物。當圍巖失穩(wěn)后，就容易造成塌方，塌方的規(guī)模跟圍巖失穩(wěn)的規(guī)模關系密切，一旦出現塌方，塌落物將堆積在掌子面周圍，此時塌落物的堆積體能對掌子面甚至是拱頂失穩(wěn)但還沒有塌落的巖體形成有效支撐，阻止塌方進一步擴大。

（3）及時對坍腔壁進行支撐并封閉坍腔壁。有的塌方發(fā)生后，坍腔壁并沒有形成自然拱，即使形成自然拱仍然有再次失穩(wěn)，出現二次塌方。這時，在發(fā)生塌方后及時支撐坍腔壁能有效控制圍巖再次失穩(wěn)，如用方木、鋼管或者錨桿頂住坍腔壁。

（4）封閉坍腔壁并注意排水。對坍腔壁噴射混凝土，形成對坍腔壁的封閉，減弱地下水對坍腔壁的侵蝕，為處理塌方贏得時間。若地下水涌水量較大，則需在坍腔壁裂隙中安插排水管，防止水壓力過大，對軟弱巖層的浸泡，形成更大規(guī)模的塌方。

7 結論

（1）通過利用鋼支撐并結合小導管注漿來處理自穩(wěn)能力差而又較破碎圍巖塌方是有效的。為防止因坍腔未充填密實可能出現的圍巖對初期支護沖擊，坍腔充填密實尤其重要。

（2）加強對塌方處初期支護的監(jiān)控量測，尤其是隧道洞周收斂位移和拱頂下沉以及鋼支撐應力的監(jiān)測，及時分析結構受力情況，及時反饋塌方處圍巖穩(wěn)定性情況。

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