劉文元 靳海娟 吳遠(yuǎn)鵬

(1.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000；2.渭南市瑞泉中學(xué)，陜西 渭南 714000； 3.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

公路隧道施工過程中，由于受勘察手段的制約，要準(zhǔn)確無誤地搞清隧道巖性和圍巖分類難度是很大的，隧道坍塌問題也成為困擾隧道工程施工的一大難題。其中一種事故為不良地質(zhì)隧道洞口段冒頂坍塌，影響大，處理難度大、時(shí)間長，易在地表造成二次事故。分析類似事故的發(fā)生原因，總結(jié)處理及預(yù)防方法是很有必要的。

預(yù)防隧道坍塌事故發(fā)生，需要在隧道的地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)、監(jiān)控測量、現(xiàn)場管理、安全監(jiān)管等方面采用一系列的措施，對隧道工程中可能發(fā)生的相關(guān)問題都要引起高度的重視。

1 工程概況

某水電站為大渡河干流規(guī)劃的第6個(gè)梯級電站，8號公路為石家溝料場塊石料運(yùn)輸?shù)缆贰?號路隧道入口位于德勝臺地，出口位于石家溝料場下游，隧道設(shè)計(jì)起點(diǎn) K0+681.335，終點(diǎn) K2+406.28長度1 724.945 m。設(shè)計(jì)速度20 km/h,水電場內(nèi)三級道路，設(shè)計(jì)荷載公路Ⅱ級，采用雙向行車道寬度為8.0 m，道路限高4.5 m，隧道內(nèi)輪廓斷面為城門洞型式。

2020年7月11日，8-2號隧道施工開挖至掌子面樁號為K0+707.4 m，圍巖類別為Ⅴ類，隧道埋深17.8 m時(shí)，發(fā)生塌方冒頂。首先掌子面出現(xiàn)掉塊，而后拱頂腰部左側(cè)和右側(cè)開始大面積掉碴，拱頂開始掉碴(從已經(jīng)施工完成的小導(dǎo)管之間掉落)，核心擋土也開始滑落，之后塌落導(dǎo)致拱頂和拱部小導(dǎo)管脫落，洞外洞頂開始塌陷，洞內(nèi)徹底被塌方石渣掩埋。持續(xù)時(shí)間12 min。塌方在隧道頂部地表形成約10 m(隧道軸向)×8 m(橫向)的坑洞。隧道洞內(nèi)頂部垮塌長度沿軸向約3 m，垮塌堆積體約600 m，見圖1，圖2。

2 坍塌原因分析

1)不良地質(zhì)影響。該段巖性為薄層狀變質(zhì)細(xì)砂巖和炭質(zhì)千枚巖互層，巖體傾倒變形劇烈，巖體破碎，全風(fēng)化巖體，圍巖類別為Ⅴ類，表層堆積有崩坡積塊碎石土，巖體屬弱風(fēng)化上帶，穩(wěn)定性差。

2)地下水影響。塌方發(fā)生時(shí)正值雨季，地表水豐富且沿破碎巖縫、節(jié)理裂隙中滲流。松散巖體受滲水作用迅速軟化，巖體抗剪強(qiáng)度大大降低，巖石為全風(fēng)化巖層，雨季含水量增大，不能支撐上部巖體重量從而導(dǎo)致隧道發(fā)生重力坍塌。

3)施工因素。因巖層十分破碎，自穩(wěn)性差，開挖都是利用反鏟短進(jìn)尺，未進(jìn)行任何爆破，因此不存在對圍巖有較大的擾動(dòng)。施工采用預(yù)留核心土開挖方法，核心土預(yù)留尺寸不夠，軸向長度不足2 m，未起到穩(wěn)定掌子面的作用，才會(huì)隨著掌子面失穩(wěn)一起坍塌。超前支護(hù)設(shè)計(jì)采用小導(dǎo)管注漿，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，垮塌體沒有和水泥漿液形成膠結(jié)體，反映出施工注漿不嚴(yán)，技術(shù)參數(shù)控制不到位。

3 處理方案

方案內(nèi)容主要為截水溝、管棚、鋼拱架及噴護(hù)、混凝土襯砌、系統(tǒng)錨桿、素土回填等。方案施工工序如下：

1)截水溝。在距隧道頂部地表坑洞上部約5 m處設(shè)置一道臨時(shí)截水溝，截水溝尺寸30 cm×30 cm，采用C20混凝土澆筑，壁厚15 cm。

2)對洞內(nèi)垮塌堆積體表面進(jìn)行C20混凝土噴混封閉，噴混厚20 cm。

3)管棚：根據(jù)塌方情況隧道樁號K0+706 m處頂部150°范圍內(nèi)布設(shè)管棚。a.超前大管棚采用φ108 mm×8 mm熱軋無縫鋼管，單根鋼管長度為1.5 m～3 m，單根管棚12 m。b.鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣螺紋段長度6.5 cm絲扣連接，相鄰鋼管接頭錯(cuò)開1 m以上，隧道縱向同一截面內(nèi)接頭數(shù)不大于50%。c.鋼花管上鉆注漿孔，孔徑12 mm，孔徑距20 cm，呈梅花形布置，鋼管尾部(孔底段)1.5 m不鉆花孔作為止?jié){段。d.管距：環(huán)向間距35 cm。e.超前大管棚施工時(shí)，鉆孔外偏角為10°，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。f.注漿材料：水泥砂漿，水灰比為0.5∶1。全孔一次性注漿，注漿初壓為0.5 MPa～1 MPa，終壓為1.5 MPa。

4)注漿完畢24 h后進(jìn)行堆渣清除及開挖作業(yè)，單循環(huán)進(jìn)尺控制在50 cm～80 cm。

5)鋼拱架：Ⅰ18工字鋼布設(shè)間距調(diào)整為50 cm，取消管棚段φ42超前小導(dǎo)管(L=4.5 m)。鋼拱架采用Ⅰ18工字鋼，布設(shè)間距50 cm。在安裝鋼拱架前，對掌子面及拱頂素噴10 cm厚C20混凝土進(jìn)行封閉處理，減少作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

6)系統(tǒng)錨桿：K0+684.335～K0+725段圍巖為Ⅴ級圍巖，系統(tǒng)錨桿采用φ22@3 m×1.5 m，L=3 m及φ28@3 m×1.5 m，L=6 m砂漿錨桿。經(jīng)調(diào)整系統(tǒng)錨桿由原砂漿錨桿調(diào)整為自進(jìn)式錨桿，長度及錨桿直徑不變。

7)混凝土襯砌：為了確保洞口段已施工洞身的穩(wěn)定，要求及時(shí)實(shí)施洞口段二次襯砌混凝土，混凝土襯砌厚度30 cm，襯砌范圍K0+681.335～K0+706共24.665 m。

8)素土回填：洞內(nèi)掌子面穩(wěn)定、進(jìn)尺正常后，地表坑洞采用素土回填并人工稍作夯實(shí)，并高于原地面一定高度，防止汛期雨水滲入塌腔不利于穩(wěn)定。

9)監(jiān)控量測：在坑洞附近布置4個(gè)監(jiān)測樁，對地表及10 kV電線桿進(jìn)行沉降監(jiān)測；在洞內(nèi)每隔5 m一個(gè)斷面分別在拱頂、兩側(cè)邊墻布設(shè)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測拱頂位移及水平收斂情況。

4 預(yù)防措施

坍塌冒頂事故會(huì)對隧道工程建設(shè)造成巨大的影響，嚴(yán)重影響工期增加投資，因此在隧道施工當(dāng)中必須認(rèn)真做好坍塌冒頂事故的預(yù)防工作，結(jié)合施工中存在的問題，在施工過程中可以從以下幾個(gè)方面做好預(yù)防工作:

1)設(shè)計(jì)方案應(yīng)保證可靠性。路線方案的確定應(yīng)該在充分的地質(zhì)地形資料分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在保證道路線型指標(biāo)的前提下，選擇合適的進(jìn)洞點(diǎn)。初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該對進(jìn)洞點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查，勘明地質(zhì)巖性和隱患缺陷，調(diào)查隧道附近地表的構(gòu)筑物及其受影響情況。8號路初擬方案現(xiàn)場定測后，隧道進(jìn)口頂部有兩個(gè)高壓線桿，且邊坡巖性為崩坡積碎石土完整性差，經(jīng)調(diào)整，將隧道洞口位置向大渡河下游方向平移50 m，邊坡基巖出露，避開高壓線桿及不良地質(zhì)，在設(shè)計(jì)的角度保證了方案實(shí)施的可行性。

2)做好洞頂?shù)乇淼呐潘?。地下水影響是隧道坍塌冒頂?shù)囊粋€(gè)重要因素，隧道施工過程中要注意地下水的控制。洞內(nèi)設(shè)置完善的排水設(shè)施，有利于洞室圍巖和初期支護(hù)的穩(wěn)定，有利于洞室開挖和出渣，確保施工安全和運(yùn)行安全。洞內(nèi)主要通過預(yù)埋盲管，設(shè)置縱向排水溝，防水層等措施排水。同時(shí)，應(yīng)完善地表的排水措施，避免地表積水和大量雨水沿洞頂?shù)亓芽p下滲，短時(shí)間內(nèi)大量地下水的涌入，導(dǎo)致圍巖松軟，內(nèi)摩擦角和抗剪切強(qiáng)度減小，易造成圍巖失穩(wěn)，進(jìn)而坍塌或冒頂。洞頂?shù)乇碇饕ㄟ^截水溝進(jìn)行排水，確保坡面的雨水能順利排出。

3)控制各環(huán)節(jié)施工質(zhì)量。新奧法施工過程中，嚴(yán)格控制施工工序、按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行開挖支護(hù)施工是預(yù)防事故發(fā)生的關(guān)鍵。不良地質(zhì)施工時(shí)需要實(shí)施超前支護(hù)措施，如超前錨桿、注漿小導(dǎo)管、大管棚等。注漿錨桿可以將松軟巖體進(jìn)行串聯(lián)，鋼管具有一定的剛度，一端搭在拱架上，一端打入巖體中，可以承受松軟巖體的豎向自重應(yīng)力，以上措施均可提高巖體的完整性和抗剪切能力。小導(dǎo)管和管棚可以向開挖掌子面前方巖體中注入水泥漿液，注漿的質(zhì)量控制是超前支護(hù)的關(guān)鍵，水泥漿液將掌子面前方一定范圍的松軟巖體膠結(jié)成一個(gè)整體，洞室開挖時(shí)圍巖穩(wěn)定性增加，大大減小坍塌發(fā)生的幾率。針對不同的巖體應(yīng)設(shè)置不同的施工參數(shù)，漿液配比、注漿壓力、注漿時(shí)間等均應(yīng)嚴(yán)格控制。

根據(jù)地質(zhì)情況選用合適的施工工藝，不良地質(zhì)條件下公路隧道，一般采用臺階法、預(yù)留核心土法或中隔壁法進(jìn)行施工。工法的參數(shù)應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范要求來擬定：臺階法應(yīng)使上下臺階的長度滿足規(guī)范要求，預(yù)留核心土工法中核心土的尺寸及周邊開挖順序應(yīng)符合要求。不良地質(zhì)段單循環(huán)進(jìn)尺一般為1.5 m～2 m。初期支護(hù)施工完成后，應(yīng)待變形基本穩(wěn)定后，及時(shí)施作二襯。8號路隧道冒頂事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，施工單位采用預(yù)留核心土工法施工，但核心土的尺寸較小，加之土體松軟，核心土受到影響很容易坍塌，掌子面兩側(cè)開挖時(shí)，未對稱均勻開挖，導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，工法失效。

洞室開挖成型至二次襯砌完成前，應(yīng)該加強(qiáng)成型洞室的監(jiān)控量測。監(jiān)測洞頂?shù)乇淼某两?，洞?nèi)洞周的收斂、洞頂沉降等。密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，用以指導(dǎo)后續(xù)隧道的施工，確保施工和運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

隧道施工過程中主要是要預(yù)防隧道坍塌和冒頂?shù)仁鹿实某霈F(xiàn)，根據(jù)地質(zhì)資料，慎重設(shè)計(jì)路線方案，確定合適的隧道支護(hù)措施，對于軟弱圍巖路段，重點(diǎn)加強(qiáng)超前支護(hù)、注漿質(zhì)量、開挖、襯砌施工等關(guān)鍵工序的施工質(zhì)量，使施工質(zhì)量管理體系化，防范于未然，減少隧道坍塌等質(zhì)量事故的發(fā)生。