高東鵬

（中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610000）

1 工程概況

該文以新越西隧道作為研究案例，該隧道總長度設(shè)計(jì)為6218m，隧道進(jìn)洞部位的土層比較陡峭，且附近堆滿巖土，為了保障施工過程中的安全，施工單位對(duì)斷面結(jié)構(gòu)采取支護(hù)措施，使用8 根加固樁，由于施工場地有限，因此導(dǎo)致施工便道布設(shè)難度比較大，隧道進(jìn)洞口區(qū)域承擔(dān)著正洞部分的施工。該項(xiàng)目施工過程中的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在隧道通風(fēng)方面；隧道的出口附近的土層屬于是礫石土，土方開挖前需要設(shè)置φ60mm 旋噴樁對(duì)地層進(jìn)行加固，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。D2K309+673～D3K310+782 屬于救援站范圍，該部分的開挖斷面比較大，最大開挖斷面的跨度為19m，該區(qū)域使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法，施工過程中的難點(diǎn)主要是避免圍巖因失穩(wěn)而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

2 工程軟弱圍巖段的形成原因

隧道在開挖前是穩(wěn)定的，各點(diǎn)都處于三向應(yīng)力狀態(tài)。在上覆圍巖的自重作用下，初始應(yīng)力大小如公式（1）和公式（2）所示。

式中：σ為垂直應(yīng)力；為圍巖自重；為地表到單元體的垂直距離；σ、σ為側(cè)向應(yīng)力；為側(cè)壓力系數(shù)。

在隧道開挖前，圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，在同一水平面的各點(diǎn)應(yīng)力是相等的。由于洞室的開挖打破了隧道圍巖原有的平衡狀態(tài)，使隧道圍巖的應(yīng)力進(jìn)行重新分布。對(duì)硬巖，在隧道周邊圍巖會(huì)出現(xiàn)比原有應(yīng)力大的高應(yīng)力，而對(duì)軟巖隧道周邊圍巖則會(huì)出現(xiàn)比原有應(yīng)力小的低應(yīng)力，形成了高應(yīng)力區(qū)和低應(yīng)力區(qū)。工程軟弱圍巖段的形成原因有3 個(gè)：1）巖石本身的強(qiáng)度不是很高，基本上都是軟巖，軟巖的抗壓強(qiáng)度不會(huì)超過30MPa。2）巖體出現(xiàn)破碎化現(xiàn)象。通常情況下，巖石自身的結(jié)構(gòu)都比較堅(jiān)硬，且?guī)r石自身的強(qiáng)度也比較高，由于地層運(yùn)動(dòng)或是外部撞擊，可能會(huì)導(dǎo)致巖體出現(xiàn)裂縫、斷層現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度不斷的降低。3）巖體所處的環(huán)境比較差，例如巖體附近環(huán)境中存在流域、地應(yīng)力則有一定的可能性會(huì)出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

3 隧道塌方產(chǎn)生的原因

3.1 地質(zhì)因素

塌方是因隧道圍巖或是支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的承載能力匱乏促成的，導(dǎo)致隧道塌方出現(xiàn)的影響因素眾多，下面該文對(duì)各影響因素進(jìn)行簡單介紹：1）砂巖層相互之間黏結(jié)的能力降低。該項(xiàng)目內(nèi)的隧道區(qū)域內(nèi)屬于近水平成層的砂巖，這種類型的砂巖其實(shí)就是軟弱圍巖，水平成層的結(jié)構(gòu)對(duì)隧道頂部造成影響，促使拱部的穩(wěn)定性降低；此外，沿線巖體受風(fēng)化影響的程度存在一定的差異性，導(dǎo)致各個(gè)巖層結(jié)合狀況存在一定的差異，在隧道開挖以后，大量的應(yīng)力釋放出來，導(dǎo)致巖體變形，在長時(shí)間未進(jìn)行處理的情況出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。2）局部位置的埋設(shè)深度比較深，且上部屬于是地面單元段落，進(jìn)一步分析得出：當(dāng)埋設(shè)的深度過大時(shí)，那么地應(yīng)力在拱頂部位比較容易出現(xiàn)較大的應(yīng)力，這種應(yīng)力是水平方向的，圍巖自身的水平成層比較顯著，導(dǎo)致水平巖層在張拉應(yīng)力的影響下出現(xiàn)破壞，這種破壞會(huì)不斷向上延伸，最終導(dǎo)致塌方現(xiàn)象出現(xiàn)。3）開挖面低于河床，出水量大導(dǎo)致塌方。解決辦法是壓注法，指的是向地層中灌注注漿液，使土壤固結(jié)，以此降低地層的透水性，而且能增加地層的密實(shí)度。對(duì)壓注法的應(yīng)用原理和目的進(jìn)行分析，可以將其分為充填巖層裂隙的巖層壓注以及固化土質(zhì)地層為目的的地層壓注兩種。值得注意的是，將壓注止水法應(yīng)用于地下水控制中，雖然能夠起到很好的處理效果，但是很難達(dá)到完全止水的目的。

3.2 施工因素

爆破作業(yè)對(duì)巖層的震動(dòng)影響。在開挖爆破作業(yè)的過程中，爆破會(huì)導(dǎo)致震動(dòng)變大，促隧道拱部的巖石緩慢的剝落。進(jìn)一步來看，由于隧道前期設(shè)置的支護(hù)混凝土厚度不是很厚，在靠近掌子面附近的支護(hù)混凝土受爆破作業(yè)的影響非常大，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度上升速度減緩，且混凝土的整體性也會(huì)受到一定的影響。而后對(duì)達(dá)到拱頂部位進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，會(huì)再次對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)造成影響，同時(shí)隧洞拱頂部位的圍巖開始出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，逐步發(fā)展為坍塌事故。

4 軟弱圍巖段塌方處治技術(shù)

塌方路段的處理流程如下：塌方土體加固→大管棚施工→超前小導(dǎo)管灌漿→土方開挖、安裝支護(hù)→仰拱施工→混凝土施工。

4.1 加固塌方體

在處理塌方事故時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照先對(duì)后側(cè)進(jìn)行處理，然后再對(duì)前側(cè)進(jìn)行處理的基本原則。使用C25 混凝土對(duì)塌方面進(jìn)行噴漿處理，噴漿的厚度控制在25 cm 比較合適。噴漿的目的：①阻止塌方面進(jìn)一步蔓延。②對(duì)塌方面進(jìn)行封堵，避免落石傷人。③保證漿液不會(huì)順著縫隙溢出。

4.2 采用大管棚注漿做超前剛性支護(hù)

隧道拱部距離隧道中心線右側(cè)向左2m 處出現(xiàn)坍塌，可以使用φ108mm×6mm 鋼管作為超前大管棚，鋼管的數(shù)量設(shè)計(jì)為49 根，管棚的長度設(shè)計(jì)為30m。管棚頂進(jìn)完成以后，使用C30 水泥砂漿進(jìn)行灌注。

管棚施工工藝：因隧道必然會(huì)穿越塌方區(qū)域，圍巖處于破碎狀態(tài)，加之圍巖自身的穩(wěn)定性比較差，所以需要使用φ108mm×6m 長管棚超前支護(hù)，可以使用鋼管來提高支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與承載能力，降低坍塌事故出現(xiàn)的可能性。

4.3 超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)

大管棚注漿完成以后，且水泥砂漿的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求以后，在已經(jīng)施工完成的大管棚下側(cè)設(shè)置兩道超前小導(dǎo)管，兩道導(dǎo)管之間的間距控制在30cm，小導(dǎo)管的尺寸為φ50mm×4mm，單根導(dǎo)管的長度設(shè)計(jì)為4.5m。每根小導(dǎo)管向外的插角設(shè)計(jì)為30°，小導(dǎo)管以30cm 的間距進(jìn)行布設(shè)，與大管棚形成梅花狀，將導(dǎo)管的尾部與鋼拱架進(jìn)行連接，最后開始灌注水泥漿。灌漿采用間歇注漿法，間隔的時(shí)間設(shè)置為15min，注漿壓力設(shè)置為0.5MPa。

4.4 開挖、支護(hù)

塌方段的土方開挖作業(yè)與支護(hù)結(jié)構(gòu)施工均使用CRD 法展開作業(yè)，開挖斷面級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體情況可以參照?qǐng)D1。1）工，循環(huán)搭設(shè)的鋼架對(duì)隧道的內(nèi)壁與隔斷墻進(jìn)行施工，使用小導(dǎo)管作超前支護(hù)。2）對(duì)隧道左上側(cè)的土方進(jìn)行開挖，并對(duì)左上側(cè)的初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行施工，簡單而言就是，在隧道內(nèi)壁表面噴射4cm 厚的混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，搭設(shè)鋼架，構(gòu)筑隔斷墻，設(shè)置鎖腳錨桿，安裝隔斷板。3）預(yù)留一部分的空間，對(duì)隧道中間偏左部位的土方進(jìn)行開挖，對(duì)初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行施工，適當(dāng)?shù)难娱L隔斷墻的長度。結(jié)合施工現(xiàn)場的實(shí)際情況以及地質(zhì)條件決定是否需要設(shè)置臨時(shí)橫向支撐。4）繼續(xù)重復(fù)第二步、第三步工序，對(duì)隧道右上方、右中部位的土方進(jìn)行開挖，并對(duì)初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行施工。5）先暫停對(duì)右中部位施工，對(duì)左下側(cè)的土方進(jìn)行開挖，并對(duì)左下側(cè)部位的初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行施工，并砌筑隔斷墻。6）最后對(duì)右下側(cè)的土方進(jìn)行開挖，并對(duì)右下側(cè)部位的初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行施工。7）結(jié)合施工過程中的檢測數(shù)據(jù)來看，當(dāng)初期支護(hù)施工完成以后，將中隔斷板與橫隔斷板拆除，開始澆筑邊墻部位的混凝土。8）使用液壓模板臺(tái)車完成二次襯砌。9）施工過程中需要注意的事項(xiàng)：①土方開挖前，應(yīng)該結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙?zhí)崆斑M(jìn)行超前支護(hù)施工；②開挖斷面的深度控制在0.5m～0.75m；③土方開挖完成以后，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)施工，形成良好的閉環(huán)；④施工時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測隔斷墻部位的地基穩(wěn)定性；⑤加大對(duì)施工過程中的檢測力度，及時(shí)反饋有效信息，對(duì)支護(hù)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；⑥當(dāng)土方全部開挖完成、初期支護(hù)施工完成，且初期支護(hù)形成閉環(huán)以后，開始搭設(shè)臨時(shí)支護(hù)；⑦在中隔墻拆除的過程中，應(yīng)該保障施工人員的個(gè)人安全，先對(duì)仰拱進(jìn)行施工，再拆除中隔墻。

圖1 隧道CRD 法開挖示意圖

塌方路段的左側(cè)鋼架完全坍塌，施工人員先將左側(cè)鋼拱架恢復(fù)，確保左右兩幅鋼拱架相互對(duì)稱，然后開始噴射混凝土。左側(cè)使用混凝土進(jìn)行加固，右側(cè)使用拱架進(jìn)行支撐，初期支護(hù)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，而拱架則處于懸空狀態(tài)，使用工字鋼對(duì)懸空的支架進(jìn)行處理，在工字鋼下側(cè)設(shè)置1cm 厚的鋼板，鋼板使用螺栓進(jìn)行連接加固。

右側(cè)鋼拱架深入至二次襯砌斷面，所以在兩幅拱架之間鑿槽，將新拱架埋設(shè)在槽內(nèi)，額外的設(shè)置支撐，通過將新拱架與老拱架進(jìn)行連接，形成整體化的支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)前期開槽部位噴射混凝土，在混凝土中摻加早強(qiáng)劑，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以后拆除工字鋼架。當(dāng)初期支護(hù)施工完成以后，就可以開始對(duì)仰拱進(jìn)行施工，仰拱施工完成以后，對(duì)仰拱部位進(jìn)行回填，然后進(jìn)行二次襯砌，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.5 及時(shí)處理地下滲透出的水

當(dāng)高速鐵路隧道建設(shè)工程中的軟弱圍巖出現(xiàn)坍塌事故時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)隧道涌現(xiàn)大規(guī)模的地下水，導(dǎo)致地下水向下滲透的情況；也可能會(huì)出現(xiàn)地表水向下滲透，導(dǎo)致塌方事故出現(xiàn)。所以，應(yīng)該在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)涌現(xiàn)的地下水進(jìn)行處理，間接性避免出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。首先，利用專業(yè)設(shè)備來阻礙地表水向地下滲透，然后，利用排水管道將隧道內(nèi)的積水全部抽排至隧道以外，避免地表水向下滲透，導(dǎo)致軟弱圍巖遇水軟化，圍巖一旦遇水軟化，那么圍巖的強(qiáng)度會(huì)降低，從而出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

5 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測施工的具體流程可以參照?qǐng)D2。

圖2 隧道監(jiān)控量測施工工藝流程圖

5.1 監(jiān)測量測內(nèi)容、方法和儀器

監(jiān)控量測的內(nèi)容、方法和儀器如下：1）地質(zhì)和支護(hù)狀況信息的觀察。觀察施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件與水文條件，觀測開挖斷面附近的初期支護(hù)質(zhì)量，分析隧道、圍巖的穩(wěn)定性。施工人員對(duì)施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件進(jìn)行勘測?？睖y的具體內(nèi)容包括施工環(huán)境、初期支護(hù)。監(jiān)測設(shè)備為地質(zhì)羅盤儀。2）對(duì)隧道洞口區(qū)域、淺埋地段的沉降量進(jìn)行監(jiān)測。隧道拱頂部位覆土厚度比較薄。由于拱頂部位的覆土厚度比較薄，因此在實(shí)際是公測規(guī)則的表面爆破的效果不是很顯著，導(dǎo)致開挖斷面的輪廓線不規(guī)則，使局部巖體的應(yīng)力釋放受到影響，在應(yīng)力無法釋放的情況下，圍巖結(jié)構(gòu)必然會(huì)發(fā)生破壞，當(dāng)上部承載的荷載過大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致塌方現(xiàn)象出，所以必須要對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測設(shè)備為精密水準(zhǔn)儀等。3）拱頂下沉及收斂量測。對(duì)隧道拱頂部位的沉降量進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合圍巖的類型、隧道的幾何尺寸、埋設(shè)深度等內(nèi)容進(jìn)行分析，確定出隧道拱頂部位、邊墻部位的監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的間距控制在5m～10m。4）仰拱底部的監(jiān)測。圍巖開挖地段的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在仰拱的底部，監(jiān)測點(diǎn)的間距設(shè)置為5m，使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測。5）錨桿抗拔力量測。對(duì)錨桿的錨固效果與強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，每300 根抽檢3 根作為1 組，監(jiān)測的內(nèi)容為錨桿的拉拔力。6）錨桿軸力量測。錨桿軸力主要是用來監(jiān)測在不同施工狀況下錨桿的受力情況。通常情況下，軟土層準(zhǔn)備1～2 組進(jìn)行監(jiān)測即可，每組準(zhǔn)備5 根錨桿，監(jiān)測的項(xiàng)目為錨桿的軸力性能。7）圍巖壓力及支護(hù)拱架應(yīng)力量測。測量初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間所產(chǎn)生的相互作用力，監(jiān)測初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中拱架受力情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況是否合理的依據(jù)。在軟弱土區(qū)域內(nèi)布設(shè)1～2 個(gè)開挖斷面，每個(gè)開挖斷面上設(shè)置24 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，24 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)該對(duì)稱進(jìn)行布設(shè)。8）觀測隧道內(nèi)涌水量、涌水中的含泥量與含砂量。沿著隧道排水溝按照50m～200m 的間距設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測隧道內(nèi)部涌水量。為保證隧道內(nèi)部排水暢通，可以對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)行限量排水。定期監(jiān)測涌水中的含泥量與含沙量，在必要的情況下可以采取排堵措施，避免隧道內(nèi)的排水系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

5.2 監(jiān)測結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)收斂速度大于5mm/d 時(shí)，圍巖應(yīng)該是處于大幅度變化的狀態(tài)，所以需要對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。當(dāng)收斂速度小于5mm/d 時(shí)，則說明圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)。

提升初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，嚴(yán)格控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量。

對(duì)地基進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測的時(shí)間持續(xù)14d，在監(jiān)測完成以后，如果軟弱土層未達(dá)到穩(wěn)定性要求，那么則應(yīng)該采取加強(qiáng)處理措施。

監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析是建設(shè)項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理體系中的重中之重。監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理與分析：利用原始數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法，將監(jiān)測數(shù)據(jù)整理出來，利用數(shù)字特征剔除無效數(shù)據(jù)。

在對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選以后，結(jié)合時(shí)態(tài)散點(diǎn)示意圖對(duì)數(shù)據(jù)的分布狀況進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果構(gòu)建完善的集合函數(shù)，對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行回歸分析，計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)的位移量，對(duì)建筑物的安全性進(jìn)行估測，盡可能做到防患于未然。

制定監(jiān)測變化管理標(biāo)準(zhǔn)。將管理等級(jí)細(xì)分為3 個(gè)等級(jí)，等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以參照表1 中的信息。

表1 變形管理等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

6 結(jié)語

綜上所述，在高速鐵路軟弱圍巖施工時(shí)，出現(xiàn)塌方的可能性比較大，會(huì)影響高速鐵路的質(zhì)量，所以必須要對(duì)圍巖的狀況進(jìn)行監(jiān)測，避免出現(xiàn)塌方事故。在處理塌方事故時(shí)，應(yīng)按照先對(duì)后側(cè)進(jìn)行處理，然后再對(duì)前側(cè)進(jìn)行處理的基本原則，確保高速鐵路施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。