吳雙良

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350004）

1 工程概況

某隧道工程所在地地質(zhì)條件復(fù)雜，在6月份施工中出現(xiàn)了持續(xù)掉塊現(xiàn)象，施工單位停止了掘進(jìn)施工，并做好掌子面的噴漿封閉。一周后，施工單位在該隧道的進(jìn)口處使用挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，開展下臺(tái)階出渣作業(yè)。整個(gè)作業(yè)過程中也伴隨著掉塊，同時(shí)洞內(nèi)出現(xiàn)了塌方涌水，危及現(xiàn)場施工人員。施工單位出于安全考慮，及時(shí)撤離了所有工作人員。由于塌方涌水，施工單位沒能及時(shí)用格柵、拱架進(jìn)行支護(hù)，倉促撤退中導(dǎo)致了安全隱患的持續(xù)。此次隧道塌方全長8.5m，造成的后果極為嚴(yán)重，給施工單位帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)影響了施工工期。

2 事故成因分析

2.1 地質(zhì)因素

在隧道開挖過程中，地質(zhì)因素是導(dǎo)致復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道出現(xiàn)塌方涌水的關(guān)鍵因素之一。該隧址存在軟巖，也稱軟弱圍巖。軟巖由于受到風(fēng)化侵蝕比較嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，孔隙較疏松。部分圍巖開挖之后，剩下的圍巖將失去支撐力，使得巖土向洞身的方向施加壓力，從而容易導(dǎo)致軟巖出現(xiàn)變形。特別是當(dāng)支撐隧道洞身的位置發(fā)生變化，將會(huì)形成臨空洞壁，從而導(dǎo)致圍巖自身應(yīng)力改變，并且向隧道洞身方向發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致隧道塌方。

2.2 地下水和地表水因素

這一段隧道位于兩座高山之間，處于一個(gè)溝谷中，常年受到雨水沖刷，整體已形成流水沖溝，巖體質(zhì)量較差，再加上6 月是雨季，該區(qū)域非常容易出現(xiàn)滲水，這就造成很多圍巖出現(xiàn)了裂隙，給施工增加了很大的難度。

2.3 設(shè)計(jì)因素

在公路隧道的設(shè)計(jì)階段，對(duì)于地質(zhì)情況的勘探至關(guān)重要，這直接關(guān)系到復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道的施工工藝和施工方法。科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案可以有效避免隧道涌水塌方的出現(xiàn)。但是由于復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道圍巖類型較多，深層圍巖特性存在差異，因此，在施工的過程中，可能存在圍巖特性與設(shè)計(jì)圖紙存在差異的情況。甚至由于勘察設(shè)計(jì)工作不到位或受地質(zhì)條件影響而沒有發(fā)現(xiàn)小型溶洞，從而導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)涌水引起隧道塌方。也可能勘察設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)了溶洞，但是對(duì)于溶洞大小以及可能出現(xiàn)的涌水量預(yù)估不足，涌水處理方案設(shè)計(jì)不合理，從而導(dǎo)致隧道施工過程中出現(xiàn)涌水塌方。因此，設(shè)計(jì)因素是導(dǎo)致復(fù)雜地質(zhì)條件下出現(xiàn)隧道塌方涌水的關(guān)鍵因素之一。需要細(xì)化設(shè)計(jì)方案，一旦施工過程中出現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)與設(shè)計(jì)不符的情況，應(yīng)及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

2.4 施工因素

公路隧道施工過程中，由于機(jī)械開挖或爆破會(huì)對(duì)巖土產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，從而使得巖土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使巖土出現(xiàn)失穩(wěn)。特別是有些公路隧道的軟巖存在塑性屈服等破壞狀態(tài)，應(yīng)力拱圈的半徑較大，會(huì)使得隧道初期支護(hù)的荷載較大。另外，在隧道開挖施工過程中，對(duì)圍巖變形的控制難度較大，通常會(huì)遵循先簡單、后復(fù)雜的開挖原則，但是在開挖過程中需要嚴(yán)格控制開挖流程，隨著開挖深度的增大，不確定因素也在增加，開挖難度相應(yīng)增大。一旦出現(xiàn)開挖封閉不及時(shí)等情況，將會(huì)導(dǎo)致軟巖受到水、空氣等因素影響，進(jìn)一步擴(kuò)大松動(dòng)圈，從而降低環(huán)狀支護(hù)的應(yīng)力。

2.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原因

公路隧道施工過程中若出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，相關(guān)部門應(yīng)對(duì)工程施工前的準(zhǔn)備工作進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，若發(fā)現(xiàn)是由于超前預(yù)報(bào)人員對(duì)現(xiàn)場的地質(zhì)情況調(diào)查不充分所導(dǎo)致，應(yīng)該追究相關(guān)人員的責(zé)任，重新對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行審核，修改施工方案。

3 隧道塌方涌水的特征及涌水量預(yù)測

3.1 隧道塌方涌水的特征

公路隧道塌方涌水中，含有密度較高的細(xì)小石英顆粒，涌水高峰期呈噴射狀，并且水壓較大，無渾濁。如果涌水出現(xiàn)的地方比較分散，還會(huì)形成空洞區(qū)，主要出現(xiàn)在隧洞的左側(cè)。在隧道中間拱狀部分還會(huì)出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。其中，隧道穿越含水層巖性及匯水面積如表1所示。

表1 隧道穿越含水層巖性及匯水面積

3.2 涌水量預(yù)測

采用大氣降水入滲系數(shù)法計(jì)算涌水量時(shí)，需要選擇合理的計(jì)算公式與參數(shù)。采用多年來最大降水量資料，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算能夠得出，該隧道的正常涌水量為9 752.41m3/d，最大涌水量為29 257.22m3/d。采用地下水徑流模數(shù)法計(jì)算時(shí)，研究人員需要結(jié)合該隧道工程軟弱圍巖的分布情況，選擇合理的計(jì)算參數(shù)，并做好相應(yīng)的預(yù)測工作。采用地下水徑流模數(shù)法計(jì)算得出，該隧道工程中的正常涌水量為6 367.90m3/d，最大涌水量為19 103.69 m3/d。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 隧道穿越含水層水文參數(shù)及涌水量預(yù)測

當(dāng)時(shí)主要為多雨天氣，因此，采用大氣降水入滲法計(jì)算能夠有效保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道塌方涌水處理技術(shù)

復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道塌方涌水處理中，關(guān)鍵是做好塌方注漿。注漿施工工藝流程如圖1所示。同時(shí)，還需要重點(diǎn)掌握加固掌子面技術(shù)、小導(dǎo)管注漿技術(shù)、洞口大管棚施工技術(shù)、短進(jìn)尺施工技術(shù)、控制拱腳下沉技術(shù)等，從而有效確保隧道塌方涌水處理效果。

圖1 隧道塌方涌水注漿施工工藝流程

4.1 加固掌子面技術(shù)

對(duì)掌子面表層發(fā)生涌水的裂縫進(jìn)行封堵。對(duì)下臺(tái)階和掌子面裂縫進(jìn)行封堵后，埋設(shè)注漿導(dǎo)管。對(duì)于下臺(tái)階，應(yīng)該將注漿導(dǎo)管埋設(shè)到隧道拱底以下，并且采用棉紗封堵管口，確保下臺(tái)階開挖的穩(wěn)定性。對(duì)于掌子面的固定，應(yīng)該將注漿管伸入掌子面的表面，采用10cm 厚的混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，采用角撐架對(duì)掌子面進(jìn)行固定，從而確保巖體的穩(wěn)定性。

4.2 小導(dǎo)管注漿技術(shù)

小導(dǎo)管注漿是隧道塌方涌水治理的關(guān)鍵施工工序。采用多臺(tái)鉆機(jī)對(duì)隧道巖土進(jìn)行鉆孔，插入小導(dǎo)管后，進(jìn)行注漿操作，確保巖土的穩(wěn)定。特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下，通常借用注漿壓力將帶有圍巖膠的漿體滲透到碎石裂縫中，使得碎石黏結(jié)在一起，從而增加巖土的穩(wěn)定性。采用小導(dǎo)管注漿技術(shù)會(huì)在隧道支護(hù)圍巖中形成一層加固帶，從而減小了巖土的滲水系數(shù)，減少了地下水對(duì)圍巖的影響，增加了開挖巖土的穩(wěn)定性。

4.3 洞口大管棚施工技術(shù)

施工單位根據(jù)現(xiàn)場狀況做好洞口的大管棚支護(hù)。采用19 根15m 長的管道，間距為50cm，角度為1～3°，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整每一個(gè)管道的角度。由于洞口段覆蓋層淺，采用管棚技術(shù)可加強(qiáng)防護(hù)，用以加固和支護(hù)圍巖，確保安全進(jìn)洞和順利掘進(jìn)。管棚施工與注漿應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

4.3.1 大管棚的加工制作

大管棚加工需要重視每一個(gè)管道的尺寸，以更好地實(shí)現(xiàn)無縫加工。注漿孔的孔徑保持在10～16mm，孔的間距在150mm 左右，呈梅花形分布。要注意預(yù)留鉆孔的位置，鉆孔間距保持在150cm左右。大管棚用鋼管的構(gòu)造如圖2所示，鋼管的分布如圖3所示。

圖2 鋼管構(gòu)造圖

圖3 鋼管分布圖

4.3.2 鉆孔

鉆孔時(shí)注意使用測量儀器以保證測定的位置精準(zhǔn)。鉆孔過程中一旦發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)處理。

4.3.3 清孔及驗(yàn)孔

及時(shí)做好清孔工作，清除浮渣，使孔徑、孔深都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不出現(xiàn)堵孔的情況，并對(duì)鉆孔、清孔情況進(jìn)行驗(yàn)收。

4.3.4 管棚封焊

在管棚外側(cè)末端焊接鋼板，鋼板的尺寸應(yīng)符合施工設(shè)計(jì)要求。在鋼板中心鉆孔，同時(shí)焊接閥門。完成施工后需要立刻關(guān)閉閥門，以防止?jié){液外溢。

4.3.5 封孔注漿

通常來說，注漿順序?yàn)橄认潞笊希瑫r(shí)要注意跳孔注漿。工作人員可以同時(shí)灌注4個(gè)小導(dǎo)管，保證注漿材料與水泥漿的比例維持在1∶1。注意將水泥漿初壓壓力控制在0.5～1.0 MPa左右，終壓壓力控制在2MPa左右，整個(gè)過程持續(xù)15min。

4.4 短進(jìn)尺施工技術(shù)

在充填巖溶區(qū)施工完以后，應(yīng)采用數(shù)字鉆孔攝像或物探的方式對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)外形成腔體的充填情況進(jìn)行檢測。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)上堆積松散巖土體厚度在6m 以上，可通過水泥-水玻璃雙液漿注漿的方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)外6m 范圍內(nèi)的巖土體進(jìn)行加固處理，以提升其穩(wěn)定性和承載能力，并緩解后續(xù)垮塌巖土體沖擊隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。若支護(hù)結(jié)構(gòu)上堆積松散巖土體厚度在6m 以下，則按照由里到外的順序進(jìn)行雙液注漿加固層、泵填泡沫混凝土、吹填細(xì)砂或粉煤灰。

4.5 控制拱腳下沉技術(shù)

架設(shè)鋼拱架或格柵拱架后，在拱腳底部打入鎖腳錨桿，錨桿長度一般為3.5～4m，采用直徑為22m 的鋼筋或鋼管，角度分別為40°和70°。將鎖腳錨桿與鋼拱架或格柵拱架焊接牢固，再進(jìn)行隧道開挖。

5 結(jié)語

綜上所述，在復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道施工過程中，導(dǎo)致塌方涌水的因素很多，主要是地質(zhì)條件、地下水和地表水、設(shè)計(jì)、施工、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等方面的原因。若塌方涌水處理不及時(shí)，將會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道施工之前，應(yīng)該重點(diǎn)做好地質(zhì)勘察工作，對(duì)施工過程中可能出現(xiàn)的各種事故做好應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)問題，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處置，減少事故帶來的影響，確保施工安全和施工質(zhì)量。