吳學智,代成良,劉慶舒,張 丹,黃 鵬

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130；2.華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司，西藏 拉薩 850000)

0 引言

我國基礎建設舉世矚目，公路、鐵路等隧道建設成就輝煌。在隧道建設過程中，發(fā)生過不少隧道塌方事故，但杜絕不了再塌方的悲劇。為了提高塌方處理的可操作性，防止小塌方變成大塌方，能及時安全有效地處治隧道塌方，有必要對隧道塌方安全處治技術進行系統(tǒng)研究。

近年，吳學智[1-2]采用自進式中空錨桿限量注漿的技術處理了塌渣塊石架空、小導管難以成孔、吃漿量大的超大型隧道塌方；劉智勇等[3]采用注漿小導管限量注漿處治了某關門式隧道大塌方；羅治國[4]對富水軟弱圍巖隧道塌方機理進行了研究；任和祥[5]對高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道塌方處治方案進行了研究；楊林[6]對淺埋大斷面公路隧道塌方處治措施及效果進行了分析；劇仲林[7]對“關門”塌方原因進行了力學分析；袁永才等[8]對山嶺隧道塌方風險評價理論與方法及工程應用進行了研究；肖東輝等[9]介紹了T76S自進式螺旋注漿管棚在隧道塌方治理中的應用，并對其支護效果進行了評價；關曉吉[10]采用可拓云模型的隧道塌方風險等級評價方法對隧道塌方的安全性進行了評價；呂擎峰[11]采用模糊層次和后果當量法對隧道塌方風險進行了評估；祁文睿等[12]研究了公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監(jiān)測技術；張曉今等[13]研究了淺埋山嶺隧道軟巖段的塌方原因及處治技術；王秋生等[14]對深埋大斷面隧道土石復合地層塌方機制及處置措施進行了評價；侯艷娟等[15]對隧道施工塌方事故分析與控制技術進行了研究；張毅[16]等對弱膨脹土地區(qū)隧道施工方法及塌方進行了研究；李志強[17]等對淺埋黏土層大跨度隧道施工技術與塌方風險進行了分析；李祝龍[18]等對波紋鋼管用作隧道逃生管道時的情況進行了模擬分析。

前人從工程實踐及理論方面對隧道塌方處理進行了較為深入的研究，但每處隧道塌方情況都不相同，處理方法均存在差異，目前缺乏一套系統(tǒng)、規(guī)范、安全、實用的隧道塌方處治技術。

為積極響應“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標。隨著具有高海拔、高地應力、軟巖大變形、巖爆、斷層破碎帶及涌水等不良地質條件的世界屋脊川藏鐵路及雅魯藏布江下游水電站等國家級大型工程項目的開工建設，為減少塌方或更好地處治塌方，本研究以王麻子隧道“關門式”大塌方為例，對創(chuàng)新的“三段四步法”隧道塌方安全處治技術進行系統(tǒng)的總結研究。

1 工程概況

1.1 工程概況

本隧道工程為四川省境內(nèi)某大型水電站庫區(qū)岸坡山體滑坡改線公路王麻子隧道，隧道起訖樁號K4+194～K6+522，隧道長2 328 m。隧道設計標準參考四級公路標準，隧道內(nèi)雙向行車道寬度2×3.0 m(不含兩側0.25 m路肩)。隧道建筑限界：7.0 m(寬)×4.5 m(高)(正洞段)；10.25 m(寬)×4.5 m(高)(緊急停車帶段)。

圖型襯砌斷面(單位:cm)

1.2 水文地質

隧道區(qū)無大型地表水體。隧道圍巖為奧陶系下統(tǒng)(01(S))黑色頁巖、泥質細砂巖，巖體呈微風化-新鮮，完整性較好，薄層-中厚層狀結構，巖層產(chǎn)狀為160°～180°∠30°～50°，巖層走向與隧道洞軸線呈小角度相交，巖層中傾，節(jié)理不發(fā)育，結構面呈閉合狀，該段地下水不豐富，以地表降雨補給基巖裂隙水為主，地下水呈滲水-滴水狀。

塌方段為節(jié)理裂隙較發(fā)育、呈塊體構造的Ⅳ2級(Ⅳ級偏差)圍巖，開挖時無水。隧道塌方段埋深200～203 m，地表為相對較平緩的自然斜坡。塌方后，塌方段呈淋雨狀裂隙水，無水壓，最大出水量3.8 m3/h。

1.3 原設計支護參數(shù)

2 隧道塌方及影響情況

2.1 塌方情況

隧道1#緊急停車帶(K4+775～K4+825段)，于2020年4月開始施工，2020年5月20日完成開挖及初期支護。實際圍巖級別與原設計相符。

表型襯砌支護參數(shù)表

2020年7月5日前，K4+800～K4+825段監(jiān)控量測值在規(guī)范范圍內(nèi)。2020年7月5日后，工程區(qū)連降暴雨，K4+800～K4+825段拱部初期支護噴混凝土出現(xiàn)局部開裂及滴水現(xiàn)象，拱頂偶有掉塊，拱頂沉降速率變大。7月20日—24日，K4+815拱頂沉降速率依次為： 10，11，12，30，50 mm·d-1。此處累計沉降量50 cm。塌方前5 d的位移-時間曲線見圖2、圖3。

圖2 隧道橫斷面監(jiān)測點位及編號

圖3 K4+815時間-位移曲線

2020年7月24日，隧道掌子面樁號K4+918。出現(xiàn)過大變形后，當天暫停施工，當晚10：00前撤出了洞內(nèi)所有施工人員和最大變形段與掌子面之間的機械設備。2020年7月25日凌晨2點左右，K4+800向大里程段拱頂塌方，大塌方后為間歇性小塌方及掉塊。

2020年7月28日，塌方基本趨于穩(wěn)定，偶有零星掉塊。塌渣基本填滿了塌方下部隧道，塌渣呈碎塊狀(直徑約0.1～0.5 m)。根據(jù)實際工程地質條件及施工情況，推測塌方段為K4+800～K4+825段，初步判斷：隧道拱部110°范圍內(nèi)塌方，塌方高度約3～8 m，塌方約1 500 m3。后續(xù)施工知，以上預測與實際相符。

2.2 塌方影響情況

塌方后，K4+775～K4+790段拱頂局部出現(xiàn)縱向裂縫及大面積噴混凝土脫落情況。K4+790～K4+800段，隧道右拱部存在一條順線路向的貫通性縱向張開裂縫，噴混凝土開裂，局部剝落。裂縫處，初支鋼架出現(xiàn)明顯的內(nèi)擠扭性剪切變形，本塌方影響段潛在垮塌的高風險。

不可見塌方影響段是與緊急停車帶緊鄰的正常斷面，推測最少為10 m，實際為15 m，即K4+825～K4+840段。

3 施工情況

現(xiàn)場按原設計支護參數(shù)施工，具體支護參數(shù)見圖1及表1。

采用大斷面(寬12.85 m，高8.04 m)，大進尺(2～2.5 m/循環(huán))開挖，暫未開挖仰拱。開挖后及時進行了鋼架及噴混凝土初支工作，初支緊跟掌子面，但隧道拱頂大量超挖沒有噴混凝土及泵送混凝土回填密實，超挖脫空的腔面無任何有效支護。

塌方后，在K4+780拱頂初支噴混凝土脫落處鑿孔測量知，初支鋼架與巖面之間超挖脫空64 cm。隧道仰拱施工至K4+800，距離掌子面118 m；隧道二次襯砌至K4+745，距離塌方最近邊界55 m，距離掌子面173 m。

隧道進口掌子面樁號K4+918，距離塌方邊界93 m；塌方段相對位置關系見圖4。

圖4 塌方段相對位置關系示意圖

4 塌方原因分析

開挖揭示，實際工程地質條件與原設計相符，設計支護參數(shù)能滿足實際需要。

《公路隧道施工技術規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)7.2.3規(guī)定：Ⅳ級圍巖開挖長度不大于2榀鋼架間距；實際施工超過了規(guī)定值；設計文件要求上臺階開挖高度4.55 m，實際開挖高度8.04 m。《隧道施工安全九條規(guī)定》2.3規(guī)定：石質隧道，Ⅳ級圍巖地段，仰拱距離掌子面不大于70 m，實際為118 m；二次襯砌距離掌子面距離不大于120 m，實際為173 m。另外，根據(jù)K4+775～K4+800塌方影響段初期支護變形情況及現(xiàn)場打孔驗證知，隧道拱頂存在大量超挖脫空，脫空部位巖面沒有任何支護。

綜合分析判斷，隧道塌方的主要原因是施工所致。采用大斷面、大進尺開挖后，隧道拱部出現(xiàn)大量超挖，超挖部位沒有及時采取有效的處理及支護；隧道仰拱及二次襯砌嚴重滯后，初支后至塌方時長達56 d；其次，從7月5日發(fā)現(xiàn)初支噴混凝土局部開裂到7月25日塌方，時間間隔20 d，在此期間，現(xiàn)場僅在塌方段間隔施工了8榀臨時鋼架支護，沒有及時對鋼架后脫空進行回填處理；另外，本段屬于節(jié)理裂隙發(fā)育的Ⅳ級偏差泥質細砂巖夾黑色頁巖。2020年7月，遭遇了罕見的強降雨，隧道滲水增加，泥巖軟化，超挖脫空部位圍巖出現(xiàn)過大松弛變形。

在以上諸多因素的影響下，遠離掌子面93～118 m 的位置形成“關門式”大塌方。

5 安全風險評估

根據(jù)實際圍巖條件、施工情況、隧道拱部脫空情況、塌方段塌腔穩(wěn)定情況及K4+775～K4+800段變形情況，綜合分析判斷：K4+800～K4+825塌方段塌腔欠穩(wěn)定，潛在掉塊及塌方的較大安全風險；K4+775～K4+790段潛在塌方的一般安全風險；K4+790～K4+800段處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，潛在塌方的重大安全風險；不可見塌方影響段洞徑較小，隧道拱部存在局部超挖脫空，潛在塌方的一般安全隱患。

6 “三段四步法”塌方處治技術

隧道塌方后，根據(jù)塌方段和可見塌方影響段潛在的安全風險，分段制定了有針對性的安全處治技術方案，并根據(jù)具體方案，按分段施工的步驟和安全施工技術方法，提出創(chuàng)新的“三段四步法”隧道塌方處治方案。

“三段四步法”釋義，“三段”是指：塌方段及其兩端塌方影響段；“四步”是指：第1步，應急處理；第2步，可見塌方影響段加固處理；第3步，塌方段處理；第4步，不可見塌方影響段加固處理。

6.1 應急處理

緊靠K4+800附近，在隧道開挖輪廓線內(nèi)，采用機械填渣反壓塌口下部K4+775～K4+800段高風險塌方影響段兩側邊墻；在現(xiàn)有的塌渣坡面上填渣，反壓塌渣，放緩塌渣坡面；用裝砂編織袋封堵隧道拱頂塌口。

邊墻反壓塌渣高度不低于150 cm。反壓填渣坡面不陡于1∶1，并在隧道起拱線部位橫向留寬度不小于150 cm的作業(yè)平臺。

6.2 塌方影響段臨時支護及加固措施

6.2.1 臨時支護

K4+775～K4+790段，在現(xiàn)有拱、墻初支的基礎上，根據(jù)實際需要設置I18臨時鋼架支撐組，按不少于3榀鋼架聯(lián)合為一組，同組鋼架縱向間距100 cm。相鄰鋼架支撐組之間間隔距離2～5 m。

K4+790～K4+800段，在拱、墻初支的基礎上，按縱向100 cm間距設I18工字鋼架作為臨時支撐。

填渣反壓地段，臨時鋼架應置于反壓渣體上部。鋼架底部置于填渣頂部，采用大塊石或片石支墊形成大腳支墊，鎖腳錨桿固定。

6.2.2 脫空回填及加固措施6.2.2.1 隧道脫空檢查及處理

采用開孔檢查法或地質雷達檢查法檢查K4+775～K4+800段初支與開挖輪廓面之間是否存在脫空。根據(jù)脫空部位及脫空大小，在較大脫空處設Φ108混凝土泵送管，泵送C20混凝土回填空腔。當空腔高度小于1.5 m時，采用C20混凝土回填密實；當空腔高度大于1.5 m時，回填至拱頂以上1.5 m。

6.2.2.2 注漿加固

可見塌方影響K4+775～K4+800段，在隧道拱部120°范圍內(nèi)設徑向注漿小導管(Φ42×4,L=100 cm/根)，環(huán)向及縱向間距100 cm，梅花型布置，每根小導管平均注漿量0.135 m3。自下向上，兩側對稱注漿，注漿后在隧道開挖輪廓線外形成不小于100 cm厚的連續(xù)固結拱圈。

K4+795～K4+800段，在拱部120°范圍內(nèi)的適當位置設2排環(huán)向及縱向間距100 cm、梅花型布置、超前向上45°大角度的固結注漿小導管(Φ42×4，L=450 cm/根)，每根小導管平均注漿量0.203 m3。

小導管尾端30 cm不設注漿孔，前端按照縱向10 cm間距設3排直徑為Φ8的梅花型注漿孔。水泥漿強度不低于M20，水灰比0.5∶1～1∶1，限量注漿，注漿壓力不作為終漿標準。參考注漿壓力0.2～0.5 MPa。

6.2.3 不可見塌方影響段臨時支護及加固措施

不可見塌方影響K4+825～K4+840段，待塌方段處理完畢后，根據(jù)實際情況進行相應加固處理，如有變形，參照K4+775～K4+800段加固處治方案處置。

6.3 拆除臨時支護鋼架

加固完畢，注水泥漿強度或泵送混凝土強度不低于設計75%強度要求，鋪設防水板前，制定拆除臨時支護鋼架的作業(yè)指導書，按要求拆除臨時支護鋼架。

6.4 塌方影響段二次襯砌

擇機實施二次襯砌。當塌方影響段加固工作完畢，消除了本段安全隱患，塌方段上半洞開挖、初支完畢，不可見塌方段加固處理完畢后，再安排二次襯砌；當加固后，還潛在塌方的安全風險時，先實施本段襯砌，再考慮后續(xù)其他施工。

6.5 塌方段處治方案

6.5.1 方案比選

根據(jù)塌方情況、實際工程地質情況及塌方后已實施的應急處理措施，在確保安全的前提下，結合隧道使用功能，按經(jīng)濟合理的原則，提出3個隧道塌方處治比選方案。

方案1：小導管注漿固結塌渣成拱法；

方案2：開挖塌渣泵送混凝土回填成拱法；

方案3：大管棚支護法。

經(jīng)研究比選，確定方案1作為隧道塌方處治方案，見圖5、圖6。

圖5 隧道塌方處治縱斷面示意圖

圖6 隧道塌方處治橫斷面示意圖(單位:cm)

6.5.2 小導管注漿固結塌渣成拱方案

泵送C20混凝土回填塌腔：在K4+800～K4+802段隧道拱頂90°范圍內(nèi)隧道開挖輪廓線外的無塌渣部位，泵送C20混凝土回填塌腔至隧道拱頂開挖輪廓外以上150 cm，根據(jù)現(xiàn)狀，泵送混凝土緊貼現(xiàn)有塌渣及K4+800處塌腔巖體。

K4+802～K4+825段，采用不同角度的注漿小導管超前及補注漿固結加固隧道拱部塌渣，使拱部一定厚度的塌渣形成鋼筋混凝土碎石固結拱，具體支護參數(shù)如下。

在拱部120°范圍內(nèi)設超前小角度注漿小導管(Φ42×4，L=450 cm/根)，環(huán)向間距30 cm，縱向排距100 cm，超前外插角5°～10°，每根小導管平均注漿量0.135 m3。

在隧道拱部120°范圍內(nèi)設超前大角度注漿小導管(Φ42×4，L=450 cm/根)，環(huán)向及縱向間距100 cm，超前向上外插角45°。每根小導管平均注漿量0.473 m3。

在隧道拱部120°范圍內(nèi)設徑向注漿小導管(Φ42×4，L=300 cm/根)，小導管環(huán)向及縱向間距100 cm，徑向布置。每根小導管平均注漿量0.473 m3。

超前大角度注漿小導管與徑向注漿小導管縱向交替布置。按要求施工小導管注漿孔，水泥漿強度不低于M20，水灰比0.5∶1～1∶1，限量注漿。依次對應施工超前小角度及大角度注漿小導管；開挖及初期支護150～200 cm后，及時跟進施工1～2排徑向注漿小導管。

6.6 開挖方法

塌方段分上、下臺階和仰拱3部分開挖。以拱部3節(jié)鋼架所在位置為上臺階(高4.36 m)；上臺階底部與邊墻鋼架底部之間為下臺階(高3.68 m)；仰拱(高1.40 m)。

先施工塌方段上臺階，上臺階施工完畢后，再施工下臺階。上臺階采用環(huán)形分部留核心土法開挖，每循環(huán)開挖進尺按照能安裝一榀鋼架的距離控制。每循環(huán)可根據(jù)鋼架接頭分左、中、右3部分施工。先施工左側一段鋼架，留中間核心土，再施工右側一段鋼架，然后完成拱頂?shù)囊欢武摷?。留核心土坡?∶1，開挖后，噴C20混凝土厚8 cm封閉塌渣體坡面。依次循環(huán)，完成上臺階開挖施工。采用鉆孔取芯切割法或風鎬破碎法開挖局部固結塌渣，嚴禁放炮開挖。

根據(jù)塌方情況、塌方體加固情況及兩側邊墻圍巖狀況確定下臺階開挖方法。當兩側邊墻圍巖較差，上臺階塌方體加固后的拱座不穩(wěn)固時，中間留核心土，兩側拉槽落底。落底前，先行施工邊墻超前外插45°大角度的超前固結注漿小導管或超前水泥砂漿錨桿，然后按照1～2榀鋼架距離作為單循環(huán)開挖進尺，開挖后及時施工鋼架及噴混凝土等初支。拉槽一側超前另一側不少于5 m，嚴禁同榀鋼架兩側同步開挖懸空。適時清除中間核心土。采用拉槽的渣體反壓支護好的邊墻，待噴混凝土達到強度要求后清除反壓渣體。

下臺階施工完畢后，適時施工仰拱。仰拱全幅最大開挖長度不宜超過3 m。

6.7 塌方段排水

塌方處理完畢，準備二次襯砌及鋪設防水板前，在塌方段拱部，按照2 m間距施工直徑不小于50 cm的徑向排水孔，排水孔長度以打穿塌渣體或固結圈，達到引排塌渣體內(nèi)積水的目的確定排水孔長度。

在拱、墻范圍內(nèi)，沿初支面，按照縱向2 m間距，環(huán)向設置Φ50HDPE單壁波紋盲管。每個排水孔內(nèi)插1根100 cm長的Φ50PVC排水管，并通過三通與波紋盲管有效連接，排水管與排水孔周壁可見部位抹水泥砂漿封堵，引排塌腔水至隧道底部排水溝。然后在拱、墻范圍內(nèi)鋪設EVA防水板，施工二次襯砌。

6.8 二次襯砌

7 隧道塌方處治效果

7.1 監(jiān)控量測情況

塌方處理后，于2020年12月12日—16日進行了K4+815處全斷面監(jiān)測，除12日拱頂3#點沉降值為6 mm/d外，其余時間沉降值在3 mm/d以內(nèi)，監(jiān)測情況正常(見圖7)。

圖7 K4+815時間—位移曲線

7.2 塌方處治效果

在受降雨影響和現(xiàn)場施工組織一般的條件下，按確定的方案安全地完成了隧道塌方處理工作?？梢娝接绊懚?5 m，用時15 d；不可見塌方影響段15 m，用時10 d；塌方段25 m，用時30 d。合計55 d。隧道塌方處理及變形加固直接費約268萬。

實踐證明“三段四步法”隧道塌方處治方案安全有效，塌方處治效果良好。

8 結論與建議

按照“三段四步法”技術方法，安全有效地處治了王麻子隧道大塌方?？偨Y幾點體會并提出需要進一步研究的問題如下:

(1)此隧道塌方的主要原因是不當施工所致。隧道拱部鋼架與巖面之間脫空和脫空部位有效支護的缺失問題是一種普遍現(xiàn)象。這是隧道塌方安全風險管控的重點。

(2)“三段四步法”的分段評價方法和分步處治方法不僅適用于關門式隧道塌方，也適用于其他形式的隧道塌方。此法具有普遍適用性。

(3)塌方段采用了3種不同角度和不同長度的注漿小導管。根據(jù)不同小導管所起的不同作用，對其施工順序、施工方法、注漿量進行了區(qū)別對待。采用適當?shù)淖{工藝，動態(tài)調(diào)整不同部位的注漿量，重視補注漿的效果和作用，實現(xiàn)在隧道拱部形成2～3 m厚連續(xù)鋼筋混凝土碎石固結拱圈的目的。

(4)要重視固結拱圈之拱座與兩側巖體之間的有效連接和塌渣體內(nèi)的排水工作。

(5)應急搶險中，根據(jù)需要優(yōu)先使用機械填渣反壓法。此法能快速約束隧道過大變形和預防塌方擴大。

(6)有待進一步研究和完善問題有：注漿質量的檢驗標準；初期支護鋼材的防腐及加固圈的耐久性問題。