强风化变质砂岩隧道塌方处理方法及效果分析

武文秀，李余生，田彩霞

（成都理工大学地球科学学院，成都 610059）

1 引言

在青藏高原地区，由于海拔高，冰冻期长，路面结冰严重影响交通安全，为绕避冰雪路段需要在浑厚的山体中修建长大隧道。在公路隧道施工过程中很容易引起塌方，不仅会造成重大的经济损失，而且还会严重影响施工安全和施工进度。导致隧道塌方的一个主要原因是隧道属于地下隐蔽性工程，在岩体中开挖隧道，由于原来的受力结构平衡体系受到破坏，引起了围岩的应力重分布［1－2]。隧道塌方往往出现在围岩的地质条件较差地段，因此，若处理不当，会给后期留下诸多安全隐患而且处理难度极大，所以一旦遇到隧道塌方，必须采取合理措施处理，杜绝后患。国内在青藏高原高寒高海拔强风化变质砂岩地区对隧道塌方的处理与分析的研究少有提出，本文旨在阐明该类地区隧道塌方处理及其效果分析的方法，并提出个人的认识和体会，以供参考借鉴。

2 工程概况

隧址区地质情况：

国道318线东俄洛至海子山段公路改建工程某隧道位于甘孜州理塘县境内，距理塘县城约3 k m，根据设计，进洞里程桩号为K208＋424，出洞里程桩号为K211＋255，全长2 831 m。隧址区绝对高程4 092～4 333 m，高差约241 m，属于高海拔高寒山区隧道。工程区属川西高原高山区，横断山脉中段的大雪山脉与沙鲁里山脉之间，属于构造侵蚀高山地貌，地势起伏较大。隧址区邻近甘孜－理塘断裂带，隧道出口端距断裂最近距离约2 k m，该段动力变质作用较强，岩层次级褶皱发育，地层产状变化较大，隧址区岩层总体产状为104°～170°∠66°～71°。

3 塌方段地质特征与塌方情况

3.1 塌方段工程地质与水文地质条件

塌方段隧道设计高程为4 101.00 m，地表高程为4 154.51 m，隧道埋深为53.51 m。隧址具体构造部位位于松潘－甘孜地槽褶皱系雅江冒地槽褶皱带娄隆背斜范围内，隧道轴线穿越娄隆背斜。塌方处隧道掌子面几乎全部为变质砂岩，仅有少量泥质板岩夹层出现。由于岩体处于断裂带边缘，次级褶皱发育，地质活动频繁，裂隙极为发育，有利于地下水的侵蚀，加之在高寒高海拔地区，以冻结风化为主，造成岩体破碎，变质砂岩风化强烈。

基岩裂隙水为本段最重要的地下水类型，分布广泛，主要为构造裂隙水，其富水程度与岩性密切相关，板岩和砂岩的强风化层，裂隙较发育，与地表残坡积层水力联系紧密，裂隙水发育且相对丰富，而中－微风化板岩，岩体完整性好，少见地下水活动的痕迹，构成相对隔水层。中－微风化的砂岩相对而言属脆性岩体，其裂隙张开度较好，裂隙面浸染痕迹显著，地下水贮藏较为丰富。基岩裂隙水主要赋存在基岩的裂隙中，受大气降水和松散层孔隙水下渗补给，变质砂岩的透水性较好，工程区内岩层揉皱强烈，裂隙发育，故该类地下水量较丰富。

3.2 塌方情况及其原因

隧道掘进到里程为K211＋005处，掌子面开始出现不稳定状态，偶尔有较大石块滑落，当隧道掘进到里程为K211＋000时，突然从拱顶出现连续性塌方，已建好的初期支护里程为K211＋003.5，塌方纵向约3～3.5 m横向自进洞左侧55°至右侧36°范围，坍腔高度约4.83 m（图1，图2）。

图1 K211＋000塌方处横断面图Fig.1 Cross section of the collapse at K211＋000

图2 K211＋000塌方处纵断面图Fig.2 Longitudinal section of the collapse at K211＋000

掌子面为严重风化变质砂岩，受地下水浸泡影响岩石呈砂土状用手可轻易掰碎（图3）。根据《工程岩体分级标准》的定性判断掌子面岩体应属于V级围岩［3]。

图3 K211＋000掌子面地质素描Fig.3 Geology of the working face at K211＋000

根据前期超前地质预报，推断在里程K211＋004～K210＋993范围内围岩破碎，节理裂隙发育，自稳能力差，且掌子面正前方存在较丰富的地下水。由此可知，隧道拱顶强风化变质砂岩在受到地下水侵蚀的影响和自身重力作用下产生坍落是隧道塌方的主要因素。在塌方前期施工时，隧道掌子面没有及时喷射混凝土封闭掌子面，使地下水不断的侵蚀掌子面；而钢拱架和锚杆没有跟进到掌子面前，存在空顶现象，造成软岩在无支撑的情况下进一步松动、坍落进而形成恶性循环。因此，围岩失稳前支护结构不能提供及时有效的支护是造成塌方的促成因素［4]。

4 塌方处理方法

由超前地质预报提供的塌方处掌子面附近的地质信息为在里程K211＋004～K210＋993范围内围岩破碎，节理裂隙发育，自稳能力差，且掌子面正前方存在较丰富的地下水。塌方发生后，经过现场勘察后提出隧道采用工字钢架＋锚杆＋挂网喷射20 cm厚C20混凝土的支护体系，并对掌子面软岩增加辅助超前支护手段即超前小导管注浆［5－7]。为防止后续的塌方，初步提出利用钢拱架支撑结合超前小导管预注浆法和长大管棚超前支护两种处理方法，两种处理方案的优缺点如表1所示［8－9]。

表1 超前小导管注浆法和长大管棚法方案优缺点比较Table 1 Advanced s mall pipe grouting vs.long and large pipe shedding

长期以来，在处理隧道塌方实践中，总结出“治坍先治水，治坍先加强，稳扎稳打，步步为赢”的原则。为了防止塌方继续发展，影响已施做初期支护段，确保施工人员的安全，首先在K211＋003.5～K211＋008.5段初期支护内侧设置临时钢拱架，钢架型号为118型钢钢架＠80 cm，共设置6榀；其次封闭坍腔壁，在塌腔壁喷射一层C20混凝土，厚10 cm；然后搭设临时脚手架采用方木支撑坍腔面，同时对坍腔进行锚杆、挂网喷浆支护，保证坍腔壁稳定。再从K211＋003.5起，架设I18型钢钢架，钢架间距50 cm，钢架间设φ22连接筋＠100 cm，每榀钢架设置8根长3.5 m的锁脚锚杆，共设置8榀型钢钢架，同时用锚杆锚固然后布设φ8钢筋网＠20×20 cm，喷射混凝土厚24 cm，坍腔位置初期支护上预埋长度3.5 m的3根200钢管，泵送C20混凝土至拱顶上方2.0 m，并同时预埋3根φ50排气钢管（兼作排水管，该排气管高度应高于混凝土顶面至少10 cm，以免被堵塞），施做防水工程时，该排水管用50 HDPE单壁无孔波纹管直接引排至边墙背后纵向排水盲管。待该段二次衬砌施做完毕后，再通过200钢管泵送1 m厚的混凝土，设置缓冲层，防止上部继续掉石块影响结构物。

5 隧道塌方区处理效果分析

当前国内公路隧道绝大多数采用新奥法施工，隧道监控量测是新奥法施工中的重要组成部分。监控量测结果不仅可以用来指导隧道动态施工，同时也可以用来检测塌方区的加固效果［10]。为保证隧道施工安全和围岩稳定，新奥法监控量测工作的目的主要是利用量测结果修改设计，指导施工，对量测数据进行分析处理与必要的计算和判断后，作出预测与反馈［11]。为观察塌方处理效果，及时掌握隧道塌方处初期支护的收敛位移变化，在塌方处布设两个监测断面分别是K211＋003和K211＋001，前半月每天监测两次，以后每天监测一次，共监测60 d，分别量测隧道拱顶下沉量和洞周收敛位移值如图4所示 （因只开挖了上台阶，故E、F、D测线未布置）。

图4 隧道周边位移和拱顶下沉测点布置Fig.4 Locations for measuring periphery displacement and vault settlement

图5 K211＋003断面累计收敛值时态曲线Fig.5 Constringency value variation with time for the section at K211＋003

图6 K211＋003断面累计拱顶下沉时态曲线Fig.6 Vault settlement variation with time for the section at K211＋003

图5、图6分别是K211＋003断面的收敛位移和拱顶下沉量与时间的关系曲线，通过量测结果可知隧道的收敛位移值最大值为37 mm，拱顶下沉量为37 mm，因塌方段隧道设计Ⅴ衬砌，预留变形量为120 mm，根据三级位移管理（表2）［12]，U1＝37 mm，U0＝120 mm，U0＜U1／3，可得出在 K211＋003处即可正常施工，这表明加固后该断面围岩是稳定的。同理，可得出K211＋000.5断面处收敛位移值最大值为36 mm，拱顶下沉量为34 mm，即U2＝36 mm，U0＜U2／3，可得出在该断面处围岩是稳定的（图7，图8）。因此，该塌方处围岩整体处于稳定状态。

图7 K211＋000.5断面累计收敛值时态曲线Fig.7 Cumulative constringency value variation with time for the section at K211＋000.5

图8 K211＋000.5断面累计拱顶下沉时态曲线Fig.8 Vault settlement variation with time for the section at K211＋000.5

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

6 防止塌方规模扩大的体会

（1）加强现场监控量测。根据量测得到的数据，进行反馈分析，特别是结构变形速率和结构受力变化情况的分析，及时调整支护参数［13－14]。

（2）禁止在没有有效加固围岩前运走塌落物。当围岩失稳后，就容易造成塌方，塌方的规模跟围岩失稳的规模关系密切，一旦出现塌方，塌落物将堆积在掌子面周围，此时塌落物的堆积体能对掌子面甚至是拱顶失稳但还没有塌落的岩体形成有效支撑，阻止塌方进一步扩大。

（3）及时对坍腔壁进行支撑并封闭坍腔壁。有的塌方发生后，坍腔壁并没有形成自然拱，即使形成自然拱仍然有再次失稳，出现二次塌方。这时，在发生塌方后及时支撑坍腔壁能有效控制围岩再次失稳，如用方木、钢管或者锚杆顶住坍腔壁。

（4）封闭坍腔壁并注意排水。对坍腔壁喷射混凝土，形成对坍腔壁的封闭，减弱地下水对坍腔壁的侵蚀，为处理塌方赢得时间。若地下水涌水量较大，则需在坍腔壁裂隙中安插排水管，防止水压力过大，对软弱岩层的浸泡，形成更大规模的塌方。

7 结论

（1）通过利用钢支撑并结合小导管注浆来处理自稳能力差而又较破碎围岩塌方是有效的。为防止因坍腔未充填密实可能出现的围岩对初期支护冲击，坍腔充填密实尤其重要。

（2）加强对塌方处初期支护的监控量测，尤其是隧道洞周收敛位移和拱顶下沉以及钢支撑应力的监测，及时分析结构受力情况，及时反馈塌方处围岩稳定性情况。

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