马兰黄土隧道不良地质缺陷整治技术研究

程晓刚

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300308)

0 引言

马兰黄土以粉粒成分为骨架，相互间多为点接触，孔隙较大，具有垂直节理，一般情况下稳定性较好，但其抗水性能差，遇水易崩解，具有湿陷性。将马兰黄土作为隧道开挖对象，在施工过程中黄土天然应力分布状态发生改变，随着围岩支护的施作，黄土会再次发生应力重分布，隧道围岩的应力一部分向附近区域传递，另一部分以沉降变形或塌方等地质灾变的形式进行应力释放。这对围岩的稳定性、施工进度及施工安全带来极大威胁。为了解决以上工程问题，本文以银昆高速公路某隧道为例展开研究。

1 工程概况

该隧道围岩由新黄土与老黄土组成，洞身为V级围岩,黄土层成岩性差，结构相对疏松，其自身强度低，抵抗外力破坏的性能差，垂直节理发育，彼此在水平方向的连接力较弱，干燥时，黄土的强度较高，衬砌受力较小，遇水后颗粒连接力削弱，黄土强度随之降低，易引起衬砌受力不均匀，并且由于隧道表层黄土厚度分布多不均匀，使隧道易形成偏心压力，成为偏压隧道，造成塌方等地质灾害。

2022 年5月13日下午该隧道右线进口K130+138—K130+147左侧地质突变发生沉降，导致套拱及初支发生严重变形及沉降，此时仰拱施工里程为 K130+147，距离突变处0m，二次衬砌施工里程为K130+197，距离地质突变处50m。洞顶一级坡平台出现轻微裂缝，K130+138—K130+140套拱左侧明显向右收敛1.6m，K130+140—K130+147左侧初支明显向右偏移1m，且钢拱架明显变形，K130+147位置钢拱架断裂，出现1m范围的空洞，且持续掉土，K130+147—K130+187初支出现沉降变形，如图1所示。

图1 套拱与初支变形及沉降

2 现场临时处理方案

沉降发生后，现场人员第一时间进行紧急处理，防止工程灾变扩大，同时为事故调查争取更多时间，具体措施为：①塌陷土体稳定后，项目部安排人员对洞内及顶部塌陷位置进行围挡警戒；②对偏压沉降部位两侧下台阶进行初次回填并施作临时仰拱，待初次临时仰拱凝固后进行二次回填施作二次临时仰拱进行加固，如图2a所示；③对断裂部位进行喷浆支护，防止二次坍塌，如图2b所示；④对仰坡及一级坡平台进行二次防水布覆盖，如图2c所示，安排测量人员保证安全的前提下及时对洞内围岩进行量测。

图2 现场临时处理方案

3 隧道坍塌成因

沉降发生后，多方调查人员赶赴第一现场进行实地调查，最终发现导致套拱及初期支护产生严重变形及沉降的主要原因为：隧道右线进口段在施工过程中，处于天然应力状态的土体发生应力重分布，导致突发性坍塌，本次坍塌对隧道其他位置的围岩产生较强烈扰动，进而造成进口洞内K130+140—K130+187段隧道大面积坍塌，以及隧道坍塌处至洞口方向47m范围初期支护的严重下沉，并产生大量裂缝。

4 处治方案

针对以上工程灾变成因分析，本项目采取“洞口临时支护→洞内反压回填→地表、超前小导管注浆→台阶法开挖、换拱→施作仰拱、二衬→两侧及洞顶回填”的方法进行专项治理，具体处治方案如下。

4.1 反压回填

洞口临时支护加固完成后，在二衬混凝土强度达到要求的前提下，对K130+140—K130+187段进行全断面反压回填，并在 K130+187处往洞口方向由洞顶至路面设置 1∶0.5 斜坡进行锚喷护面，如图3所示。

图3 反压回填(单位：cm)

4.2 地表、超前小导管注浆

1)地表注浆 从K130+159—K130+201段42m 范围垂直打入φ42钢管进入地表进行注浆，先根据放样将钢管的孔位用红油漆标出，间距 100cm×100cm(环向×纵向)，利用挖掘机将注浆管打入地下。钢管长8m，管口车丝设止浆阀，在管尾后段50cm处将麻丝缠绕在管壁上呈纺锤状，麻丝上涂抹锚固剂，将孔口管顶进注浆孔后，埋设牢固并用锚固剂将孔口管与地表间隙封堵，防止注浆过程中漏浆。

2)超前小导管注浆 径向注浆达到强度后，拱顶纵向设置超前小导管注浆，超前小导管长度L=4.5m,α=12°，环向间距40cm。小导管采用φ42 热扎无缝钢管，注浆材料采用水泥液浆，水灰比为 1∶1， 注浆压力控制在0.5～1.0MPa，注浆施工如图4所示。

图4 注浆施工示意

4.3 台阶法开挖、换拱

1)开挖注意事项 超前小导管注浆达到强度后进行开挖、换拱，开挖方式采用台阶法。开挖要达到拆除1榀支护1榀。钢拱架设计间距60cm。拆除时宜从上往下施工，拱顶施工完毕喷浆后再拆除下部钢拱架，保证安全。进行测量放线时，应加大15cm，防止围岩再变形侵限。加强施工中的监控量测工作，及时反馈信息以调整支护参数。

2)初喷混凝土 钢拱架拆除完毕后，用高压风枪清除干净粉尘，立即采用湿喷工艺初喷混凝土，喷射作业应分段、分片由上而下顺序进行，每段长度≤6m。 初喷厚度4cm，如终凝后间隔1h以上且初喷表面已蒙上粉尘，受喷面用高压气体清除干净。

3)锚杆施工 锚杆钻孔利用开挖台车，按设计间距120cm×60cm(环向×纵向)布孔，钻孔方向尽可能垂直于结构面或初喷混凝土表面，锚杆孔比杆径大15mm，成孔后采用高压风清孔，钻孔本身呈直线，方向沿隧道周边径向，并尽量与岩面垂直，不得平行于岩层面打设锚杆。注浆及锚杆安装利用开挖台车作为施工平台，药卷使用风枪将锚固剂打入锚杆孔内，锚固剂药卷经风枪打入孔底，药卷打入结束后立即进行锚杆杆体安装，在距锚杆底部30cm处设止浆段，进回浆管在孔口通过钢垫板预留孔口引出。孔口承压垫座钢垫板面与锚孔轴线垂直，承压垫座必须平整、牢固。若钢垫板面与锚孔轴线不垂直，孔口外侧可用快凝砂浆找平。

4)钢架施工 隧道各部开挖完成喷混凝土后，分单元及时安装钢架，利用系统锚杆及双侧锁脚锚管固定，纵向采用钢筋连接，钢架间铺挂钢筋网，然后复喷混凝土到设计厚度。钢架安装前把按设计加工好各单元钢架组织试拼，检查钢架尺寸及轮廓是否合格。在施工过程中需加强对钢架安装以后的监控测量，必要时采取有效措施进行加固，以防止拱顶钢架下沉。

5)挂网施工 钢筋网宜在初喷混凝土后挂设，使其与喷射混凝土形成一体，初喷混凝土的厚度宜≥4cm； 钢筋网搭接长度应为1～2个网格边长；喷射混凝土时，应调整喷头与受喷面的距离、喷射角度，以减少钢筋振动，降低回弹，并保证钢筋网喷射混凝土保护层厚度≥4cm；喷射时如有脱落的块体或混凝土块被钢筋网卡住，应及时清除。

4.4 仰拱、二衬施工

初期支护施作一定距离后，由于K130+197—K130+147段仰拱已施作。根据现场条件及时施作二衬，二衬及时跟进封闭成环，起到早闭合、防塌方的作用，同时能保证洞内道路畅通，便于洞内排水。

4.5 隧顶回填

洞顶塌陷段二衬施作后，对隧顶采用4%水泥土进行回填，表层50cm回填种植土。回填完成后，做好防排水工作。

5 沉降监测

为了及时掌握施工中隧道围岩和初期支护变形收敛程度，确保洞内开挖及施工安全，本隧道必须进行监控量测。其目的是进行隧道日常的施工管理，经对量测数据分析处理与必需的计算判断后进行预测和反馈，以保证施工安全和隧道稳定，并为今后设计与施工提供依据。

监测对象包括地表沉降监测、水平收敛监测和拱顶下沉监测。其中，地表沉降监测目的是了解隧道开挖过程中隧道顶部对应地表的最大沉降值，为调整隧道开挖速度和支护强度参数提供依据；水平收敛及拱顶下沉监测是反映围岩与支护结构力学形态变化的最直接、最明显的参数，通过监测可了解围岩和支护结构的稳定状态。以里程K130+170处的地质突变沉降点为例(见图5)，结合该位置处的沉降监测数据进行如下分析。

图5 里程K130+170处地质突变沉降监测

由图2可发现，在2022年5月13日前，里程K130+170处隧道拱顶沉降并不明显，但在这期间地表沉降幅度较大，水平收敛速度较快，说明该位置处隧道存在发生潜在地质灾害的风险。2022年5月13日下午，拱顶沉降量、地表沉降量和水平收敛发生陡增，随即发生隧道坍塌，事故发生后，施工单位组织人员进行紧急处理，直至14日完成，处治方案详见第3节。该段隧道经过专项处治(2022年5月15日)后，地表沉降、水平位移和拱顶下沉的累积量迅速收敛，最终满足设计规范中Ⅴ级围岩沉降量要求。

6 结语

本文以银昆高速公路某隧道为依托，研究马兰黄土隧道在开挖施工过程中突发地质灾害的处治方案，本项目在事故发生后进行了紧急处理，防止工程灾变进一步扩大。并根据隧道坍塌成因，采取“洞口临时支护→洞内反压回填→地表、超前小导管注浆→台阶法开挖、换拱→施作仰拱、二衬→两侧及洞顶回填”的方案进行治理，最后对隧道围岩和初期支护变形收敛程度进行监测和分析，发现地表沉降、水平收敛及拱顶下沉均满足设计规范中Ⅴ级围岩沉降量要求，从而验证了该专项处治施工方案的可靠性，并为以后类似事故治理提供了借鉴。