东掌隧道塌方的成因及处理办法

万民晶

(山西省交通建设开发投资集团有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概况

山西高平—河南新乡山西段(高陵)高速公路起于高平市河西镇常乐村，止于陵川县古郊乡营盘村，全长62.945 km，是山西省“三纵十一横十一环”高速公路规划网中的第十横，与河南境内在建的新乡至高平高速公路连接，设计时速80 km。

高陵高速公路的东掌隧道，是一座上下行分离的四车道高速公路隧道，位于陵川县潞城乡东掌村西侧，隧道右幅全长421 m，最大埋深为46.4 m。进出口洞门均为削竹式。隧道单洞最大开挖宽度达12.3 m，在洞口浅埋段及Ⅳ级～Ⅴ级软弱围岩地段采取的超前支护措施包括超前长管棚注浆、超前小导管注浆及超前锚杆等。洞身衬砌采取复合式衬砌形式。

2 隧道地质条件及围岩类别判定

东掌隧道右幅K39+035～K39+218段原设计描述洞体埋深15.0 m～42.2 m，围岩由奥陶系中统上马家沟组(Q2S)灰岩、泥灰岩组成，弱～微风化，隧道洞身均为灰岩，泥灰岩位于洞体以上10 m～15 m，岩体较完整，节理裂隙较发育，呈中厚层状，地下水出水状态为潮湿，灰岩 Rc=50 MPa～60 MPa，Kv=0.6～0.65，BQ=390～433，地下水修正系数 K1=0.1，[BQ]=380～423，综合评定围岩级别为Ⅲ级。

通过在隧道开挖掘进前采用美国GSSI公司生产的SIR-3000型地质雷达预测综合评价K39+049～K39+079段30 m洞室开挖岩土工程地质条件发现，K39+060～K39+079段雷达反射波稍强，预计其范围内围岩特征节理裂隙发育，呈块～块碎状结构，局部较破碎，且有弱夹层，整体性稍差，建议本段围岩级别为Ⅳ级。

3 隧道塌方成因分析

隧道开挖掘进施工采取上下两层导坑法施工，Ⅳ级围岩初期支护采取Ⅰ14工字钢加工的钢拱架，纵向间距1 m，拱顶环向布设间距为40 cm，长度为5.2 m的φ25砂浆超前锚杆，径向在拱部1/3采用长度2.5 m的φ25砂浆锚杆，间距100 cm×120 cm梅花形布置，拱部1/3以外部位采用长度2.5 m的φ22早强药卷锚杆，间距100 cm×120 cm梅花形布置，并沿拱架设置25 cm×25 cm的φ8钢筋网片后喷射21 cm厚C25混凝土完成初期支护。

当右幅掌子面施工掘进至里程K39+065.2～K39+067.2段时，于2009年8月24日下午17:40发生大规模坍塌，拱顶坍塌最深约4.5 m。

从坍塌后的岩层显示(见图1)，上导坑掌子面下部围岩为中厚层结构，石头呈块状，层厚约1.0 m～1.5 m，石块间夹泥层，泥层厚度约5 cm，岩体稳定性一般。上导坑掌子面上部围岩也为层状结构，层厚约0.6 m，石块间夹泥层，泥层厚度约10 cm，岩体不稳定。拱顶围岩仍为层状、块状结构，石块最大粒径约1.0 m，石块最小粒径约0.4 m，最薄层厚度约0.3 m。拱顶裂隙发育，最大约4 cm，石块间夹粘性土泥层，泥层厚度最大约10 cm。拱顶坍塌严重，最深约4 m，最大面积约20 m2，塌落的石块最重约200 kg，岩体极不稳定。地下水出水状态为潮湿，使石块间的泥层被水浸湿呈糊状稀泥，并沿缝隙跌落，严重破坏石块与石块的粘结力，最终使石块之间无粘结力，导致岩体严重坍塌。

图1 东掌隧道塌方断面图

综合分析，岩体呈大块破碎状，围岩自稳性很差，塌方体荷载远大于超前锚杆的锚固承载力，导致超前支护时超前锚杆无法承受拱顶岩体的压力，这是引起此次塌方的主要原因。

4 工程处治方法

4.1 排险与支护

K39+065.2～K39+067.2段坍塌后，通过一段时间的静置观测，拱顶再未坍塌，在充分调查分析的基础上，先进行了出渣，及时清理封闭掌子面，随后按照变更支护方案进行了支护，并对后续掘进施工方案进行了调整。

4.2 初支方案的确定

按照塌落的最大石块直径为1 m，重量为200 kg计算，如果不发生混凝土冲切破坏，通过公式d≥kG/RLu计算得出喷射混凝土厚度必须大于20 cm(其中，G为由危石重量引起的作用力;u为危石底面周长;RL为喷射混凝土计算抗拉强度;k为安全系数，可取3～5，此处取4;d为喷射混凝土厚度)，查原设计厚度为21 cm，能满足支护强度要求，但针对现场坍塌体以及现场超前锚杆的受力状况分析(见图1)，认为φ25砂浆锚杆无法确保围岩稳定，支护安全系数偏低，另外，通过综合坍塌段岩体的工程地质状况分析以及应力计算，认为原设计采取初期支护时Ⅰ14钢拱架无法承受拱顶围岩塌落及下沉的岩体自重力。为此，在工程施工中，针对坍塌地段采取埋设注浆导管进行拱顶注浆观测，待坍塌加固区域拱顶不下沉，收敛趋于稳定，及时进行采取掌子面的初期支护，初期支护类型仍为Ⅳ级衬砌结构，但在支护中采用Ⅰ18钢拱架、双排φ42超前注浆小导管加强掌子面，确保了该区域的围岩及初支结构稳定。

4.3 调整的掘进方案

为避免后续段落出现围岩失稳坍塌的情况发生，在掘进施工中，如果按照先前的上下两层导坑法施工，在上导坑开挖施工，尤其在下导坑开挖时，爆破会对山体围岩进行二次扰动形成拱圈受力，使支护变形、下沉，造成大塌方。因此，在后续施工中，采取了“弱爆破、少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”的措施(见图2)，一方面把上导坑开挖法变更为三层台阶法施工，另一方面为达到减振效果，本隧道后续段落Ⅳ级围岩在雷管段数足够的情况下采用了中心轴不对称起爆法，相当于将爆破网络中的用药量较大的一圈掘进眼分成了两次起爆，减少了每段的用药量。在后续施工中做到了掌子面少扰动，进一步控制了围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，确保了较破碎、整体性稍差地段的安全掘进施工，为施工不留任何安全隐患奠定了基础，至此后未出现任何安全事故。

施工顺序：测量→超前锚杆→上部打掘进眼→装药→起爆，通风→清帮、找顶→初喷混凝土→出渣→设置锚杆→复喷混凝土→下一循环测量→下部打掘进眼→装药→起爆，通风→出渣→初喷混凝土→设置锚杆→复喷混凝土→下一循环测量→仰拱开挖，出渣→浇筑仰拱混凝土→铺设防排水系统及二衬混凝土→下一循环

5 结语

近年来，我国高速公路发展迅速，特别是山区高速公路越来越多，每年开工和在建的隧道也随之大增。隧道工程因属隐蔽工程，地质变化情况难以准确探测，施工中塌方事故屡见不鲜。希望本文能对以后的隧道塌方处理提供些许经验或者提示。

[1] JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[2] JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范[S].

[3] 高平至新乡高速公路高平至陵川段路基第七合同段两阶段施工图设计(隧道)[Z].山西省交通规划勘测设计院，2009.

[4] 叶少敏.哈大客运专线浅埋超大断面隧道塌方处理工法[J].山西建筑，2010，36(9):337-338.