公路隧道软弱围岩段施工塌方处治与防治

谌业江 刘希玉

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100082；2.西安铁路工程有限公司，西安 710000)

1 引言

公路隧道塌方是隧道施工中常见问题， 塌方处理方面有了比较成熟的处理措施。 容易引起塌方的隧道段落为浅埋段，易于塌方的围岩主要在断层破碎带、松散碎石土层、节理裂隙发育的破碎岩层，这些是公路山岭隧道常见的围岩， 其处理方法在很多手册以及论文都有较好的论述， 对于软弱风化严重的页岩围岩隧道采用常规的施工方法难以满足施工质量和进度要求， 本文通过对该类围岩塌方处理和预防进行实例分析， 总结提出一些较好的解决办法，作为参考。

2 软弱风化严重的页岩围岩特点

软弱风化严重的页岩围岩的稳定性介于黏土围岩和松散碎石土围岩之间， 黏土围岩整体稳定好于软弱风化严重的页岩围岩， 软弱风化严重的页岩围岩的稳定性好于松散碎石土围岩。虽没有碎石土松散，但也没有黏土粘聚力好。开挖后掌子面可以直立稳定性好，随时间延长围岩水分逐渐蒸发，大约在3h 后，围岩随着水分的散失粘聚力急剧下降，变得松散，风化加重，围岩岩土开始慢慢剥落，剥落物为较细小的页岩，含部分泥岩。 它的基本特点为开挖时围岩稳定性较好，开挖3h 后随时间延长稳定性逐步降低，不及时进行支护很容易出现塌方。

3 软弱风化严重的页岩围岩隧道施工难点

隧道在软弱围岩段掘进过程中， 围岩稳定性差，围岩容易变形，围岩的形变压力较大，变形过大容易导致坍塌。 软弱围岩隧道施工对工程施工工艺、现场管理要求较高，否则很容易出现塌方。坍塌的危害性非常大，不仅对工期、成本造成影响，还严重威胁施工作业人员的生命安全。

4 工程案例

4.1 工程概况

本隧道为短隧道， 位于甘肃省定西市漳县殪虎桥乡石关村北，临近G212 国道。 隧道采用分离式，洞顶最大埋深81m。 隧道左洞长480m，隧道右洞长573m。

本隧道隧址区地貌类型属于构造剥蚀地中山地貌区，处于华北地台区的陕甘宁盆地分区东南部，覆盖层以第四系全新统及更新统的碎、块石，右线进口段局部分布第四系上更新统风积黄土； 下伏二叠系上统石关群（P2cs）的肉红色灰岩，右洞进口段局部揭露二叠系上统石关群（P2bs）深灰色页岩。通过F14、F16 两条断裂带。施工过程中围岩破碎、易风化，且遇水易软化，大块石较多。围岩级别全部为V 级。 岩体含水丰富，掌子面及初期支护表面有明显渗水。

衬砌类型为SVf，初期支护径向锚杆为SD32 自进式中空注浆锚杆L=6.0m （纵）60×100 （环）；Φ8 钢筋网15×15cm 单层；钢拱架为I20a 工字钢，纵向间距60cm；二次衬砌拱部、拱墙55cm（C30 钢筋砼）；超前支护为Φ42 钢花管长度为3.5m。

4.2 塌方情况

2018 年9 月5 日开挖至YK189+931 时掌子面发生塌方（图1），塌方岩体为强风化破碎页，稳定性较差，岩体潮湿。 塌腔稳定后，塌腔长度约5m，塌腔靠拱顶左侧，估计塌方方量约为150m3。 塌腔围岩稳定后，现场及时用袋装碎石土对塌方掌子面进行反压， 并喷射10cm 厚混凝土进行掌子面封闭。

图1 塌方照片

4.3 塌方原因分析

围岩为软弱风化严重的页岩，主要为碎砾石页岩、风化页岩、黄褐色粘质土，自稳能力差，开挖裸露后快速风化、围岩在过程中受到挠动，围岩随着水分的散失粘聚力急剧下降，变得松散，围岩岩土开始剥落失稳，进而坍塌。

已施工完的初期支护没有明显变形， 初期支护强度完全满足承载能力， 关键施工要点就是在围岩岩土开始剥落之前要快速封闭围岩， 完成初期支护对围岩形变压力提供支撑反力。

4.4 塌方处治方案

采用管棚强支护方式通过塌方体。 施工步骤如下：（1）对塌方掌子面用袋装碎石土进行反压，并实施10cm厚喷射C25 混凝土封闭。（2）对临近塌方段的初期支护加设护拱作为临时支撑，防止初支变形。（3）套拱施工，塌方体前掌子面位置设置I20a 钢拱架，间距50cm，纵向设置5 榀，套拱拱脚落实在中导拱脚位置，加强锁脚锚管施工质量， 垫实拱脚。 （4） 塌方体拱部120°范围内施工长10mΦ89 的自进式管棚，管棚长度超过塌方体5m；管棚注浆采用水泥水玻璃双浆液，拟定注浆参数：水泥浆水灰比1:2，添加水泥浆液体积5%水玻璃；水玻璃浓度：35 波美度；水玻璃模数：2.4；注浆以注浆量为主要控制参数，难以注入浆液时，提高注浆压力，一般注浆压力范围0.5～2MPa。 （5）开挖掘进之间，先钻孔探明有没有空腔，空腔位置。 先注水泥浆，保证水泥浆厚度0.5m，顶上空腔用掺10%水泥的水泥粉煤灰混合料填充。 （6）在塌方范围内用φ42 的钢花管注浆加固围岩， 将径向钢花管对围岩进行注浆，并保证注浆量填充管棚上方至少3m 的松散土，起到护拱的作用。 （7）注浆完成后开始掘进施工，开挖完成后及时进行围岩喷射混凝土4cm，稳定围岩，立拱架，打径向锚管注浆，一定要保住注浆量，确保注浆质量。（8）塌方处理过程中, 洞内塌方段落及前后10m 范围内加强监控量测。 短进尺早封闭，尽快施做仰拱，根据监控量测的结果，适时施做二衬。

5 软弱风化严重的页岩围岩隧道塌方防治

5.1 加强超前支护

单层超前小导管变为双层超前小导管，增加长度，加强超前刚性支撑，提高预加固强度，增大承载力。 自拱腰至拱顶环向间距中对中35cm 对称施工，安装钢管；安装止浆阀，使用M30 水泥砂浆对钢管及周边围岩裂隙进行填充，提高围岩及钢管整体强度；以此施工方法完成围岩预加固。

5.2 加强初期支护

设计中采用I20a 型钢拱架，纵向间距60cm，在施工中调整为纵向间距50cm，同时将长3mФ42×4mm 锁脚锚杆改为长5mФ89×5mm 锁脚钢管，并填充M30 水泥砂浆，提高钢管与岩体摩擦力及钢管本身的变形能力， 从而提高初期支护整体承载力。

5.3 优化开挖施工方法

依据该围岩特点， 总结关键施工要点就是在围岩岩土开始剥落之前要快速封闭围岩， 完成初期支护对围岩形变压力提供支撑反力。 在常规施工CD 法基础上进行优化改进为简易CD 法（图2）。

图2 简易CD 法施工图

简易CD 法采用三台阶方法施工， 即分为上台阶左右侧、中台阶、下台阶左右侧和仰拱开挖施工。 上台阶分成左右两侧施工，为短台阶，左右侧错开长度为3～5m，中间增加了中隔墙， 纵向间距与初期支护型钢拱架间距一致，型钢可比初期支护型钢小一个型号，中隔墙采用I16型钢长度2.5m，顶部、底部使用I16 型钢纵向将中隔墙型钢与支护的I20a 型钢进行刚性连接，增加开挖腔体的整体性，连接完成后，施做锁脚，喷射混凝土。开挖施工方法优化后，缩短每环施工时间，在短时间内完成初期支护施工，有效减小围岩扰动以及加快掌子面支护及封闭，防止围岩坍塌。 在上台阶施工完成3～5m 后，开始施工中台阶③（停止上台阶施工），中台阶施工按预留核心土方式施工，将上台阶初支全部接长至中台阶后，再开始下一循环的上台阶施工。 下台阶与上台阶间距为10～15m，④和⑤部分错开施工，错开间距3～5m，有效减小下台阶和上台阶施工干扰，最后开挖⑥部分施工仰拱。

图3 现场实际照片

5.4 施工效果

监控量测对拱顶沉降、周边收敛项目进行实时监测。根据现场地质及变形变化情况布设监测点， 在施工段按纵向间距5m 进行布点，同一断面布设拱顶1 点，拱腰左右侧各1 点，在每天同一时间对监测点进行量测，对沉降及收敛数据进行整理分析，预留量为30cm。 开始1～3 天拱顶和周边收敛变形速度较快的变形值为2～3cm/d，最终的变形值都在25cm 以内。施工质量可靠，变形量较小，比传统CD 法节省1/3 的时间。

6 结论

隧道软弱围岩段施工时的坍塌病害防治已经成为了当前隧道施工不可避免的一个难题。 在进行隧道软弱围岩段施工时，及时预防围岩大变形防止围岩坍塌，要注意遵循“短开挖、少挠动、超支护、强支护”的原则。在具体施工过程中应根据实际情况采用相应措施组合处理， 本文提供的超前强支护、 缩短初期支护间距以及改进优化的简易CD 功法， 在软弱风化严重的页岩围岩隧道施工中得到较好的应用，是平衡工期、成本、安全的较好的施工方法。