结合实例浅谈高风险隧道塌方施工技术

摘要: 本文主要结合了工程实例，分析了不良地质条件下隧道穿越F1断层发生塌方的施工技术措施，为了消除其给施工安全和施工进度带来的极大影响，通过超前周边注浆及超前预支护措施，对该段进行加固处理，实践证明，在高风险隧道不良地质段落所采用方法合理有效，拱顶沉降控制在合理范围，最终安全有效地通过了高风险隧道断层塌方段。可为高风险隧道施工提供了可靠的依据。

关键词：高风险隧道；断层；破碎带；塌方；超前预支护；施工技术

0 引言

随着我国隧道修建技术的不断发展和不断增长的经济需求，铁路、公路隧道的发展趋势是隧道越修越长、越修越宽；穿越的地质越来越复杂，所需要的技术越来越难、越复杂、风险也越来越高，隧道遇到断层破碎带塌方问题也日益增多，而断层破碎带塌方在隧道塌方中占的比例很大。长大隧道施工中经常受到断层破碎带影响，断层破碎带地质条件复杂，岩体破碎，且多数裂隙水发育，隧道通过时极易产生塌方等事故，对隧道施工安全风险影响极大。如此的话，如何在高风险隧道施工中规避此类事故的发生，以及当事故发生后如何有效处置，已成为高风险隧道施工亟待解决的重要技术难题。

1.工程概况

1.1设计概况

新建铁路沪昆客运专线长沙至昆明段梨子坪隧道位于湖南省怀化市溆浦县境内。隧道进口端从北斗溪乡游鱼井村茅湾西面山坡进入隧道，下穿老牛冲、亮坳，经小横垄乡团结村黄土坳、杨柳村，在小横垄乡谭家村东约200m的小横垄河东岸山坡地带穿出隧道。

隧道起讫里程为DK273+441～DK279+756，全长6315m，双线隧道，左右线间距5m，设计行车时速350km/h，断面为139.9～166.27，为长昆全线控制性工程，隧道DK276+615.1～DK278+850.4段位于左偏曲线上，曲线半径8995m，其他地段位于直线上。隧道进口端609m为平坡，接着是5100m长19‰的上坡，出口端为606m长4‰的上坡。最高点位于隧道中部DK275+400处的大垴坡，高程为807.6m，隧道最大埋深约为250m。梨子坪隧道进口端DK273+441～DK273+468段为缓冲结构，长为27m明洞；出口端DK279+745～DK279+756段为倒斜切式明洞，长为11m。

Ⅲ级围岩采用台阶法施工，Ⅳ级围岩采用弧形导坑预留核心土法施工，Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步开挖法施工。隧道风险等级为二级，易发生坍塌和突水突泥，一旦坍方突破可能形成连锁变形，不断扩大。

1.2工程地质概况

梨子坪隧道地质情况极为复杂，隧道穿越雪峰山北麓的侵蚀构造中低山区，山峦叠嶂、沟谷纵横，地形起伏大，地势陡峻，区域内最高海拔为807.6m，地表植被茂盛。隧道进口地形相对较平缓，自然坡度25°～35°，坡下为村落，分布耕地。隧道出口地形较陡，自然坡度30°～45°，风化厚度大，坡下为小横垄河河滩，分布耕地。

梨子坪隧道地层岩性主要为砂质板岩、炭质板岩、粉砂岩、石英砂岩、绢云母板岩。全隧Ⅲ级围岩2330m，占36.9%，Ⅳ级围岩2865m,占45.4%，Ⅴ级围岩1120m，占17.7%。

梨子坪隧道受小横垄―槐子冲变形区的影响，发育有九溪江―三岔溪变形亚区（为一复式背斜）和槐子冲―对江坪变形亚区（为一宽缓向斜），隧道穿越两变形区的转折端和九溪江--三岔溪变形亚区东翼，断裂结构发育，洞身穿越北斗溪断层、发育枸杞岭―干田岭断层及其支断层、小坪溪断层、中林断层计五条断层，西部隧道出口约100m发育黄茅园―溆浦压扭性断层。不良地质主要有危岩落石、放射性、高地应力、岩爆、构造破碎带及影响带等。地质较复杂，施工风险较大。

梨子坪隧道区由于断裂构造较发育，主要穿越以下断层，即：

北斗溪断层（F1）：非活动性逆断层，在DK273+900附近与路线交角约50°，平面上呈舒缓坡状，延伸长度大于10km，为区域性逆断层，在测区内因岩层风化较强烈，被第四系地层较厚，植被茂密。

枸杞岭―干田岭断层支断层（F2）：在DK274+345附近与路线交角约50°，该断层为区域性枸杞岭―干田岭断层的分支断层，为非活动性逆断层，平面长度约2km，延伸较平直，破碎带宽约20m，带内为构造角泥砂质砾岩，该断层在地表表现为沟谷负地形，多被第四系地层覆盖，硅质岩出露地表一般形成高陡悬崖。

枸杞岭―干田岭断层（F3）：在DK274+590附近与路线交角约50°，为区域性非活动逆断层，平面上呈舒缓坡状，延伸长度约20km，破碎带宽度50～100m，该断层在地表表现为沟谷负地形，多被第四系地层覆盖，硅质岩出露地表一般形成高陡悬崖。

F4推断层：为物探反应推测断层，地表未见出露。

小坪溪断层（F5）：在DK277+155附近与路线交角约40°，为非活动性逆断层，平面上较平直，延伸长度约10km，破碎带宽约1.8～2.5m，带内为破裂岩，硅化强烈，硅质岩脉不规则分布且相互穿插，该断层在地表多被第四系地层覆盖，极少见其出露。

隧道区地下水主要赋存于第四系松散岩类中的孔隙水、基岩浅部的裂隙水以及构造破碎带中的构造裂隙水。结合隧址区地层岩性、地质构造、水文地质条件，本隧道正常涌水量范围为265.94 m3/d～18368.18m3/d，最大涌水量范围为766.35 m3/d～26561.78m3/d。

根据以上地质资料，梨子坪隧道穿越F1，F2，F3，F4，F5 5个断层，其中F1断层位于进口段DK273+730～DK273+860共长130m，围岩极为破碎，实际揭示围岩主要为炭质板岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩层倾向线路左侧，倾角约30°～40°，岩层受构造挤压作用，节理裂隙发育，局部岩层陡倾，隧道右侧拱腰斜向至拱顶处岩体较破碎，呈碎石状、薄片状结构，岩石强度较低，岩石整体完整性较差，围岩稳定性较差，易发生坍塌、掉块，少量基岩裂隙水。施工至DK273+757拱顶右侧随即发生塌方，造成施工现场无法正常施工，机械设备出现损坏，降低施工进度，增加了施工成本。F1断层分部情况如下图1。

图1F1断层纵断面图

2.塌方过程及原因分析

2.1塌方过程

隧道进入F1断层段采用三台阶七步开挖法施工，当开挖至DK273+757掌子面时拱顶右侧发生了塌方，设计围岩为Ⅴ级围岩（实际可以达到Ⅴ级），开挖揭示岩体为炭质板岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩层倾向线路左侧，倾角约30°～40°，岩层受构造挤压作用，节理裂隙发育，局部岩层陡倾，隧道右侧拱腰斜向至拱顶处岩体较破碎，呈碎石状、薄片状结构，岩石强度较低，岩石整体完整性较差，围岩稳定性较差，少量基岩裂隙水。开挖1h后，拱顶右侧不断出现掉快坍塌，形成一个高4～6m的坍腔。我部根据情况不同迅速反应，采用喷射混凝土封闭措施，由于围岩非常破碎，不断的进行掉快坍塌，无法承受塌方体自重力，喷射混凝土无法对该段围岩形成有效封闭。此次塌方可能与F1断层有关。根据现场资料，塌方量多达300m3，如图2所示。

图2DK273+757断面围岩坍塌横剖面示意图

2.2塌方原因分析

⑴隧道走向与岩层走向不同，裂隙节理发育。掌子面开挖接近背斜的核部；超前支护打设不及时不到位的话，隧道开挖给拱部坍塌提供了临空面。

⑵该段地层围岩为炭质板岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩石稳定性较差，较软弱破碎。隧道开挖后，由于F1断层的影响，该处有一厚0.6～1.0m的软弱泥质夹层，遇裂隙水软化，自稳及抗剪切能力极差。同时该夹层切割起拱线部位形成应力集中，在岩石软弱破碎的情况下，易发生局部破坏，拱顶右侧位置易发生切层掉快，引起塌方。

⑶塌方段原设计为Ⅴ级围岩Ⅴe型结构，H175型钢0.6m/榀全环布置，拱墙锚杆纵环向间距为1.0×1.2m，长度为5.0m；φ10钢筋网片（20×20cm），从现场施工情况来看，围岩类别偏于保守，但初期支护形式不合理，不能起到有效的支护作用。对地质情况的误判导致采用的支护方式为锚网喷支护，锚杆按照径向布置，基本与断层平行，不能与周边稳固围岩连接，不能实现锚杆的组合梁作用。喷射混凝土采用厚35cm的C30喷射混凝土。同时由于喷射混凝土强度有一定增长期，前期强度较弱，难以阻挡拱部的松动荷载，无法抑制变形的进一步增长。

⑷随着开挖的进行，隧道埋深迅速增加，，二次应力效应明显增加，围岩二次变形增大，在裂隙发育，岩石软弱的破碎带炭质板岩段，围岩表现为收敛变形和松动坍塌。

⑸超前预报缺乏及时性，超前支护措施不当，针对这样的地质条件，应采取合理的超前支护措施，同时超前周边注浆缺乏整体受力的针对性。

⑹量测点的布置位置缺乏针对性。断层破碎带围岩变形具有突发性，特别是出现局部塌方后如何安全布置量测点、如何检测等都是问题，断层破碎带围岩不能起到有效的监控量测效果。

3.断层破碎带处理指导思想

按照锚喷构筑法原理组织施工，稳扎稳打、步步为营、防塌为主，即少扰动围岩和超前预支护，充分发挥围岩的作用，尽早封闭成环，形成一个整体受力结构，加强量测及信息反馈，指导施工。

⑴施工中坚持遵循“管超前、预注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则。

⑵利用“超前钻孔”等手段探明前方断层地带的情况。

⑶加强超前注浆等预加固、堵水措施，改良地层。采用超前小导管、钢架、网喷混凝土及支护手段，构成强支护体系，仰拱及时支护成环，并及时组织衬砌施工。

⑷根据位移量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定状态吗，及时调整支护参数，确保施工安全。

4.施工工艺及方法

4.1施工工艺及步骤

①对掌子面、拱墙暴露部位及坍腔口部进行初喷 ②对坍腔小里程边沿3m范围进行初期支护（型钢钢架）③对剩余部分进行初期支护(格栅钢架)

④对坍塌部位进行初期支护 ⑤坍腔混凝土回填或注浆 ⑥处理完毕后续施工。

如图3所示。

图3DK273+757纵断面围岩坍塌处理示意图

4.2施工方法

⑴进入断层影响带前，采用TSP203进行长距离宏观控制超前地质预报，根据预报成果合理调整施工方法及支护参数。

⑵由于有少量裂隙水发育，采用红外物探法进行红外探水。

⑶超前周边注浆及超前支护施作完毕，由于围岩极其破碎、松软掉快，在施工处理时开挖方法采用三台阶临时仰拱法施工。开挖采用风镐或弱爆破，循环进尺控制在0.5～0.6m。以减小对周边岩体的扰动。

⑷采用扩挖工作室进行加强支护系统处理，在原设计的基础上采用I22a工字钢架和超前小导管、锚杆加强支护，同时对坍腔内进行混凝土充填密实。确保施工安全。开挖后及早进行仰拱、铺底及衬砌施工。

5.施工处理方案

5.1初喷

采用机械手对掌子面、拱墙暴露位置及坍腔口部进行初喷，初喷厚度8cm，坍腔口部初喷加强，厚度为15cm，临时稳定围岩；逐步清理掌子面洞渣，并观察掌子面围岩完整性，如果围岩破碎，则停止扰动渣体，围岩较完整，则采用挖机将洞渣转至底部，堆积成台阶，上部洞渣每下降2m，对暴露围岩进行初喷支护；将中线位置台阶进行放坡，机械手行驶至台阶上，机械臂尽量升长对坍腔内部尽可能进行初喷支护，初喷厚度15cm。掌子面保证足够照明，安排专人对掌子面及坍腔稳定进行观察，发现异常，立即采取相应措施。

5.2 坍腔小里程边沿3m范围初期支护

采用I22型钢钢架进行支护，钢架间距1.0m，系统锚杆长度4.0m，间距1.2m（环）*1.0m(纵),敷设φ8钢筋网，网格尺寸20*20cm。线路右侧每处钢架连接板位置施工4根4m长φ42锁角锚管，线路左侧按设计参数布置锁角锚管，锁角锚管与基岩面成45°往下打入，2根锚管连接成U型，与钢架焊接牢靠，并用锚固剂将钻孔填塞饱满，最后用C30混凝土湿喷密实。

5.3对剩余部分初期支护

按Ⅳa型衬砌类型设计支护参数对该段进行初期支护。采用高175mm格栅钢架进行支护，钢架间距1.0m，系统锚杆长度3.5m，间距1.2m（环）*1.2m(纵),敷设φ6钢筋网，网格尺寸20*20cm。线路右侧每处钢架连接板位置施工4根3.5m长φ42锁角锚管，线路左侧按设计参数布置锁角锚管，锁角锚管与基岩面成45°往下打入，2根锚管连接成U型，与钢架焊接牢靠，并用锚固剂将钻孔填塞饱满，最后用C25混凝土湿喷密实。

5.4坍腔部位初期支护

该段处于下锚段，右侧加宽为110cm，预留变形量50cm，实际需比标准断面扩挖160cm，扩挖前，应先判断坍腔是否稳定，如存在隐患，则先对上断面进行支护，再进行扩挖。扩挖时，采用短进尺，每次不超过1.0m，弱爆破，尽量减少对坍腔的扰动，防止继续坍塌。扩挖完成后，应立即进行初喷支护，厚度10cm，稳定开挖面。初喷完成，采用I22钢架进行支护(钢架上焊接钢架头做监控量测点)，间距0.6m，系统锚杆长度4.0m，间距1.2m（环）*1.0m(纵),相邻钢架内外层均安装连接钢筋，环向间距50cm，内侧连接钢筋布置成八字型，外侧平行隧道中线布置；全断面敷设φ8钢筋网，网格尺寸20*20cm。线路右侧每处钢架连接板位置施工4根4m长φ42锁角锚管，线路左侧按设计参数布置锁角锚管，锁角锚管与基岩面成45°往下打入，2根锚管连接成U型，与钢架焊接牢靠，并用锚固剂将钻孔填塞饱满；在坍腔位置拱背施工小导管，小导管一端尽可能深入围岩，一端与钢架可靠连接，小导管环向间距30cm(如图)；最后在拱背关外模湿喷C30混凝土封闭，厚度不小于35cm。封闭前应埋设2~3条透水盲管，盲管用土工布包裹，固定牢靠，防止掉落将地下水引出，并预留2个洞腔及2根注浆管(伸至坍腔顶部)，方便后续对坍腔进行混凝土及注浆回填。

处理效果如图4所示。

图4DK273+757坍塌处理效果图

5.5坍腔回填

利用初期支护留出的洞腔，将湿喷机喷嘴伸入其内进行C30混凝土喷填，每次喷填方量不超过2方，防止钢架短时间承受巨大应力，直至无法将混凝土喷入，再采用注浆泵进行注浆，填塞坍腔。

坍腔回填完毕后，应立即开展监控量测，初期应加强观察，每隔2小时观测一次为宜，发现数据异常，已经采取加固措施。监控量测反映变形稳定后，应尽早施工该段仰拱，早日封闭成环。

5.6后续施工

提前开始塌方段衬砌，为下步衬砌做好准备。二次衬砌必须紧跟开挖面，当开挖完成10m初期初期支护后，马上停止开挖施工二次衬砌8m，后进入下一循环，确保二次衬砌提前承受荷载。施工下一循环开挖支护时，应做好超前地质预报工作，主要为TSP、超前水平钻，且在每循环施工5个5m长加深炮孔，以对前方地质条件进行探测。并严格按设计参数施工超前小短管，减短每循环进尺(不超过2m)，开挖完毕及时按设计要求进行初喷，施工初期支护。

6.监控量测

⑴地质和初期支护观察：地质和支护状态观察包括塌穴观察和支护结构的支护效果观察。每天进行1～2次观察，并做好客观详尽的记录。

⑵净空收敛量测：在该断层段落按每5m间隔设置量测断面，根据收敛位移量、收敛速度、断面的变形形态，判断围岩的稳定性，判定支护措施是否妥当，并对支护参数进行调整。

⑶拱顶下沉量测：监视隧道拱顶的绝对下沉量，掌握断面的变形形态，判断支护结构的稳定性。断面设置同净空收敛量测。

⑷进行监控量测作业时要注意安全，测量净空收敛时操作速度要快，测量拱顶下沉时仪器要架设在警戒线以外。

⑸量测结果及时向上级单位报告，以便调整施工参数。

⑹量测频率在回填塌穴结束前为每天1～2次，塌穴回填结束后，视围岩稳定情况可适当降低频率，直至围岩停止变形可结束量测。

现场施工如图5、图6所示。

图5塌方处理后的喷射混凝土图6塌方处理后的二次衬砌施工

7.安全注意事项

⑴严格按照三台阶临时仰拱法施工，及时封闭成环。

⑵严格执行铁道部文件《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》（铁建设【2010】120号），并按要求控制好三台阶临时仰拱开挖法各台阶开挖的步距。

⑶加强超前地质预报工作，探明掌子面前方的地质情况和水文情况，如有异常，应及时采取必要的防护措施。同时，根据探测掌子面前方水量的大小必要时恢复该段内的超前周边注浆措施，并及时通知上级单位。

⑷施工时必须加强监控量测工作，密切关注洞内收敛情况，如有异常，应果断地采取初支加强、临时仰拱等措施控制变形，并及时通知上级单位。

⑸编制临时应急预案，储备好临时应急物资。

⑹掌子面应保证足够的照明，且安排专人对围岩稳定进行观察，发现异常，应立即预警，施工人员停止作业，并打开应急照明灯，管理人员指挥工人有序撤离作业现场或安全地带。

⑺工人进入作业面时一定要穿戴好安全防护用品，否则不允许进入作业面。

⑻成立安全警示小组，专门负责作业面的安全观察和警示，发现不安全因素时指挥人员撤离作业面。警示小组应每日向领导小组汇报作业面的安全生产情况，并做好安全生产记录。

8.结论与讨论

高风险隧道是目前高铁建设施工的难点，也是易于出现安全事故的风险所在，需引起高度重视。通过梨子坪隧道F1断层破碎带的施工实践表明，超前地质预报是非常重要的一环，其准确性将直接影响到施工措施的制定及其有效性；选择合理的隧道开挖方法是保证围岩整体稳定性以及避免大面积坍塌的重要保证；可靠的支护方式及小导管注浆措施是高风险隧道施工的灵魂所在，具有特别重要的地位。此外，小型塌方的判断和及时处理也是破碎带隧道施工的重要措施。将上述措施合理地结合和灵活运用而形成高风险隧道关键技术，通过以上关键技术的有效运用，安全并快速地通过了F1断层，同时对破碎围岩条件下的隧道塌方施工具有普遍的适应性。本次隧道塌方处理效果明显，保证施工人员作业安全，避免了次生事故的发生。加固后的塌方体稳定，二次衬砌结构安全可靠。

参考文献:

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