大断面黄土隧道塌方处理技术浅谈

摘要：对黄韩侯铁路张庄隧道3号斜井大里程侧塌方进行了原因分析，针对现场塌方的实际情况，确定了合理的处理方案。探讨了大断面黄土隧道施工预防坍塌措施，以供类似工程参考和借鉴。

关键词： 大断面； 黄土； 隧道； 塌方； 处理技术

中图分类号：U45 文献标识码： A

一. 工程概况

黄陵-韩城-侯马铁路线路全长204.58km，其中增建二线并电化121.63km，新建双线段82.95Km。沿线隧道共计9座，总长31073m。设计速度目标值120Km/h。

张庄隧道位于合阳县甘井镇北张庄村，设计为双线隧道，起讫里程:DK59+250～DK66+432，全长7182m，为大断面浅埋黄土隧道。隧道地处黄土台塬区，地形平坦，地面高程一般为715～803m。

二. 塌方情况及原因分析

1. 塌方段现场情况

2013年9月2日下午13时左右，挖机在进行仰拱开挖作业时，仰拱开挖段右侧钢架挤入，约2分钟左右，塌腔填满整个作业面，塌方段为DK63+850～+872。现场采用三台阶法施工，上台阶掌子面里程DK63+872，仰拱里程为DK63+850，二次衬砌里程为DK63+830。塌方段洞顶埋深约85m，为深埋隧道，地表平坦，地形无偏压。塌方段侧面图见“图2-1”。

图2-1

2. 塌方段工程地质及水文地质

2.1工程地质

DK63+872～DK63+850塌方段洞身通过地层为黏质黄土（Q2eol3）：棕黄色，土质不均，孔隙发育，夹多层古土壤层，局部含零星小砾石及少量钙质结核，硬塑，局部软塑，上部具湿陷性，Ⅲ级硬土，σ0=200kPa，为Ⅳ级围岩。

2.2.水文地质

塌方段位于合阳县北部黄土台塬区，台塬表面完整平坦。沿线上部广泛分布第四系孔隙潜水，富存于黄土孔洞－裂隙中，下部为基岩裂隙水。洞身位于地下水位以上，地下水不发育，单位正常涌水量为0.28m3/d。

3.塌方段设计情况

拱部140°范围设Ф42超前小导管，小导管长度3.5m，环向间距40cm，纵向2m/环，外插角5～10°，纵向搭界长度不小于1m；断面采用大拱脚，宽度60cm。

拱墙设I16型钢钢架，间距1榀/1.0m，钢架纵向采用Ф22钢筋进行连接，环向间距1m；边墙设Ф22砂浆锚杆，长3.0m,间距1.2m×1.0m,梅花形布置；拱墙设置Ф8钢筋网,间距25×25cm；拱墙喷C25混凝土，厚度23cm。断面开挖宽度12m，开挖高度11m，断面图见“图2-2”。

图2-2

4. 塌方段原因分析

黄土隧道塌方的产生主要受现场施工工艺、开挖工序、施工机械的操作、地层特性、地形条件、水文地质条件等因素的控制和影响。本段塌方的原因主要是前期持续降雨增加土体负荷、含水量增大，现场人员认识不足，未及时提出进行加强处理。

三.塌方处理方案1.监控量测

为保证张庄隧道3号斜井DK63+850附近塌方段施工安全，避免次生灾害的发生，现场要求加强洞内、外监控量测。

1.1洞内量测频率为3次/天，设置专人24小时不间断观测DK63+818～掌子面段初期支护、二次衬砌变化情况，发现异常立刻通知隧道内所有施工人员先行撤离，并采取紧急处理措施。

1.2 DK63+840、DK63+850、DK63+860、DK63+870、DK63+880各布置一个量测断面，每个断面观测范围为隧道中线两侧各10米。

①监测频率每天量测1次。

②地表设置警戒范围及明显的警戒标志，范围为60×80m（横向×纵向）。

③地表应派专人值守，观测人员应密切关注地表情况，确保自身安全，发现异常应立即撤离并及时向有关负责人进行汇报。

2. 地表处理

2013年9月10号，现场地表监测人员发现，塌方段地表出现塌陷，塌陷位于隧道正上方，尺寸约为6m×6m（纵、横）。地表处理措施如下：

a.在地表塌腔设立警戒线，并设专人守护，保证安全。

b.地表设截水沟及雨棚，防止雨水灌入塌方体。

c.待本段二次衬砌施作完成并达到设计强度后，对地表陷坑进行回填处理，地表50cm采用三七灰土进行分层夯实，换填后应高出原地表至少30cm，避免积水下渗威胁结构安全。

3. 塌方处理

3.1 塌方处理分段

a．DK63+830～+847塌方影响段，经现场测量，未侵入二衬。主筋由原设计φ22调整为φ25钢筋，间距由原设计20cm调整为15cm，混凝土由原设计C35钢筋混凝土调整为C40钢筋混凝土。

b．DK63+847～+872段塌方处理采用Φ108大管棚、小导管+三台阶临时仰拱的综合方案，其中：

①DK63+847～+850已施工仰拱段，初支侵限严重，对初期支护进行拆换，拆换段采用加强初期支护措施。

②DK63+850～+857段施工Φ108大管棚后，由于角度影响，初期支护侵限，待上台阶开挖完成后进行拆换。

③DK63+857～+872段，施工Φ108大管棚后，按设计工序进行施工。

塌方段纵剖面图见图“3-1”。

图3-1

3.2 塌方处理流程：大管棚+三台阶临时仰拱法施工

3.2.1拱部超前Φ108管棚施做

管棚施工：沿DK63+847初期支护内缘密排3榀I20a型钢钢架作为导向钢架，并施做拱部Φ108管棚，管棚长度40m且同时保证打入原状土至少5m，管棚环向间距40cm，外插角4°；管棚设置范围为拱部140°，管棚内设置钢筋笼，水泥砂浆充填。

根据探明的塌腔情况设泵送混凝土管，对空洞地段先用粒石混凝土泵送回填，然后再压注水泥浆进行固结。

3.2.2上台阶施工

（1）拱部大管棚施做完成后，在拱部大管棚之间增设Ф42超前小导管，小导管长度4.0m，环向间距40cm，外插角5～10°，纵向2m/环。

（2）开挖上台阶，并预留核心土，及时施做上台阶初期支护、临时仰拱及竖撑。

（3）初期支护采用C25喷混凝土，厚30cm，钢架采用工22b型钢钢架，间距0.5m；钢架内侧设φ22纵向连接筋，连接筋间距1m。临时仰拱支护采用工22b型钢钢架，间距0.5m，喷混凝土厚30cm。

（4）开挖过程中对发现的塌方空腔采用泵送粒石混凝土进行回填，然后再注浆进行固结。

3.2.3侵限段初支拆换

上台阶开挖完成后，封闭最前方掌子面；对DK63+847～DK63+857初支侵限段进行拆换；拆换时为保证施工安全，分左、右侧先后进行拆换，拱部反向打设Φ42超前小导管，小导管长度5m，环向间距40cm，外插角5～10°，纵向搭界长度不小于1m；增设竖向支撑，接长临时仰拱钢架。

每段拆换长度为1m，按左、右侧分别进行拆换，拆换后及时施做钢架及喷混凝土支护，喷混凝土厚30cm，钢架采用工22b型钢，间距0.5m。

3.2.4阶开挖

上台阶初期支护全部完成拆换后，进行阶开挖，左右侧分部开挖，中间留核心土。

（1）先开挖左侧分部，并及时施做钢架及喷混凝土支护，初期支护采用C25喷混凝土，厚30cm，钢架采用工22b型钢钢架，间距0.5m；钢架内侧设φ22纵向连接筋，连接筋间距1m；右侧分部施工同左侧。

（3）最后再施工中部土体，并及时施做工22b临时横撑及竖撑。

3.2.5仰拱施做

除DK63+830～DK63+850仰拱已施做段外，待阶开挖完成约3m左右后，开挖仰拱，并及时施做仰拱初期支护，使支护及时封闭成环，每次开挖长度不大于1m。

仰拱初期支护采用22b型钢钢架及喷混凝土支护，型钢钢架间距0.5m，喷混凝土厚30cm；仰拱开挖约2～3m后，及时施做仰拱及仰拱填充。

3.2.6二次衬砌施做

根据监控量测结果，分段拆除DK63+847～DK63+872段临时支护，待初期支护、仰拱及填充全部施工完成后，分段拆除临时支护，每次拆除长度为4～6m，并及时施做拱墙二次衬砌。

施工工序图见图“3-2”。

图3-2

四.预防隧道塌方的措施

1.黄土隧道施工，现场应加强施工现场用水管理，严禁浸泡初期支护基础造成拱顶下沉。

2.开挖应随挖随支，衬砌紧跟，设超前支护。

3.黄土隧道施工时应及时发现一些隐患，如地表对线路有影响的陷穴、陷坑应及时回填；对地形偏压、人工回填土层等应谨慎施工。

4.墙角、拱角等隅角处应预留60～70cm人工开挖，严禁超挖。

5.上半断面施工支护完成在进行下部开挖前，拱脚位置应打锁脚锚管，防止由于下部开挖造成拱架下沉引起坍塌。

6.断面采用大拱脚，增大底部受力面积，可有效控制沉降避免塌方。

7.合理控制工序间距，开挖工作面距仰拱和填充的距离为20～30m，仰拱与拱墙衬砌之间的距离为20～30m，含水量大时应适当缩短距离。

8.控制仰拱开挖进尺，一次开挖长度不得大于3m，做到初期支护尽早封闭成环。

五.结语

通过本次塌方的处理，特别想谈一谈自己的体会，希望对类似工程的处理有一定的帮助。

1.不仅仅是自然因素会引起隧道塌方，人为因素也会引起塌方。如果能够及时发现问题，可避免事故的发生。

2.现场监控量测工作应引起施工单位的足够重视，只有监测到位，才能做到早发现、早处理。

3.黄土隧道施工时，拱脚、墙脚处应预留60～70cm进行人工开挖，避免采用挖机作业，扰动钢架底部，导致“关门”事故的发生。

4.仰拱一次开挖长度不应过长，长大段落的临空会产生塌方，造成人员伤亡。

5.现场锁脚锚管应按设计施工，并进行灌浆处理，使之真正发挥“锁+锚”的功能。

6.确定合理的施工工序，做到左右侧错开施工，避免大的临空面，降低施工风险。

7.黄土隧道施工，应在施工的隧道内配置急救包（箱），设置逃生管道，在发生关门事故时，能够为抢险、救援工作的顺利实施提供有效帮助。