长昆客专某隧道坍方分析及其处理方案
【摘要】本文通过对某隧道坍方后的地质钻探、物探分析，探明了由于节理密集带走向和隧道走向夹角较小，形成不利结构面组合斜穿隧道，当局部出现围岩失稳破坏后造成在较长地段发生牵引型连续坍塌，是隧道产生塌方的基本原因。研究了有针对性的分段处理的原则，提出了隧道坍方的处理方案，确保了隧道施工的安全和工期目标。
【关键词】 隧道 坍方原因 处理方案 1前言
2012年4月23日，某隧道进口掘进至里程为DK217+999时，掌子面附近出现拱顶局部塌方。此时下台阶里程DK217+9，仰拱里程DK217+945，拱墙二衬里程DK217+916。24日从掌子面局部塌方点起，往洞口小里程方向开始大规模塌方，直至已完二衬DK217+916点止，掌子面至二衬台车前沿DK217+91683m初支全部坍塌。
2工程概况
2.1隧道概况
某隧道位于湖南省新化县境内。进口里程DK217+400，出口里程DK223+025.82，隧道全长5625.82m，为铁路客运专线双线隧道；隧道最大埋深341m。隧道内纵坡为19.95‰的单面上坡，隧道设置两个斜井和一个横洞。
2.2地质情况
某隧道处于低山区，沿线地形起伏较大，地势陡峻，总体地势西高东低。山坡植被茂密，基岩大部裸露，覆盖层较薄，隧道进口处覆盖较厚的坡洪积地层。
隧道地质构造复杂，岩相变化较大。全隧道有5条断层。其中F5断层相交里程为DK217+780，断层产状274°∠50°，断层走向与路线呈65°斜交，为逆断层，上盘为奥陶系下统桥亭子组上段（O1q2）砂质板岩，下盘为泥盆系中统大屋湾组（D2d）石英砂岩。
根据DK217+937左10.4m（09-ZD-10303）钻孔揭示及区域地质调绘、钻探和物探资料显示，DK217+820～DK218+170段为泥质板岩、砂质板岩，弱风化，中厚层状，岩质较硬，岩石节理裂隙较发育，岩体较完整，呈块石及碎石状，镶嵌结构。根据地质调绘及物探大地电磁EH－4分析，该段没有地质构造异常。
地下水主要为基岩裂隙水、构造裂隙水，其受控于岩性、地质构造、风化程度、地形地貌等特征；DK217+820～DK218+170段（长度350m）综合判定围岩级别为Ⅲ级。Ⅲ级围岩段采用台阶法施工，Ⅳ级围岩段采用弧形导坑预留核心土
法施工。
定测阶段物探大地电磁EH－4局部纵断面图
2.3隧道塌方段纵断面情况如下图
3坍方分析
本隧道掌子面后方在较短时间内发生长度为83m的较大范围的坍方，经采用补充地质钻孔及物探，综合分析原因如下。
塌方体示意图
3.1某隧道通过古老的奥陶系浅变质砂质板岩，局部发育顺层的隐性构造节理密集带，虽然岩体保持层状外观，但内部结构已被强烈切割，隧道开挖扰动，易形成以层面为主导的不稳定体。由于节理密集带走向和隧道走向夹角较小，形成不利结构面组合斜穿隧道，当局部出现围岩失稳破坏后造成在较长地段发生牵引型连续坍塌，是产生塌方的基本原因。
时值该地区连续三个月降雨，基岩裂隙水下渗量加大，软化围岩及降低结构面强度，加大围岩容重，是诱发塌方的重要因素。
3.2 硬质岩体塑性变形不明显，具有脆性变形的特性，开挖爆破反复扰动节理密集带，加之地表水下渗，造成岩体结构面软化，强度降低，使岩体突然失稳。同时，由于节理密集带性状复杂，其形成和分布具有很大的偶然性，规律和变形特征不明显，造成此段塌方具有突发性、隐蔽性。
3.3 施工过程中，超前地质预报和开挖揭示后均未发现隐伏节理密集带这种特殊地质现象。对于隐性节理密集带分布、不利结构面组合、硬质岩体脆变特征、变形突发变化等围岩特性认识不足，导致在围岩变形值未超过规范指标条件下的特殊变化没有引起足够的重视，未在施工中及时采取有效的针对性措施来避免塌方或降低塌方规模。
4处理方案
根据塌方段实际长度及塌方影响段长度，结合补勘地质资料及检测段，需处理的段落为DK217+868～DK218+020，长度152m。并根据不同情况，按以下段落分别采取不同的处理方案：
1）DK217+868～DK217+2，长度24m（二次衬砌影响段）；
2）DK217+2～DK217+916，长度24m（二次衬砌破坏段）；
3）DK217+916～DK217+9，长度48m（全断面已开挖段）；
4）DK217+9～DK218+020，长度56m（上导开挖及影响段）。
4.1 DK217+868～DK217+2长度24m二次衬砌影响段处理方案
DK217+868～+2段已完成二次衬砌施工，受某隧道DK217+916～+999段塌方影响，隧道仰拱填充表面出现不同程度开裂，隧道结构功能受到不同程度影响，采取先检测评估后制定相应处理方案。
对DK217+868～+2段仰拱及仰拱填充裂缝部位部分凿除重新浇筑C35微膨胀混凝土方案，裂缝部位凿除宽度为1.0m，深度至裂缝发育位置；仰拱填充顶部凿除35cm，并采用φ16钢筋植筋，植筋间距0.25m，植筋后对凿除部分仰拱填充采用C35钢筋混凝土重新浇筑。
4.2 DK217+2～DK217+916长度24m已完成二次衬砌段处理方案
已完成二次衬砌施工的DK217+2～+916段，受塌方严重影响，隧道边墙裂损严重，其中DK217+904～+916段，长度12m，位于衬砌台车范围内，无法观测，但衬砌台车变形极为严重，且该段落内隧道仰拱填充表面出现多道斜向裂缝，本段二次衬砌全部拆换。
4.2.1二次衬砌临时加固
DK217+2～+904段已施工二次衬砌内加设临时伞形支撑，伞形支撑间距1.0m。
4.2.2超前注浆加固围岩
对DK217+2～+916段衬砌外围岩进行超前注浆加固。超前注浆参数如下：
1） 注浆开孔直径110mm，长度为3m，设置φ108壁厚5mm孔口管;孔洞剩余部分钻孔直径均为91mm；
2）注浆范围为隧道开挖轮廓外5m；
3）注浆浆液为水泥浆，水泥浆水灰比为0.8~1:1。
4）单孔有效扩散半径2.5m，地层注浆压力0.5~1.5MPa。
4.2.3设置超前长管棚预支护
DK217+2处设置一环超前长管棚，超前长管棚长度30m，用于拆除二次衬砌期间的超前支护。长管棚设导向墙，导向墙利用超前注浆的止浆墙。
4.2.4衬砌台车拆除
衬砌台车拆除时，根据台车肋的模数，每2.0m割除一次，并保留下一台车肋。台车拆除过程中，需要对台车悬臂部分进行临时钢构件加固。
4.2.5二次衬砌拆除
按不大于1m拆除既有衬砌，并按照支护衬砌厚度要求进行扩挖，并随扩挖随支护。
4.2.6衬砌支护参数
DK217+2～+916段二次衬砌拆换后，新施做衬砌支护参数如下：
1）DK217+2～+904段，采用Ⅴ级围岩Ⅴa型复合式衬砌。
2）DK217+904～+916段，长度12m，采用加强式衬砌，具体参数如下：
初期支护厚度35cm，钢架采用I25a型钢，钢架间距0.6m，采用φ10钢筋网，网格间距20x20；系统锚杆边墙设置，采用φ22砂浆锚杆，长度4.0m。二次衬砌厚度拱部60cm，仰拱70cm，采用C35钢筋混凝土。
4.2.7径向注浆
DK217+904～+916段初期支护完成后，对拱墙范围初期支护背后径向注浆，注浆范围为开挖轮廓外5.0m。
4.2.8主要施工步骤
1）DK217+2～+904段架设临时伞形支撑；
2）施做DK217+2～+916段超前注浆；
3）施做DK217+2～+916段超前长管棚；
4）由外至内，逐段割除衬砌台车，并拆除破损衬砌；
5）逐段重新施做DK217+904～+916段初期支护，并增设临时支撑；
6）对DK217+904～+916段拱墙初期支护背后径向注浆；
7）由外至内，逐段拆除DK217+2～+904破损衬砌；
8）逐段重新施做DK217+2～+904段初期支护；
9）重新施做DK217+2～+916段二次衬砌。
4.3 DK217+916～DK218+020长度104m已完成全断面开挖段处理方案
4.3.1超前注浆整体段落划分
对DK217+916～DK217+9，长度48m，采取隧道内塌体及开挖轮廓外分别进行注浆加固及固结的措施；对DK217+9～DK218+020，长度56m，采取对隧道内上台阶部分塌体及开挖轮廓外分别进行注浆加固及固结的措施。
4.3.2超前注浆循环段落划分
塌方处理段超前注浆起讫里程为DK217+916～DK218+020，注浆段落总长104m。该塌方段落总共划分为五个注浆循环。即每一注浆循环长度25m，注浆岩盘厚度3.0m，有效开挖长度22m。
其中，第一循环止浆岩盘及止浆墙设置如下：
1）1号斜井工区上台阶开挖至DK218+020附近，停止开挖，利用DK218+017～DK218+020段，厚度为3m围岩作为第一循环注浆的止浆岩盘，开始注浆前对上台阶掌子面进行喷锚防护，具体参数为：喷射15cm厚C30混凝土，φ10钢筋网，网格间距25x25，锚杆φ22砂浆锚杆，长度5.0m。
2）DK217+914～+916段设置第一循环止浆墙，厚度2.0m，采用C20混凝土灌注，兼做超前长管棚导向墙。
4.3.3超前注浆参数
1）注浆孔均布置于上台阶，DK217+916～DK217+9段每循环布孔54个， DK217+9～DK218+020段每循环布孔47个。
2）注浆开孔直径110mm，长度为3m，设置φ108壁厚5mm孔口管;孔洞剩余部分钻孔直径均为91mm；
3）注浆范围：DK217+9~DK218+020段注浆范围为隧道开挖轮廓外6m；DK217+914~ DK217+9段注浆范围为隧道开挖轮廓外8m。
4.3.4 超前支护措施
超前支护采用超前长管棚及间隔超前小导管联合支护方案，具体参数如下： 1）超前长管棚：管棚长度30m，纵向一般每22m一环，环向设置间距按30cm布置。
2）超前小导管：超前导管规格为热轧无缝钢花管，外径42mm，壁厚3.5mm，小导管长度2.5m，小导管环向间距为30cm，纵向每2榀一环。
4.3.5衬砌支护参数
DK217+916~DK218+020段，共104m，衬砌采用加强式衬砌。
4.3.6排水加强措施
对DK217+916~DK218+020段，共104m，加强其排水措施，每排水单元增加两道φ50mm环向透水盲沟，环向透水盲沟开孔于隧道侧沟壁。
4.3.7主要施工步骤
1）重新施做DK217+900～+916段二次衬砌后，施做DK217+914～+916段超前注浆操作平台。
2）施做DK217+914～+916段第一循环超前注浆止浆墙。
3）施做第一循环超前注浆，注浆加固及固结塌体。
4）施做超前长管棚。
5）塌体开挖。
6）根据塌体开挖后揭示注浆情况，局部补注浆，确保注浆效果。
7）塌方段防排水系统及二次衬砌施做。
8）施做下一循环超前注浆及超前长管棚。
9）继续开挖及衬砌。
五、结语
某隧道塌方及影响段采取进口工区及1号斜井工区同时进行处理，总工期约6个月，2012年7月初至2012年10月15日施工斜井及DK218+025～DK218+100段正洞，自2012年10月15日开工，2013年4月15日完成，保证了项目总体工期目标。
【参考文献】
1、铁路隧道设计规范（TB10003-2005）；
2、锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）；
3、鄢定嫒，具有层理弱面砂质板岩力学特性的试验研究，公路交通科技，2012；
4、钟长云，砂质板岩风化料的物理力学性质试验分析，西部探矿工程，2005。
