徐学深

(宁波顺和路桥设计有限公司，浙江宁波 315105)

0 引言

随着经济和社会的发展，交通量在迅猛增长，早期修建的城市隧道已越来越不适应现代交通的需求，改建或扩建既有老隧道已成为一种发展趋势。由于受城市路网布局和建筑物等制约因素的影响，在尽量减少新增建筑用地，不改变原有路网布局和少拆迁建筑物等有利条件下，对既有隧道进行扩建是一种较为可行的优先选择方案。

如果既有隧道曾发生过坍塌或存在较大空洞，拓宽改建施工就会面临较大的风险。陈七林［1］在福州金鸡山隧道拓宽工程研究中认为，扩建既有隧道的衬砌拆除施工会影响原坍塌面的稳定，会出现新的围岩掉块、坍塌甚至冒顶等险情。对于隧道塌方处理方案上，蔡伟明［2］分析了福建甘芳隧道塌方原因，并提出从塌陷区地表处理、塌腔回填加固、塌区开挖支护及洞内辅助施工等塌方处理技术。林贻森等［3］详细介绍了赣龙铁路新黄龙隧道施工过程中洞内拱顶大面积塌方的处理方案和技术措施，主要有对塌陷范围进行注浆、初期支护采用工字钢架和长管棚、超前小导管注浆、隧道塌方段采用预留核心土环形开挖法掘进等措施。在塌腔处理上，郭艳伟［4］在奉云高速公路财神梁隧道塌方中采用护拱加回填处理技术。

相对于施工过程中的塌方，改扩建工程碰到原塌方的处理难度会更大，未知的控制因素会更多［5］。目前国内的隧道塌方处理大多发生在施工过程中的坍塌，而对于改扩建工程碰到原塌方的处理案例和相关的研究文献很少，类似海中洲隧道浅埋、大跨度、周边环境复杂同时又有老塌方的城市隧道扩建工程案例为国内之罕见。本文主要阐述海中洲隧道扩建过程中对原塌方的系统处理方案以及设计中采用的地表砂浆锚杆加固、塌腔处理、塌腔回填、爆破控制、地质超前预报和监控量测等一系列有效措施。

1 工程概况

海中洲隧道是浙江省舟山市沈家门城区主干道上的一条短隧道，于1986年9月竣工，全长184.5 m，隧道净宽为9.5m，净高为4.5m，为双向2车道隧道。原隧道拱圈洞身地段为40 cm厚混凝土衬砌，洞口段为40 cm厚钢筋混凝土衬砌。隧道两侧直墙为50 cm厚浆砌块石。隧道施工时出洞口段处曾发生塌方，塌方情况无施工记录记载。与一般公路隧道相比，该隧道周边环境十分复杂，制约因素诸多，有如下5个显著特点:

1)隧道埋深浅、地质条件差。隧道洞顶最大高程为36.5m，最大埋深约29.5m，整座隧道都属于浅埋。

2)隧道跨度大。由于地处沈家门市中心的主干路，两侧接线为双向4车道，要求改建后的隧道尽可能增大断面，提高通行能力。结合周边地形、地物及道路等控制因素，采用隧道建筑限界净宽为16 m、净高为5 m、隧道两拱脚宽度为17.04 m的大断面，拱顶最大高度为8 m。

3)隧道周边建筑物密集。与一般公路隧道不同的是，该隧道周围建筑物密集，特别是隧道进口明洞顶正上方有1幢5层砖混结构的住宅楼。隧道正上方地表有建筑物(为沈家门医院)，有1幢7层和1幢3层的混凝土楼房(见图1和图2)。

图1 扩建前隧洞洞门图Fig.1 Haizhongzhou tunnel before rehabilitation

图2 扩建后隧道平面布置图Fig.2 Plan layout of Haizhongzhou tunnel after rehabilitation

4)原隧道有塌方未处理。施工过程中在隧道出口约30 m处，由于地质差曾发生大塌方，但未产生冒顶。限于当时技术和资金上的制约，塌方未处理。

5)设计和施工控制参数要求高。设计和施工中同时要考虑2个方面的因素:①隧道施工期间要保证医院的正常运营和周边建筑物的结构安全;②保证隧道本身的结构安全和耐久性，对精确的沉降计算和变形控制提出了极高的要求。

2 地形、地貌及水文、地质

2.1 地形、地貌情况

海中洲隧道位于沈家门地区中部，为低矮丘陵区。区内地形北部高，南部及东西两侧低，低矮丘陵的山脊线呈近南北向延展，最高处海拔为49.3 m，最低处海拔为3.2 m，地形坡度为31～33°，呈凸面坡形态。隧道顶部中轴线处高程为11.3～36.5 m。隧道顶部地面，其西部为沈家门人民医院住宅区、实验楼及蓄水池，地形较平坦;其东侧为零星分布的林区、坟墓及菜地，有较多人工开挖形成的陡坎(高1～3m)，地形高差变化较大。

2.2 水文、地质情况

工作区内水文地质条件简单。地表无水库等较大的水体和井、泉出露，也无常年性地表径流，大气降水呈短暂性地表径流，沿山坡流向南侧低处后，垂直渗透作用很弱，基岩裂隙富水性差。原塌方处顶部为坡积、洪积层，厚0.5～5.8 m，一般为1 m左右，含砂砾黏土。围岩以强风化及中等风化凝灰岩为主，裂隙发育，并有强风化钾长花岗岩脉穿插，岩石破碎，稳定性较差。隧道地质纵断面见图3。

图3 隧道地质纵断面图Fig.3 Longitudinal profile of geological conditions of Haizhongzhou tunnel

3 原隧道塌方情况和塌方处理方案

3.1 原隧道塌方情况

根据设计阶段的地质勘察揭示，K0+224～+231段为原隧道塌方区，形成沿隧道纵向长约7 m、横向宽约9.8 m的空洞，塌方最高处与原隧道衬砌拱背距离为8.7 m，塌方最低处与原隧道衬砌拱背距离为1.3 m，塌方空腔体积约360 m3。该段围岩为强风化凝灰岩，节理发育，岩层走向与隧道走向成近90°交角，有滑层和层间夹泥。原衬砌拱背上堆积原塌方渣体约50 m3。塌方区空腔顶地表覆盖层(强风化的土夹碎石)厚度不一，最厚处约为20 m，最薄处为8 m左右。塌方处理横断面见图4。

图4 塌方处理横断面示意图Fig.4 Sketch of collapse treatment

3.2 设计塌方处理方案

由于该塌方处理制约因素多，新老隧道横断面处于交叉的不利位置，塌方处理稍有不慎，便会波及地表，导致冒顶，影响洞顶上方建筑物的安全，后果不堪设想［6］。为顺利通过塌方体，并避免产生新的塌方，设计中采用了地表砂浆锚杆加固、塌腔处理、塌腔回填、爆破控制、地质超前预报和监控量测等一系列有效措施。

3.2.1 地表注浆锚杆加固

由于塌腔体面积大，塌腔体覆盖层厚度薄且厚薄不均匀，为减少施工扰动引起新的坍塌，开挖前需对地表进行加固。首先考虑采用地表注浆对地层进行加固，但在现场试验时发现效果不佳，后改为地表注浆锚杆加固［7］。

处理加固桩号为K0+221～+234，纵、横向在塌腔轮廓线外3 m范围内，轮廓线外锚杆要嵌入基岩地层，以保证塌腔壁的稳定。注浆浆液采用水泥－水玻璃双液浆，体积配合比为1∶0.5。注浆初始压力为0.5～1 MPa，终压为2～2.5MPa。达到设计终压时，延续20～30 min即可结束注浆。注浆钻孔直径为89 mm，注浆管采用φ60 mm钢管(壁厚4 mm)，注浆管钻花孔，钻孔直径为1 cm，间距为40 cm，梅花形布置。注浆钢管横向间距为100 cm，纵向间距为120 cm，梅花形布置。注浆顺序为:横向先两侧后中间，纵向先两头后中间。注浆结束后，在φ60 mm注浆钢管内中插入3根φ22 mm钢筋束，钢筋束端部与钢管内壁焊接。

为减少地表水下渗进入塌腔体，对砂浆锚杆加固区范围内的地表采用C20的喷射混凝土封闭，厚度为5 cm。喷射混凝土中设置φ6.5 mm的钢筋网，间距为20 cm×20 cm，注浆钢管尾部与钢筋网焊接。地表注浆锚杆加固见图5。

3.2.2 塌腔处理

为控制塌方范围的扩大和保证施工过程中的安全，对塌腔壁采用喷、网、锚、撑相结合的方法进行加固，塌腔内用混凝土或其他材料回填密实。塌腔的处理原则是“稳固既有坍塌面，快速处理封闭成环”。塌腔内施工顺序为:短进尺拆除老隧道衬砌—进入塌腔、初喷混凝土—立初期支护钢拱架、挂网、喷混凝土—钢管垂直立撑及纵、横向连接—挂钢筋网、复喷—初期支护护拱浇筑—初期支护临时垂直支撑及纵向连接—新、老隧道之间空腔回填—初期支护—塌腔回填。

3.2.2.1 拆除老隧道衬砌

老隧道衬砌犹如护拱，起着防护作用，对施工作业人员的安全尤为重要［8］。老隧道采用矿山法施工，拱圈与岩面之间有20～50 cm的脱空，老隧道洞身段为40 cm的素混凝土衬砌，开挖时采用人工风镐作业，以减少震动。初期支护紧跟，与老隧道衬砌之间的距离控制在50 cm左右，一旦发生新的大规模塌方时可减少塌渣落入隧道内，提高施工作业的安全性。

3.2.2.2 塌腔初喷混凝土

当隧道施工至K0+222坍塌面时，施工机具和人员已经有足够空间进入塌腔。利用较矮的坍塌面为掩体，作业人员可以站立在老隧道衬砌上进行施工:1)对坍塌面初喷5 cm厚的C25混凝土。为提高喷射混凝土的强度，在每m3混凝土中掺入5kg聚酯纤维。2)搭设脚手架。对坍塌面打设长3.5 m的φ22 mm砂浆锚杆，锚杆间距为1 m×1 m，铺设φ6.5 mm的钢筋网，间距为15 cm×15 cm。3)喷射5 cm厚的C25混凝土。喷射混凝土厚度达到10 cm。

3.2.2.3 立初期支护钢拱架、挂网、喷混凝土

当塌腔临时稳定时，按设计轮廓线立即施作上半断面初期支护，安装拱架内侧木模、喷射混凝土、立拱架挂网。初期支护参数为:30 cm厚的C20喷射混凝土;拱架采用I22b工字钢，拱架间距为0.5 m/榀，拱架纵向采用φ22 mm的螺纹钢连接，间距为0.5 m;φ6.5 mm钢筋网，间距为20cm×20cm。初期支护每循环进尺为0.5 m。

3.2.2.4 钢管垂直支撑及纵、横向连接

初期支护完成后，采用φ127 mm×6 mm的无缝钢管径向将坍塌面与初期支护连接起来，将坍塌面围岩的部分荷载转移至初期支护，使之形成共同受力体。为增大钢管的受力面积，钢管两端焊接200 mm×200 mm×4 mm的钢板，钢管沿拱架环向和纵向间距均为0.5 m。钢管垂直支撑安装完成后，采用φ25 mm的螺纹钢将垂直支撑进行纵、横向连接，连接径向间距为2 m;然后在坍塌面复喷10 cm厚的C25混凝土，将垂直支撑端部固定，在初期支护外表面浇筑护拱，护拱采用C30混凝土，厚度为30 cm。

3.2.2.5 初期支护临时垂直支撑及纵向连接

由于隧道跨度大，为减少初期支护的承载力，在拱顶与拱脚1/2处，用垂直支撑将拱架与地面径向连接。每榀临时垂直支撑采用2根I18a工字钢焊接而成，沿隧道纵向布置，间距为0.5 m，每榀垂直支撑用12号槽钢纵向焊接，槽钢径向间距为2m。至此，塌腔基本稳定。

3.2.2.6 新隧道与老隧道之间空腔回填

在塌方处，设计上将原来的隧道平面转弯半径由35 m增大至110 m，新、老隧道之间在横断面上是交叉关系，两者之间约有18 m2空腔，按照JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》［9］要求，需将该空腔回填密实。回填材料采用C10片石混凝土。

3.2.3 塌腔回填

塌腔经稳固处理后，塌方最高处与护拱之间的距离由原来的8.7 m降低到7 m左右，塌方空腔体积由原来的360 m3缩小到约280 m3。由于塌方区隧道埋深浅，最小埋深为8 m，而地表又有医院、水池等建筑物，同时考虑运营过程中隧道的耐久性和结构安全等因素，决定将塌腔全部回填。回填时机选择在初期支护仰拱封闭后，二次衬砌模筑混凝土浇筑之前［10］。回填步骤为:1)在塌方最高处下面的初期支护上各打设1根混凝土泵送管和检查管，第1次泵送C15混凝土总厚度为1.5m，泵送压力控制在0.5 ～1.0MPa，为防止一次泵送量过大对初期支护产生较大影响，采用间歇泵送，待混凝土达到初凝强度后方可进行下一次泵送，单次泵送量控制在10 m3以内。2)回填混凝土上部空腔采用轻型材料，材料选用粉煤灰和普通硅酸盐水泥混合物，水灰体积比为1∶1;水泥－粉煤灰质量比为1∶7。经试验，胶凝时间为7 h，分2次泵送至坍塌顶面。

3.3 塌方处理工程数量汇总表

经设计计算，并经现场实际统计修正，塌方处理工程数量见表1。

4 处理效果

自2007年2月5日进入原塌方区至顺利通过用时约25 d，经过勘察设计阶段对方案的认真研究，施工过程中加强了系统处理方案的动态优化，既保证了对原坍塌体安全可靠的处理，又确保了医院的安全正常运营和周边建筑物的安全。本隧道于2011年9月通过竣工验收，各项检测数据都处于设计控制安全值以内。

表1 塌方处理工程数量汇总表Table 1 Working quantity of collapse cave treatment

5 体会

1)对于老隧道改扩建工程，首先应仔细查阅原设计、勘察、竣工等资料，熟悉老隧道情况，必要时可通过走访参与本项目的原建设人员，了解相关信息;其次应通过地质钻探、地表探槽、地质雷达、超前地质预报等多种手段做详细的地质勘察，为系统性设计方案提供充分的依据。

2)对于波及地表的土质浅埋隧道塌方的处理，应针对具体情况采用综合处理的方法。考虑水、地表稳定、稳固塌腔体、开挖与支护、腔体回填等因素及相互关系，采用全面系统的整治方案。除考虑施工阶段的各项安全工作外，还需考虑运营阶段隧道的结构安全和耐久性。

3)当塌腔体面积大、覆盖层薄，应对地表进行加固处理。若采用地表注浆对地层进行加固效果不佳时，可采用地表注浆锚杆加固，以提高加固体的自成拱能力。

4)拆除扩建既有隧道的衬砌，应谨慎采用爆破拆除的方法，尤其临近原坍塌区，尽量以人工拆除为主。

5)塌腔壁采用喷、网、锚、撑相结合的方法进行加固，“稳固既有坍塌面，快速处理封闭成环”是防止塌方规模进一步扩大的关键。

6)在塌腔回填中，为减少和缓和回填混凝土对支护结构的影响，回填应坚持少量、多次、间隔的原则。

［1］ 陈七林.金鸡山隧道拓宽改造方案研究［J］.隧道建设，2011，31(5):577 － 582，592.(CHEN Qilin.Case study on widening options of Jinjishan tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31(5):577 －582，592.(in Chinese))

［2］ 蔡伟明.甘芳隧道的塌方处理技术［J］.公路与汽运，2009(4):244－247.

［3］ 林贻森，李德发，邹华.新黄龙隧道塌方处理技术［J］.铁道标准设计，2005(8):84－85.

［4］ 郭艳伟.护拱在处理隧道塌方中的应用［J］.铁道建筑技术，2008(S1):239－241.

［5］ 钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议［J］.岩石力学与工程学报，2008(4):6－12.(QIAN Qihu，RONG Xiaoli.State，issues and relevant recommendations for security risk management of China’s underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(4):6 －12.(in Chinese))

［6］ 关宝树.隧道设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003:1－33.

［7］ 万明富，曹继伟，张冠华，等.隧道穿越崩塌体的设计施工技术［C］//2001年全国公路隧道学术会议论文集.福建:中国公路学会隧道工程分会，2001:217－222.

［8］ 李佳翰，朱晃葵，卓孟慧，等.既有隧道扩挖及改建技术探讨［J］.隧道建设，2011(S1):366 －372.(LEE Chiahan，CHU Huangkuei，CHO Menghui，et al.Study on enlarging and reconstruction technology of existing tunnel［J］.Tunnel Construction，2011(S1):366 －372.(in Chinese))

［9］ 中华人民共和交通运输部.JTG F60—2009 公路隧道施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2009:14－15.

［10］ 关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003:1－17.