高东鹏

（中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610000）

1 工程概况

该文以新越西隧道作为研究案例，该隧道总长度设计为6218m，隧道进洞部位的土层比较陡峭，且附近堆满岩土，为了保障施工过程中的安全，施工单位对断面结构采取支护措施，使用8 根加固桩，由于施工场地有限，因此导致施工便道布设难度比较大，隧道进洞口区域承担着正洞部分的施工。该项目施工过程中的难点主要体现在隧道通风方面；隧道的出口附近的土层属于是砾石土，土方开挖前需要设置φ60mm 旋喷桩对地层进行加固，存在较大的安全风险。D2K309+673～D3K310+782 属于救援站范围，该部分的开挖断面比较大，最大开挖断面的跨度为19m，该区域使用双侧壁导坑施工法，施工过程中的难点主要是避免围岩因失稳而出现坍塌现象。

2 工程软弱围岩段的形成原因

隧道在开挖前是稳定的，各点都处于三向应力状态。在上覆围岩的自重作用下，初始应力大小如公式（1）和公式（2）所示。

式中：σ为垂直应力；为围岩自重；为地表到单元体的垂直距离；σ、σ为侧向应力；为侧压力系数。

在隧道开挖前，围岩处于三向应力状态，在同一水平面的各点应力是相等的。由于洞室的开挖打破了隧道围岩原有的平衡状态，使隧道围岩的应力进行重新分布。对硬岩，在隧道周边围岩会出现比原有应力大的高应力，而对软岩隧道周边围岩则会出现比原有应力小的低应力，形成了高应力区和低应力区。工程软弱围岩段的形成原因有3 个：1）岩石本身的强度不是很高，基本上都是软岩，软岩的抗压强度不会超过30MPa。2）岩体出现破碎化现象。通常情况下，岩石自身的结构都比较坚硬，且岩石自身的强度也比较高，由于地层运动或是外部撞击，可能会导致岩体出现裂缝、断层现象，导致岩体的强度不断的降低。3）岩体所处的环境比较差，例如岩体附近环境中存在流域、地应力则有一定的可能性会出现塌方现象。

3 隧道塌方产生的原因

3.1 地质因素

塌方是因隧道围岩或是支护结构自身的承载能力匮乏促成的，导致隧道塌方出现的影响因素众多，下面该文对各影响因素进行简单介绍：1）砂岩层相互之间黏结的能力降低。该项目内的隧道区域内属于近水平成层的砂岩，这种类型的砂岩其实就是软弱围岩，水平成层的结构对隧道顶部造成影响，促使拱部的稳定性降低；此外，沿线岩体受风化影响的程度存在一定的差异性，导致各个岩层结合状况存在一定的差异，在隧道开挖以后，大量的应力释放出来，导致岩体变形，在长时间未进行处理的情况出现坍塌现象。2）局部位置的埋设深度比较深，且上部属于是地面单元段落，进一步分析得出：当埋设的深度过大时，那么地应力在拱顶部位比较容易出现较大的应力，这种应力是水平方向的，围岩自身的水平成层比较显著，导致水平岩层在张拉应力的影响下出现破坏，这种破坏会不断向上延伸，最终导致塌方现象出现。3）开挖面低于河床，出水量大导致塌方。解决办法是压注法，指的是向地层中灌注注浆液，使土壤固结，以此降低地层的透水性，而且能增加地层的密实度。对压注法的应用原理和目的进行分析，可以将其分为充填岩层裂隙的岩层压注以及固化土质地层为目的的地层压注两种。值得注意的是，将压注止水法应用于地下水控制中，虽然能够起到很好的处理效果，但是很难达到完全止水的目的。

3.2 施工因素

爆破作业对岩层的震动影响。在开挖爆破作业的过程中，爆破会导致震动变大，促隧道拱部的岩石缓慢的剥落。进一步来看，由于隧道前期设置的支护混凝土厚度不是很厚，在靠近掌子面附近的支护混凝土受爆破作业的影响非常大，导致混凝土的强度上升速度减缓，且混凝土的整体性也会受到一定的影响。而后对达到拱顶部位进行爆破作业时，会再次对初期支护结构造成影响，同时隧洞拱顶部位的围岩开始出现掉块现象，逐步发展为坍塌事故。

4 软弱围岩段塌方处治技术

塌方路段的处理流程如下：塌方土体加固→大管棚施工→超前小导管灌浆→土方开挖、安装支护→仰拱施工→混凝土施工。

4.1 加固塌方体

在处理塌方事故时，应该严格按照先对后侧进行处理，然后再对前侧进行处理的基本原则。使用C25 混凝土对塌方面进行喷浆处理，喷浆的厚度控制在25 cm 比较合适。喷浆的目的：①阻止塌方面进一步蔓延。②对塌方面进行封堵，避免落石伤人。③保证浆液不会顺着缝隙溢出。

4.2 采用大管棚注浆做超前刚性支护

隧道拱部距离隧道中心线右侧向左2m 处出现坍塌，可以使用φ108mm×6mm 钢管作为超前大管棚，钢管的数量设计为49 根，管棚的长度设计为30m。管棚顶进完成以后，使用C30 水泥砂浆进行灌注。

管棚施工工艺：因隧道必然会穿越塌方区域，围岩处于破碎状态，加之围岩自身的稳定性比较差，所以需要使用φ108mm×6m 长管棚超前支护，可以使用钢管来提高支撑结构的强度与承载能力，降低坍塌事故出现的可能性。

4.3 超前小导管注浆固结

大管棚注浆完成以后，且水泥砂浆的强度达到设计要求以后，在已经施工完成的大管棚下侧设置两道超前小导管，两道导管之间的间距控制在30cm，小导管的尺寸为φ50mm×4mm，单根导管的长度设计为4.5m。每根小导管向外的插角设计为30°，小导管以30cm 的间距进行布设，与大管棚形成梅花状，将导管的尾部与钢拱架进行连接，最后开始灌注水泥浆。灌浆采用间歇注浆法，间隔的时间设置为15min，注浆压力设置为0.5MPa。

4.4 开挖、支护

塌方段的土方开挖作业与支护结构施工均使用CRD 法展开作业，开挖断面级支护结构的具体情况可以参照图1。1）工，循环搭设的钢架对隧道的内壁与隔断墙进行施工，使用小导管作超前支护。2）对隧道左上侧的土方进行开挖，并对左上侧的初期支护与临时支护进行施工，简单而言就是，在隧道内壁表面喷射4cm 厚的混凝土，铺设钢筋网，搭设钢架，构筑隔断墙，设置锁脚锚杆，安装隔断板。3）预留一部分的空间，对隧道中间偏左部位的土方进行开挖，对初期支护与临时支护进行施工，适当的延长隔断墙的长度。结合施工现场的实际情况以及地质条件决定是否需要设置临时横向支撑。4）继续重复第二步、第三步工序，对隧道右上方、右中部位的土方进行开挖，并对初期支护与临时支护进行施工。5）先暂停对右中部位施工，对左下侧的土方进行开挖，并对左下侧部位的初期支护与临时支护进行施工，并砌筑隔断墙。6）最后对右下侧的土方进行开挖，并对右下侧部位的初期支护与临时支护进行施工。7）结合施工过程中的检测数据来看，当初期支护施工完成以后，将中隔断板与横隔断板拆除，开始浇筑边墙部位的混凝土。8）使用液压模板台车完成二次衬砌。9）施工过程中需要注意的事项：①土方开挖前，应该结合设计图纸提前进行超前支护施工；②开挖断面的深度控制在0.5m～0.75m；③土方开挖完成以后，及时进行初期支护施工，形成良好的闭环；④施工时，应该加强监测隔断墙部位的地基稳定性；⑤加大对施工过程中的检测力度，及时反馈有效信息，对支护技术参数进行调整；⑥当土方全部开挖完成、初期支护施工完成，且初期支护形成闭环以后，开始搭设临时支护；⑦在中隔墙拆除的过程中，应该保障施工人员的个人安全，先对仰拱进行施工，再拆除中隔墙。

图1 隧道CRD 法开挖示意图

塌方路段的左侧钢架完全坍塌，施工人员先将左侧钢拱架恢复，确保左右两幅钢拱架相互对称，然后开始喷射混凝土。左侧使用混凝土进行加固，右侧使用拱架进行支撑，初期支护已经出现裂缝，而拱架则处于悬空状态，使用工字钢对悬空的支架进行处理，在工字钢下侧设置1cm 厚的钢板，钢板使用螺栓进行连接加固。

右侧钢拱架深入至二次衬砌断面，所以在两幅拱架之间凿槽，将新拱架埋设在槽内，额外的设置支撑，通过将新拱架与老拱架进行连接，形成整体化的支护结构。对前期开槽部位喷射混凝土，在混凝土中掺加早强剂，当混凝土的强度达到设计强度以后拆除工字钢架。当初期支护施工完成以后，就可以开始对仰拱进行施工，仰拱施工完成以后，对仰拱部位进行回填，然后进行二次衬砌，保证整体结构的稳定性。

4.5 及时处理地下渗透出的水

当高速铁路隧道建设工程中的软弱围岩出现坍塌事故时，可能会出现隧道涌现大规模的地下水，导致地下水向下渗透的情况；也可能会出现地表水向下渗透，导致塌方事故出现。所以，应该在第一时间内对涌现的地下水进行处理，间接性避免出现塌方现象。首先，利用专业设备来阻碍地表水向地下渗透，然后，利用排水管道将隧道内的积水全部抽排至隧道以外，避免地表水向下渗透，导致软弱围岩遇水软化，围岩一旦遇水软化，那么围岩的强度会降低，从而出现塌方现象。

5 监控量测

监控量测施工的具体流程可以参照图2。

图2 隧道监控量测施工工艺流程图

5.1 监测量测内容、方法和仪器

监控量测的内容、方法和仪器如下：1）地质和支护状况信息的观察。观察施工现场的地质条件与水文条件，观测开挖断面附近的初期支护质量，分析隧道、围岩的稳定性。施工人员对施工现场的地质条件进行勘测。勘测的具体内容包括施工环境、初期支护。监测设备为地质罗盘仪。2）对隧道洞口区域、浅埋地段的沉降量进行监测。隧道拱顶部位覆土厚度比较薄。由于拱顶部位的覆土厚度比较薄，因此在实际是公测规则的表面爆破的效果不是很显著，导致开挖断面的轮廓线不规则，使局部岩体的应力释放受到影响，在应力无法释放的情况下，围岩结构必然会发生破坏，当上部承载的荷载过大时，则会导致塌方现象出，所以必须要对地表沉降进行监测。监测设备为精密水准仪等。3）拱顶下沉及收敛量测。对隧道拱顶部位的沉降量进行监测，结合围岩的类型、隧道的几何尺寸、埋设深度等内容进行分析，确定出隧道拱顶部位、边墙部位的监测点，监测点的间距控制在5m～10m。4）仰拱底部的监测。围岩开挖地段的监测点应该设置在仰拱的底部，监测点的间距设置为5m，使用水准仪进行监测。5）锚杆抗拔力量测。对锚杆的锚固效果与强度进行监测，每300 根抽检3 根作为1 组，监测的内容为锚杆的拉拔力。6）锚杆轴力量测。锚杆轴力主要是用来监测在不同施工状况下锚杆的受力情况。通常情况下，软土层准备1～2 组进行监测即可，每组准备5 根锚杆，监测的项目为锚杆的轴力性能。7）围岩压力及支护拱架应力量测。测量初期支护结构与围岩间所产生的相互作用力，监测初期支护结构中拱架受力情况，将监测数据作为分析支护结构受力情况是否合理的依据。在软弱土区域内布设1～2 个开挖断面，每个开挖断面上设置24 个监测点，24 个监测点应该对称进行布设。8）观测隧道内涌水量、涌水中的含泥量与含砂量。沿着隧道排水沟按照50m～200m 的间距设置监测点，用来监测隧道内部涌水量。为保证隧道内部排水畅通，可以对隧道结构进行优化，实行限量排水。定期监测涌水中的含泥量与含沙量，在必要的情况下可以采取排堵措施，避免隧道内的排水系统出现堵塞现象。

5.2 监测结束标准

当收敛速度大于5mm/d 时，围岩应该是处于大幅度变化的状态，所以需要对初期支护结构进行加固。当收敛速度小于5mm/d 时，则说明围岩结构的稳定性达标。

提升初期支护结构的强度与刚度，严格控制支护结构的变形量。

对地基进行监测，监测的时间持续14d，在监测完成以后，如果软弱土层未达到稳定性要求，那么则应该采取加强处理措施。

监测数据的统计与分析是建设项目动态管理体系中的重中之重。监测数据的整理与分析：利用原始数据，采用标准化的方法，将监测数据整理出来，利用数字特征剔除无效数据。

在对监测数据进行筛选以后，结合时态散点示意图对数据的分布状况进行分析，结合分析结果构建完善的集合函数，对监测结果进行回归分析，计算监测点的位移量，对建筑物的安全性进行估测，尽可能做到防患于未然。

制定监测变化管理标准。将管理等级细分为3 个等级，等级的划分标准可以参照表1 中的信息。

表1 变形管理等级标准表

6 结语

综上所述，在高速铁路软弱围岩施工时，出现塌方的可能性比较大，会影响高速铁路的质量，所以必须要对围岩的状况进行监测，避免出现塌方事故。在处理塌方事故时，应按照先对后侧进行处理，然后再对前侧进行处理的基本原则，确保高速铁路施工质量达到设计要求。