郭枫，方存星

（中交第二航务工程局有限公司，武汉 430000）

1 引言

山区高速公路建设中，选线、定线受地形因素限制，常设置桥梁、隧道跨越复杂地形地貌单元，以更好地保护原有生态环境、减少基本农田占用。在隧道开挖掘进过程中，打破了山体原有的平衡状态，拱顶破碎岩体会在突然失去下部支撑反力、基岩裂隙水及开挖扰动的作用下，沿破碎面整体向下滑移，从而形成隧道局部塌方空腔。本文以湖南省靖黎高速公路界牌隧道为研究对象，对隧道洞顶塌方空腔形成原因、处理方案及护拱法的关键施工技术进行阐述。

2 工程概况

界牌隧道位于湖南西南部怀化市靖州县，为穿越湖南与贵州的省界隧道，是连通两省经济、文化的又一交通干线。为双向分离式长隧道，按双向四车道高速公路标准设计，设计速度100 km/h。隧道左、右洞设计线净距总体控制在55～85 m，左洞起讫桩号为Z2K55+755～Z2K56+920.704，长1 165.704 7 m，最大埋深164 m，隧道右洞起讫桩号为K56+025～K56+967.471，长942.471 m，最大埋深112 m。隧道主洞衬砌端面内轮廓采用单心圆拱曲边墙结构，隧道内轮廓拱顶净高7.36 m，净宽11.62 m，隧道左右线最大超高4%，超高在-3%～+3%之外采用整体旋转隧道内轮廓，隧道路面设置2%的单面横坡。

3 地质、水文条件

3.1 地质条件

隧道位于低山丘陵地质区，地形起伏变化较大，地层岩性较为单一，但风化程度变化较大，工程地质分区大致分为剥蚀地貌地质区、冲洪积冲沟地貌地质区[1]。地层主要为震旦系（Z）板岩组成，山坡表层覆盖薄层全新统残坡积粉质黏土或碎石土，冲沟浅部分布全新统冲洪积卵石层。围岩主要为较破碎～较完整中风化板岩、强风化板岩上带及强风化板岩下带，围岩属于Ⅳ～Ⅴ级。区内与地震关系密切的断裂带描述为F4 断层，该断裂在隧址区北侧通过，产状350°～360°、∠70°～∠75°，为逆断层，影响宽度约30～60 m，局部揭露断层泥，次级断裂发育，为非全新世活动断裂。

3.2 水文条件

项目所在地属亚热带季风湿润气候区，季风气候显著，四季分明，降水充沛，年平均气温16.8℃，平均降雨量1 146.30～1 661.40 mm。由于南季风的不稳定性，降水多发生在6～8 月，降水集中且强度大，伴有明显的季节性。地表水主要为沟中雨季面流、洪流以及常年伴有水流的四乡河；第四系强透水性堆积物孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水组成本项目区存在的地下水。

4 塌方情况概述及成因分析

界牌隧道为湖南省靖黎高速公路全线最长隧道，隧道掘进采用从大桩号黎平端往小桩号靖州端单向掘进，掌子面进尺至K55+993 时，K55+994～K55+996 段发生局部坍塌，在洞顶左上方临空面处形成一宽约1～3 m，向上延伸约10 m 的空洞[2]。

隧道掘进至K55+996 时，洞身段呈现为中风化板岩，灰色、砂泥质结构、厚层状构造、岩质硬、岩体完整性较好，节理较发育，局部见弱渗水[3]。K55+996～K55+994 段（约2 m），见矿硅质岩岩脉充填现象、岩脉见弱矿化现象，节理较发育，岩脉完整性一般～较差，在临空状态下会发生掉块掉渣，局部见0.1～0.5 m 裂隙，往深部裂隙局部拓宽至1～2 m，裂隙底部见多处小股涌水，涌水量0.05～0.1 m3/s，受大气降水补给，季节变化明显，矿脉两侧见灰白色断层泥及断层角砾岩，角砾呈棱角～次棱角状。

K55+994～K55+993 掌子面段受断层影响，形成挤压破碎的板岩碎块，呈强风化～ 全风化状，褐黄色，局部呈大块石状，破碎带固结程度弱，局部呈松散状，在隧道掘进过程中，拱顶围岩受到强烈扰动，突然卸载形成拱顶临空面，掌子面段本身围岩较破碎，节理裂隙发育，且受到基岩裂隙水的冲刷渗透软化，多种因素共同作用下，隧道拱顶发生局部塌方。

5 塌方治理

隧道塌方段落处于地质不良区，岩体破碎风化程度大，隧道因依靠自身围岩应力无法自然成拱而发生坍塌，隧道塌方处治以保证人员、机械施工安全为前提，以施工质量有保证为基础，选取护拱法进行处理，采取强支护、快速成型的手段通过塌方段不良地质区，确保隧道结构整体安全、稳定。

5.1 塌方影响段加固处理

受隧道塌方的影响，塌方段附近桩号段落的掌子面、围岩以及初支结构造成不同程度的损坏，为防止塌方进一步发展扩大，对塌方前后影响段进行加固处理[4]。

1）隧道开挖断面上台阶采用隧道洞渣回填，回填断面超出坍塌影响段范围，使掌子面后移。

2）采用C30 喷射混凝土对隧道洞渣回填完成后形成的掌子面进行封闭，然后在喷射混凝土面上平行于隧道中线方向打设φ42 mm×4 mm×4 000 mm 的注浆小导管。

3）采用水泥净浆对回填石渣堆进行注浆加固，注浆过程中持续增大注浆压力，最终注浆压力保持在2.5～3.0 MPa，稳压3 min，使临时掌子面具有足够的强度，对隧道拱顶形成临时支撑。

5.2 护拱施工

1）在距离塌方空腔位置5 m 外施作一护拱[5]，护拱根部设置在隧道断面起拱线以上，纵向长度2 m，护拱顶面距隧道开挖初支面35 cm，采用C30 混凝土一次性浇筑完成。

2）护拱内设置工22a 钢拱架，钢拱架间距50 cm，钢拱架间通过φ22 mm 钢筋连接，连接钢筋环向间距100 cm，钢架的拱脚位置安装6 m 长的φ42 mm×4 mm 锁脚锚杆，同时在护拱混凝土内设置2 层网眼间距为10 cm×10 cm 的φ8 mm 带肋钢筋网片。护拱混凝土浇筑前，按既定角度埋设PVC 管，混凝土达到设计强度后，沿预埋管道安装长度30 m 的φ108 mm×6 mm 长管棚，长管棚为有孔钢花管跟无孔钢花管交替布置。管内设置钢筋笼，钢筋笼主筋4φ18 mm，采用φ38 mm 钢环（壁厚3 mm）做固定环，固定节长5 m，与钢筋笼主筋焊接。

3）搭设满堂式支架，对护拱的混凝土、模板进行支撑，钢管支架底部支立于混凝土垫层上，按照支架搭设规定安装扫地杆及剪刀撑，保证支架稳固、牢靠。混凝土浇筑完成后，养护护拱混凝土的强度达到设计强度75%以上，逐步对称拆除支架及模板，同时对护拱的沉降收敛进行变形观测。

4）长管棚以稳定护拱支护段为支撑点，平行隧道轴线向斜上方以1°外插角打设，施工中严格控制钻机下沉量及左右偏移量。长管棚穿透破碎带及隧道塌方空腔位置，深入稳定的支护段2～3 m，将破碎区岩体悬挑，使其与前方稳定段围岩形成整体受力。

5.3 塌方影响段隧道掘进及支护

1）待护拱整体固结稳定后，采用三台阶法组织隧道掘进施工，重新挖除掌子面回填注浆部分堆土，同时缩短隧道单个循环作业进尺距离，每次仅允许开挖间距为一榀钢拱架，及时开挖并完成支护，再开展下个作业循环。同时，考虑到该段围岩渗水较为严重，分别在隧道拱顶、拱腰位置打设3 根长度为30 m 的探水管，引流汇流排水，减小围岩裂隙水的浸泡、软化、侵蚀作用。

2）施工时，加强隧道塌方影响段的支护结构，将钢拱架间距缩减为50 cm，初支钢架调整为全环设置Ⅰ22a 工字钢，喷射混凝土厚度调整为26 cm，系统锚杆调整为长度4 000 mm、纵向间距5 00 mm、环向间距1 000 mm 的φ42 mm×4 mm 注浆小导管；二衬调整为厚度60 cm 的钢筋混凝土；支护加强段延伸至通过围岩破碎区10 m 以外。

3）隧道开挖及初期支护施工工艺按原有施工方案进行，施工过程中加强了监控量测频率，即在拱顶及拱腰两处加设监测点，及时检测隧道断面沉降、收敛变形的数据情况，初支施工至塌方空腔位置时，拱顶位置预埋直径20 cm 钢管，埋入空腔的钢管长度满足后续空腔回填施工的要求。

5.4 塌方空腔回填

塌方段形成的空腔通过预埋管向空腔内注入C30 混凝土回填处理，为防止一次性回填方量较大，混凝土未凝固受力，其自重对初支结构形成较大荷载，引起初支变形开裂，在本隧道空腔处理中，混凝土回填分3 次进行，依据混凝土的试拌情况控制浇筑速度，待上一次回填混凝土达到设计强度的75%，且与岩壁结合整体受力后，再开始下一次回填，直至回填混凝土充满整个空腔，回填全部完成后，截除预埋钢管并封堵混凝土灌注口。

5.5 施工关键技术控制要点

1）掌子面注浆加固：采用提前加工好的注浆小导管打设至掌子面，小导管四周钻孔，钻孔按梅花形布置，相邻2 排小导管以5°～12°的外插角交叉错综布置，待注浆小导管全部安装完成，采用水泥净浆注充，水泥浆液采用P·O 42.5 水泥，注浆由下往上依次进行，注浆过程中持续增大注浆压力，最终注浆压力保持在2.5～3.0 MPa，稳压3 min，然后进行下一根注浆小导管施工，重复以上工艺流程，最终完成整个掌子面区域的注浆加固，使其整体板结而具有更高的强度和稳定性[6]。

2）掌子面进尺：严格控制隧道单个循环进尺距离，保持在一榀钢架，禁止使用爆破开挖，采用炮机、风镐配合人工的方式，尽量减少掘进过程中对围岩的扰动，同时严格控制超挖，开挖完成后，及时架设钢拱架、安装钢筋网等，完成初期支护，迅速闭合成环，整体均匀受力。在初支稳定变形的前提下加快仰拱及二衬施工进度，进一步减小仰拱、二衬安全步距，现场施工分别控制在30 m、60 m 范围内，扩大隧道衬砌完成段安全辐射范围。

3）长管棚制安：长管棚采用φ108 mm×6 mm 钢管，分节段预制安装。施工时，先用潜孔钻钻孔，钻至设计深度后，安装长管棚，钢管前后段大小孔径设置，相邻两钢管套管连接，套管位置错开2 m 的同时确保连接牢固，体系整体受力，将整个塌方影响段悬挑，使隧道掘进过程中安全、顺利通过塌方影响段。

4）监控量测：为及时、准确掌握隧道塌方段处理效果，保证施工安全，施工中对隧道全过程监控测量，实时反馈数据信息，加大监控量测工作力度，增设监控点、缩短检测周期。施工时，在隧道拱顶、拱腰、拱脚等位置设置一圈测点（不小于5 个），每3 m 为一个监测断面，观察隧道掘进施工过程中围岩的沉降、变形、收敛等情况，同时对护拱设置监控量测点，实时反馈支护结构工作状况，指导隧道塌方段处理工作安全、合理的开展。

6 结语

界牌隧道塌方段采用护拱法处理效果良好，护拱施工完成后，塌方段施工推进顺利，结合监控量测数据结果显示，隧道掘进过程中，隧道周边围岩沉降、收敛变形小，均处于可控范围之内，施工安全质量得到保障，该处理工艺在界牌隧道塌方处理中的应用取得成功，可总结以下经验。

1）采用护拱法处理隧道局部塌方，是目前较常见的隧道塌方处理办法，在现场施工中积累了丰富的经验，施工工艺技术成熟，施工安全质量更加有保障。

2）护拱法处理隧道塌方，护拱施工成型速度快，待护拱达到预期强度，即可重新开展隧道掘进施工，隧道垮塌处理周期短，对隧道施工的整体工期影响较小。

3）护拱施工所需材料、设备在隧道主体结构施工中均有涉及，可就地取材，无须重新准备材料和设备，节省了材料转运的时间，侧面缩短了塌方段处理周期，经济效益明显。