關于鐵路高風險隧道塌方處理加固技術的探討

梅雪峰

摘要: 本文作者結合多年工作實際，主要就鐵路高風險隧道塌方處理加固方面進行了簡單探討，希望對相關從業人員有所幫助。

關鍵詞：高風險隧道；塌方；加固處理；安全措施

中圖分類號：U458文獻標識碼：A

引言

隨著我國鐵路隧道修建技術的不斷發展，隧道的發展趨勢是線路越修越長、越修越寬，穿越的地質也越來越復雜，所需要的技術要求越來越難、風險也越來越高，相應的鐵路隧道塌方特別是高風險隧道塌方問題也日益增多。如何在鐵路高風險隧道施工中規避塌方事故的發生，以及當事故發生后如何有效進行二次處置，已成為亟待解決的重要技術難題。下面本人結合多年工作和理論研究經驗，主要就鐵路高風險隧道斷層破碎塌方二次處理加固方面淺談幾點看法，僅供同行參考研究。

1 鐵路高風險隧道塌方原因

對于鐵路高風險隧道塌方來說其原因很多，成因復雜，概括起來歸為兩類：一類是自然因素，二類是人為因素。其中自然因素主要有地質狀態，受力狀態，涌水侵害，瓦斯病害等；人為因素則主要指設計不合理，施工不規范等。易塌圍巖大體可分為三類：一類為軟弱圍巖，二類為節理發育的炭質板巖，三類為膨脹性圍巖。下面，本人結合蘭渝鐵路高風險隧道實例主要就斷層破碎塌方處理加固方面進行詳細闡述。

2 鐵路高風險隧道斷層破碎塌方概述

2.1工程概況

紙坊隧道位于西秦嶺中山區，山高溝深，地形起伏大，洞身穿越經過的地層有第四系全新統坡積粉質粘土、碎石土；二疊系下統炭質板巖、板巖、砂巖，三疊系中統板巖、砂巖等。受合作-岷縣斷裂構造帶f3影響隧道工程范圍內發育多條次級斷層及構造破碎帶，主要有f22，f23，f24，其中f24斷層位于出口DK206+120～DK205+855段，斷層帶寬200m，圍巖極破碎，開挖揭示圍巖主要為壓碎巖，灰色-灰黑色，壓碎結構，受構造影響嚴重，揉皺發育，板理不清，呈碎石角礫含泥狀結構，巖石完整性差，穩定性差，易發生坍塌、掉塊，基巖裂隙水較大?，F場開挖至DK206+064位置，掌子面圍巖發生滑移現象，線路右側拱部隨即發生塌方，造成施工現場無法正常施工，機械設備損壞，在影響施工進度的同時，加大了施工成本的投入。

2.2塌方過程

隧道施工進入f24斷層段采用三臺階七步開挖法施工，當開挖至DK206+064掌子面時拱頂右側發生了塌方，施工人員立即撤離至安全區域，拱頂右側不斷出現掉塊坍塌，形成一個高3m，長5m，環向13m的坍腔體。施工單位根據現場情況迅速反應，采用噴射混凝土封閉措施，由于圍巖非常破碎，不斷進行掉塊，無法承受塌方體自重力，噴射混凝土無法對該段圍巖形成有效封閉。根據現場資料，塌方量多達300立方米。

2.3塌方原因分析

⑴隧道走向與巖層走向不同，裂隙節理發育。掌子面開挖接近背斜的核部；超前支護打設不及時，超前注漿未起到巖體粘結效果，隧道開挖給拱部坍塌提供了臨空面。

⑵該段地層圍巖為壓碎巖，灰黑色，弱風化，薄層狀結構，巖石穩定性差，軟弱破碎。掌子面開挖后，由于受f24斷層的影響，該處有一厚0.6～1.0m的軟弱泥質夾層，遇裂隙水軟化，自穩及抗剪切能力極差。同時該夾層切割起拱線部位形成應力集中，在巖石軟弱破碎的情況下，易發生局部破壞，拱頂右側位置易發生切層掉塊，引起塌方。

⑶塌方段原設計為Ⅴ級圍巖Ⅴ級加強支護，I20b工字鋼0.6m/榀全環布置，拱墻錨桿環縱向間距為1.2×1.0m，長度4.0m；Φ8鋼筋網片（20×20cm），采用C25噴射混凝土，錨噴厚度27cm。從現場施工情況來看，圍巖類別偏于保守，初期支護加固措施不能起到有效的支護作用。對巖體走勢的誤判導致支護過程中錨桿的布設基本與斷層平行，不能與周邊穩固圍巖連接，不能實現錨桿的組合梁作用。同時由于噴射混凝土強度有一定增長期，前期強度較弱，難以阻擋拱部的松動荷載，無法抑制變形的進一步增長。

⑷隨著開挖的進行，隧道埋深迅速增加，，二次應力效應明顯增加，圍巖二次變形增大，在裂隙發育，巖石軟弱的破碎帶段，圍巖表現為收斂變形和松動坍塌。

⑸超前預報缺乏及時性，超前支護措施不當，針對這樣的地質條件，應采取合理的超前支護措施，同時超前周邊注漿缺乏整體受力的針對性。

⑹量測點的布置位置缺乏針對性。斷層破碎帶圍巖變形具有突發性，特別是出現局部塌方后如何安全布置量測點、如何檢測等都是問題，對斷層破碎帶圍巖不能起到有效的監控量測效果。

2.4施工工藝及方法

2.4.1施工工藝及步驟

①對掌子面、拱墻暴露部位及塌腔口部進行初噴 ②對塌腔體后方3m范圍進行初期支護加固（拱墻徑向小導管注漿，變形較大處采用型鋼鋼架支撐）③待塌腔穩定后對迅速對掌子面進行初期支護 ④對塌腔部位進行初期支護 ⑤塌腔部位采用同級混凝土回填及注漿⑥處理完畢后續施工。

2.4.2施工方法

⑴進入斷層影響帶前，采用TSP203進行長距離宏觀控制超前地質預報，根據預報成果合理調整施工方法及支護參數。

⑵由于巖體賦存裂隙水發育，采用紅外物探法進行紅外探水。

⑶超前周邊注漿及超前支護施作完畢，由于圍巖破碎、巖體松軟掉塊，在施工處理時可采用三臺階設置臨時仰拱法施工。開挖采用風鎬或弱爆破，循環進尺控制在0.4～0.5m，以減小對周邊巖體的擾動，做到“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”。

⑷在原設計的基礎上可采用H175型鋼鋼架及雙排超前小導管、錨桿加強支護，同時對坍腔內進行混凝土充填密實，已確保施工安全。開挖后需及早施做仰拱及襯砌，封閉成環。

2.5處理方案

2.5.1初噴。采用機械手對掌子面、拱墻暴露位置及坍腔口部進行初噴，初噴厚度5～8cm，坍腔口部初噴加強，厚度為15cm，臨時穩定圍巖；逐步清理掌子面洞渣，并觀察掌子面圍巖完整性，如果圍巖破碎，則停止擾動渣體，圍巖較完整，則采用挖機將洞渣轉至底部，堆積成臺階，上部洞渣每下降2m，對暴露圍巖進行初噴支護；將核心土位置臺階進行放坡，機械手行駛至臺階上，機械臂盡量升高對塌腔內部盡可能進行初噴支護，初噴厚度15cm。掌子面保證足夠照明，安排專人對掌子面及塌腔體進行觀察，發現異常，立即采取相應措施。

2.5.2 塌腔體后方3m范圍進行初期支護加強。采用H175型鋼鋼架進行支護，鋼架間距0.6m，系統錨桿長度4.0m，間距1.2m（環）*1.0m(縱),掛設Φ8鋼筋網片，網格尺寸20*20cm。線路右側每處鋼架連接板位置加設2根Φ42鎖腳錨管，鎖腳錨管與基巖面成45°往下打入，每2根錨管連接成U型，與鋼架焊接牢靠，對鎖腳錨桿注漿后用錨固劑將鉆孔填塞飽滿，最后用C25混凝土濕噴密實。

2.5.3對掌子面初期支護。掌子面按Ⅴ級加強型襯砌類型支護參數對該段進行初期支護。采用I20b工字鋼鋼架進行支護，鋼架間距0.5m，系統錨桿長度4.0m，間距1.2m（環）*1.0m(縱),掛設Φ8鋼筋網片，網格尺寸20*20cm。線路右側每處鋼架連接板位置加設長4.0m的Φ42鎖腳錨管，共4根；線路左側按設計參數布置鎖腳錨管，鎖腳錨管與基巖面成45°往下打入，每2根錨管連接成U型，與鋼架焊接牢靠，對鎖腳錨桿后用錨固劑將鉆孔填塞飽滿，最后用C25混凝土濕噴密實。

2.5.4對塌腔部位初期支護。該段處于下錨段，右側加寬為110cm，預留變形量50cm，實際需比標準斷面擴挖160cm，擴挖前，應先判斷塌腔是否穩定，如存在隱患，則先對上斷面進行支護，再進行擴挖。擴挖時，采用短進尺，每次不超過0.6m，弱爆破，盡量減少對坍腔的擾動，防止繼續坍塌。擴挖完成后，應立即進行初噴支護，厚度10cm，穩定開挖面。初噴完成，采用I20b工字鋼鋼架進行支護，間距0.5m，系統錨桿長度4.0m，間距1.2m（環）*1.0m(縱),相鄰鋼架內外層均安裝連接鋼筋，環向間距50cm，內側連接鋼筋布置成Z型，外側平行隧道中線布置；全斷面掛設Φ8鋼筋網，網格尺寸20*20cm。線路右側每處鋼架連接板位置加設長4.0m的Φ42鎖腳錨管，共4根；線路左側按設計參數布置鎖腳錨管，鎖腳錨管與基巖面成45°往下打入，每2根錨管連接成U型，與鋼架焊接牢靠，對鎖腳錨桿后用錨固劑將鉆孔填塞飽滿；在塌腔位置拱背施工小導管，小導管一端盡可能深入圍巖，一端與鋼架可靠連接，小導管環向間距30cm；最后采用濕噴C25混凝土封閉，厚度不小于35cm。封閉前預留2個洞腔及2根注漿管(伸至坍腔頂部)，方便后續對坍腔進行混凝土及注漿回填。

2.5.5塌腔回填及注漿。利用初期支護預留的洞腔，將濕噴機噴嘴伸入其內進行C25混凝土噴填，每次噴填方量不超過2方，防止鋼架短時間承受巨大應力，直至無法將混凝土噴入，再采用注漿泵進行注漿，填塞坍腔。坍腔回填完畢后，應立即開展監控量測，加強初期支護觀察，每隔2小時觀測一次為宜，發現數據異常，及時采取措施加固。監控量測變形數據穩定后，應盡早施工仰拱封閉成環。

2.5.6后續施工。結合現場實際施工條件，及時施做塌方段二次襯砌。襯砌必須緊跟開挖工作面，當開挖長度滿足二襯施做條件時，需馬上停止開挖，施工二次襯砌，已確保二次襯砌提前承受荷載。施工下一循環開挖支護時，應做好超前地質預報工作，主要為TSP、超前水平鉆，且在每循環施工5個6m長的加深炮孔，以對前方地質條件進行探測。并嚴格按設計參數施工超前小導管，控制每循環進尺(不超過1.2m)，開挖完畢后及時進行初噴，已確保隧道安全掘進。

3 結束語

高風險隧道是目前鐵路建設施工的難點，也是易出現安全事故的風險所在，需引起高度重視。通過紙坊隧道f24斷層破碎帶的施工實踐表明，超前地質預報是非常重要的一環，其準確性將直接影響到施工措施的制定及其有效性；選擇合理的隧道開挖方法是保證圍巖整體穩定性以及避免大面積坍塌的重要保證；可靠的支護方式及小導管注漿措施是高風險隧道施工的靈魂所在，具有特別重要的地位。將上述措施合理的結合與靈活運用而形成高風險隧道關鍵技術，通過以上關鍵技術的有效運用，安全并快速地通過了斷層，同時對破碎圍巖條件下的隧道塌方施工具有普遍的適應性。