苍霞山超浅埋隧道松散围岩多类型塌方处治技术

沈伟

摘 要：苍霞山隧道为旅游公路超浅埋短隧道，极易发生塌方冒顶，施工安全和环境保护难度极大。针对受机械装备限制和环境保护控制等难题，提出了塌方处理的基本流程，制定了不同规模塌方冒顶的处治方案。在地表不宜开展大规模加固作业的情况下，对于覆盖层极薄的情况，采取加长双层小导管可以有效处治塌方冒顶;覆盖层达到一定厚度时，宜采用传统矿山法小断面、短进尺、强支护的方案通过，以实现安全、经济、高效的目标。通过采取上述方案，隧道得以安全通过塌方段，相关技术措施可供类似工程借鉴参考。

关键词：浅埋隧道;塌方;松散围岩;矿山法

0 引言

塌方是超浅埋隧道施工经常发生的事故。超浅埋隧道由于覆盖层很薄，上覆岩土在开挖后难以形成稳定的塌落拱，由此造成地表沉陷和塌方，给施工带来巨大风险[1，2]。当超浅埋隧道同时兼有复杂地形、软弱围岩、超大断面或其他不良地质时，塌方防控尤其困难。正因为如此，大量学者和工程技术人员对不同类型的超浅埋隧道防塌方问题开展了研究与实践，例如周光裕[3]以矮子寨隧道为例对陡峭偏压地形下的浅埋隧道塌方风险进行分析，比选了多种辅助施工方案，从而保证施工安全;赖金星[4]以宝天高速某隧道为例开展了浅埋偏压黄土隧道塌方处治方法研究和效果分析;崔向阳[5]以贵州两天窝隧道为例开展了浅埋暗挖隧道下穿岩溶施工方案研究;张长安[6]研究了双向八车道超大断面公路隧道穿越极浅埋段的施工方案;甘露[7]以福州市湖东东路南线隧道塌方为例对处治方案及效果进行了分析;邹金杰[8]介绍了浅埋暗挖法在某隧道塌方治理中的应用。由于浅埋隧道塌方的影响因素和机制极其复杂[9]，在工程实践中必须充分考虑工程的具体特征和条件，从预支护和预加固方案、开挖工法优化、施工监控与评估等多种方面着手[10-12]，才能达到安全和经济的目的。特别是对于部分规模较小、施工力量薄弱的隧道，尤其要充分考虑工程实际条件，灵活选用简单实用、易于实施的技术方案，快速决策快速实施，才能达到事半功倍的效果。本文结合湖南浏阳苍霞山隧道，介绍红色旅游区超浅埋短隧道的塌方处治方案，供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 隧道基本情况

苍霞山隧道是胡耀邦故居和陈列馆红色旅游公路上的一座短隧道，位于湖南省浏阳市中和镇附近。隧道起讫桩号为K1+435～K1+610，全长175 m，起点段洞口设计高程192.571 m，地面高程194.308 m，终点段洞口设计高程189.141 m，地面高程191.500 m，中线最大埋深21.2 m。隧道按双向两车道三级公路设计，设计速度30 km/h，行车道宽度3×3.5 m，内轮廓净高9.01 m、净宽11.62 m。

1.2 地质水文条件

隧址区属低山丘陵地貌区，隧道走向与山脊走向近似垂直，进出口山坡坡度较陡，进口端自然坡度30°～45°、出口端自然坡度25°～40°，植被发育，水土保持较好。隧道除洞口段和洞身段地表浅层有少量第四系覆盖层分布外，穿越岩层大部分为全风化和强风化板岩，其中全风化板岩呈褐黄色，可-硬塑状，原岩结构基本破坏，局部可见原岩结构，岩芯多呈土柱状，岩夹土状，局部含少量强风化岩块。

隧道穿越近东西向山体，山坡沟谷较发育，在两端山坡坡脚冲沟中有常年性流水，山体周边冲沟旱季无水，雨季有水，暴雨时节水量明显增加，暴雨情况下可能会爆发山洪。隧址区水系发达，河网密布，雨量充沛（年平均降水量1 500 mm～1 600 mm），且雨量集中出现在四、五、六月，尤以六月雨量最多。加之山坡陡峻，汇流时间短，受地形、水流切割作用的影响，能迅速形成具有冲刷能力的地表径流。

1.3 塌方预防与处治预设计

苍霞山隧道全隧道埋深很小，地质条件差，需克服浅埋、断层带、崩塌、塌方等困难，在设计阶段做了大量塌方预防和处治设计。

在塌方预防方面，根据具体覆盖层厚度、地质情况采用大管棚、注浆小导管、地表砂浆锚杆、地表预注浆等辅助施工措施，洞内通过初期支护设置工字钢拱架，二衬采用钢筋混凝土等对衬砌结构进行加强，同时，施工中应加强监控量測，并强调二次衬砌及时紧跟。

1.3.1 中、小型塌方

对从塌腔口可观察倒坍壁的稳定性，确定是否采用清渣方案，同时根据塌腔的矢跨比（H/B）采取不同的处治措施。

当塌腔矢跨比H/B<0.7 时，采用WNF 法处治，利用围岩暂时稳定状态，边清渣边处理，尽快采用喷锚支护加固未塌地层，即“外层初期支护（简称W）”，然后沿二次衬砌外轮廓施作钢筋混凝土壳体，即“内层初期支护（简称N）”，同时在壳体和喷锚支护之间采用钢架连成整体，沿内层初期支护外轮廓外依次设防水层、1 m 厚护拱及1 m 以上的缓冲层，即“防护层（简称F）”。

当塌腔矢跨比H/B≥0.7 时，采用WF 法处治，利用围岩暂时稳定状态，边清渣边处理，尽快采用喷锚支护加固未塌地层，即“外层初期支护（简称W）”，然后沿二次衬砌外轮廓施作防水层、1 m 厚护拱及1 m 以上的缓冲层，即“防护层（简称F）”。

1.3.2 大型塌方

对于大型塌方，一般不能采用清渣方案，而是采取“注浆+管棚”整体加固方案。设置止浆墙，然后充填注浆，充填后施作管棚，在管棚支护下采用短进尺、分步开始施工。

1.3.3 “冒顶”塌方

对于“冒顶”塌方，先处理地表塌方洞口，四周设置截、排水沟，并采用喷锚支护，根据地表稳定性情况决定是否采用地表注浆加固，洞内塌方处治方案可参考大型塌方处理，待洞内处治完毕后对地表塌方口回填加固，一般采用粘性土回填，回填后高出地表0.5 m～1 m。

2 多类型塌方及处治方案

2.1 处治原则与程序

由于围岩软弱或松散、不利结构面切割、埋深过浅等原因，不同规模的塌方是隧道施工常见的问题，苍霞山隧道也发生多次不同规模的塌方。由于该隧道属于旅游公路隧道，环境保护要求高，社会影响大，同时由于隧道规模较小，施工技术和装备力量相对薄弱，塌方处治既要遵循一般隧道塌方的原则，同时还要考虑该类隧道的特点，主要包括以下几点：

（1）安全第一原则：安全第一是所有隧道塌方处治需要遵循的第一原则，在出现塌方征兆和发生塌方后采取控制、加固措施时，都要注意进行安全性分析，评估塌方是否可控，一旦出现不可控的情况，应第一时间撤离人员、设备。

（2）绿色环保原则：保护环境，避免大规模地表作业造成的植被与景观破坏，是旅游公路隧道应特别强调的原则。除非万不得已，应避免大规模清表、地表注浆、修筑地表便道等作业。

（3）因地制宜原则：塌方处治要求快速决策、快速实施，因而必须结合现场施工的人员和装备条件，制定合理的处治方案。对于小规模的短隧道，必须考虑投入技术人员、作业工人的技术水平和经验，以及现场配置的施工作业设备，因地制宜、实事求是的制定处治方案。

苍霞山隧道塌方处治基本流程如图1所示，主要包括塌方控制、塌方段加固、塌方段重新施工等三个阶段：

（1）出现塌方征兆后，应立即组织有经验的技术骨干或专家查勘现场，评估是否可控。如果不可控，则应尽快撤离人员、设备，让塌方发生、发展，待发展到一定规模，重新进入可控状态时，制定塌方控制措施，避免塌方持续扩大。如果出现塌方征兆后仍可控，应立即组织采取塌方控制措施，避免塌方发生或发展。

（2）采取塌方控制措施时，应同时评估控制措施的实施效果。如果控制措施无效，或者效果有限，则应再次评估是否可控，若可控则调整控制措施或继续加强控制措施，不可控则撤离人员、设备。如果控制措施有效，隧道重新进入稳定状态，则可以实施加固措施。

（3）当隧道在采取控制措施后进入稳定状态时，应对塌方段和塌方影响段进行加固，只有加固达到足够的安全状态后，方可恢复塌方段掘进施工。加固的目的有二：一是对塌方影响段进行围岩和结构补强，确保其受到的损伤得以恢复，并为塌方段恢复施工提供条件;二是对于塌方段，应采取措施对塌腔或松散塌体进行加固，以满足重新开挖的稳定要求。

（4）塌方段重新施工：由于塌方段存在塌腔或松散塌体，尽管采取了加固措施，恢复开挖仍需采取短进尺、小扰动、强支护的方式进行，以确保安全。

2.2 中、小塌方处治方案

2.2.1 塌方的发生

苍霞山隧道施工至距离进口20 m处（管棚与小导管超前支护搭接处，覆盖层厚度约5 m），掌子面右侧出现一处陡倾节理面，走向近似垂直于隧道轴线，开挖时出现顶部松散岩块持续溜塌，作业队清理后，顶部空腔高度约2 m，纵横向约1 m。

2.2.2 塌方的发展

清理溜塌岩块后，作业队继续进行上台阶底部和拱脚开挖，期间上部溜塌持续扩大，最终导致塌腔延伸至地表，呈上窄下宽的锥形，顶部开口半径约1 m，底部横向宽度约5 m、纵向约2 m，如图2所示。

2.2.3 塌方的处治

针对锥形塌方冒顶，考虑隧道地处景区，覆盖层仅4 m，上覆荷载较小，在洞内采用喷砼封闭塌方体后，用两榀I20工字钢作为护拱保护已完成的初期支护，然后采用双排超前小导管进行加强支护，小导管长度6 m，两层外插角分别为15°和30°，小导管施做后有效棚护上覆岩体，顺利通过塌方段，处治方案如图3所示。

2.3 大塌方处治方案

2.3.1 塌方的发生和发展

苍霞山隧道施工至距离进口70 m处（覆盖层厚度约12 m），穿越一处小型断裂带时，隧道再次发生坍塌。塌方首先发生在掌子面左侧，起始阶段为松散石块掉落，随着作业队清理松散土石，塌方不断扩大，累积清渣超过200 m³，最终造成冒顶。隧道内塌方段纵向长度约6 m、横向宽度约10 m。塌方漏斗上宽下窄，开口直径约15 m，高度约10 m。

2.3.2 塌方控制与加固措施

（1）隧道洞內立即停止清渣，并采用弃渣堆填，渣体表面采用5 cm厚喷射混凝土进行封闭，避免渗水冲蚀土石。在掌子面采用型钢制作护拱保护已经完成的初期支护，型钢型号为I20，纵向间距50 cm，共设3榀。型钢与初期支护之间采用木方楔紧，底部落在坚实的岩土上，每榀拱架两侧各设2根小导管锁脚。

（2）考虑该隧道属景区公路，应尽可能减少地表植被破坏，因此不宜修筑便道进行塌腔系统处治，首先向塌腔内抛放钢管和螺纹钢形成骨架，再泵送混凝土进行底部回填，每层回填厚度为50 cm～80 cm，共回填三层，在漏斗底部形成左右的保护层，上部采用轻质泡沫混凝土回填，防治塌方漏斗扩展。

（3）塌方得以控制后，因成孔困难，采用机械法将直径89 mm、直径42 mm顶入前方塌方松散岩土并进行注浆，钢管长度实际长度3 m～6 m，处置方案如图5所示。

2.3.3 塌方段矿山法施工

由于塌方漏斗内的保护层距离开外轮廓还有1 m～2 m的距离，下方岩土体松散，加之工期较紧、作业设备有限，无法在短期内施做长管棚一次性穿越塌方段。为了确保安全，塌方段施工改用矿山法，上台阶弧形分左右两侧两次开挖，环形高度1.6 m，每循环进尺0.5 m。

具体作业流程为：

（1）左侧弧形段开挖进尺0.3 m，开挖后立即用一组3台液压支架进行支撑，支架顶部用木板封闭上部松散岩土体以确保安全。

（2）左侧弧形段继续掘进0.3 m，并用另外一组3台液压支架支撑。

（3）撤除前一组直接支撑在岩土体上的液压支架，施做该循环喷射混凝土。

（4）按照（1）～（3）施做右侧弧形段，完成一环开挖和支护。

（5）重复（1）～（4），最终通过塌方段。处治方案如图5，图6所示。

采用该方法的好处在于：每次开挖圍岩实际暴露范围仅为0.3 m，较其他工法大大缩小，且立即采用液压支架保护，大大增大了施工的安全性;采用液压支架加木板保护，有效解决了松散岩土体不断滑落的问题;使用的设备仅为6台液压支架，设备简单，操作简便;每循环0.5 m，成功解决了上部无长管棚超前支护带来的安全问题，缩短了施工工期。

3 结论

本文结合苍霞山旅游公路隧道，充分考虑工程规模小、环保要求高等具体条件，开展了超浅埋隧道不同规模的塌方冒顶处治工作，主要结论如下：

（1）制定了隧道塌方处治程序。超浅埋隧道出现塌方征兆或发生塌方后，应首先按照程序进行塌方控制，避免因清渣等不当施工措施，导致塌方扩大，增加处治难度。

（2）在旅游公路隧道等环保和景观要求较高的情况下，应尽量避免开展地表作业，必须进行地表处治时，应尽可能采取简易、快捷、环境破坏小的措施。

（3）当地表不宜采取大规模预加固等措施时，应结合工程实际作业条件和装备，因地制宜地灵活选择处治方案。覆盖层极薄时，上覆荷载较小，塌方范围可控，采取双层小导管加强超支护是安全、可靠的方案。覆盖层有一定厚度、塌方规模较大时，采取传统矿山法小断面、短进尺、强支护进行施工，也可达到安全、快速、经济的目的。

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