鹧鸪山隧道塌方处理技术措施
摘要 鹧鸪山隧道是我国在建高海拔、高寒地区的长大公路隧道，地质情况复杂。文章介绍了隧道的地质概况和围岩特征，并重点阐述了隧道大塌方的情况及处理措施，指出了对变质岩地区碳质千牧岩围岩级别确定的重要性，为位于高原、高寒地区通过复杂地质地段的隧道施工提供了实践经验。
关键词 鹧鸪山隧道 隧道塌方 处理措施
1．概述
国道317线鹧鸪山隧道及其引道工程，位于四川省阿坝藏族自治州理县和马尔康县之间，东距成都西北约310km，路线全长8996m。其中，东引道长220 m，隧道长4423 m，平导长4439 m，西引导长4353 m，合同总共期42个月。
鹧鸪山隧道属高海拔、高寒变质岩地区工程，隧道区地面高程达3300 m以上，区内历年平均气温为3。3~3。8，历年极端最底气温为-30~-31，冻结最大深度1。01 m，最大积雪厚度47㎝。
鹧鸪山隧道设计技术标准为山岭重丘二级公路，行车速度为40 km/h，双向行车，行车道宽2 m×3。5 m。建筑界限：高5 m，宽9 m。车辆荷载：汽车-20级，挂车—100。另设平行导坑，作为运营通风及安全救援通道，平导建筑限界：高4。5 m，宽5 m。
2．隧道区内出露的地层主要为第四系全新统和三叠系“西康群”中统杂谷脑组上段上统侏伟组、新都桥组及中生代燕山期花岗闪常岩。
Ⅱ级围岩段：以千枚岩、碳质千枚岩、板岩、碳质板岩为主，节理裂隙发育，洞身施工时易坍塌，夹砂岩破碎带处开挖后地下水发育，碳质千枚岩等软岩段在初期支护施作后不久地下水逐渐渗出并增大。
Ⅲ级围岩段：以砂岩、板岩为主，夹薄层细砂岩，受区域地质构造影响，岩层挤压倒转，节理发育，岩体破碎，地下水较发育，洞身施工中易坍塌。
Ⅳ级围岩段：以变质细砂岩、板岩为主，夹千枚岩、碳质千枚岩，岩层单斜，挤压紧密，节理较发育，岩体较完整，地下水较发育。
目前隧道施工地段以Ⅱ级和Ⅲ级围岩为主。
3.平导PK0+540~+567段地质
该段施工揭露围岩以碳质千枚岩为主（占90%以上），夹薄层碳质板岩，受区域地质构造影响，岩层挤压强烈，产状为270度~300度，角70~87度，节理发育，主要有320~350度，角30~55度，115度角60、270度等。碳质千枚岩呈薄片状，力学强度低，层间黏结力小，与水软化，泥化，呈松软结构。PK0+556~+572段有一逆断层，产状形成宽度约2米的角砾岩带。开挖时干燥无地下水，初期支护施作一周后出现渗水，坍塌时大面积滴水，坍塌后坍体出水量为22立方/小时。
4．平导PK0+540~567段坍方情况
平导建筑限界高4。5米，宽5米，开挖断面高7。2米，宽7。9米，曲墙式衬砌，采用新奥法复合式衬砌施工。PK0+540~+567段于2001年10月15日~10月23日开挖及初期支护。其原支护措施为：拱墙全断面设置Ⅱ级φ18螺纹钢筋网（25×25㎝），拱部系统锚杆为3米长φ25中空注浆锚杆，间距1米×1米，梅花型布置；边墙施作2。5米长φ22砂浆锚杆，间距1米×1米，梅花形布置；拱墙全断面喷C20混凝土（厚10㎝），预留变形量10㎝；二次衬砌采用40㎝厚C25混凝土（还未施工）。开挖时无地下水，一周后喷射混凝土表面出现渗水，且渗水面积逐渐增大增多。于2001年11月5日上午该段喷射混凝土迅速发生开列，正欲对该段进行加固处理时，当日下午便发生坍塌。坍塌岩渣封堵巷道，坍腔高度及宽度无法探明（估计7~8米高，13~15米宽），坍塌岩渣估计三千多方，覆盖原平导开挖断面达27延米。同时，PK0+520~+540及PK0+567~+580段初期支护发生变形开列，喷射混凝土裂缝宽达10~30㎜，环向长度贯穿整个断面，剥落掉块，钢筋网外露，初期支护被破坏，失去其支护能力。
5．工程处理措施
5．1 PK0+520~+540及PK0+567~+580段初期支护开列段（坍方影响段）
首先对PK0+520~+540段初期支护开列段进行了加固处理，以防止坍塌向洞口发展。其具体措施为：加设Ⅰ18工字钢架作为临时支撑，刚架间距为1米，拱架角喷射C20混凝土固定（必要时施作临时仰拱），拱背与喷混凝土面紧帖，空隙处喷混凝土封闭。每榀临时支撑设8根φ22砂浆锚杆（长3米）锁定。临时支张之间作φ22螺纹钢筋拉杆。全断面增补4~5米长φ25自进式锚杆加固围岩，间距1米×1米，梅花形布置。PK0+567~580开列段待坍塌段处理后再按上述相同措施处理
5．2 PK0+540~+567坍塌段
5．2．1 封闭坍塌面
首先对坍塌岩渣外露面喷10㎝厚C20混凝土进行封闭处理，喷混凝土中设φ6钢筋网（25㎝×25㎝）。该10㎝厚钢筋混凝土同时被作为止浆墙。
5．2．2 注浆固结坍塌岩渣
对坍渣进行固结，以提高渣体自身稳定性和强度是暗挖通过坍方的必要方式。注浆管采用6米长φ42钢花管，注浆孔深6米，与长度一致。洞周注浆孔外插2米，环向间距为1米，中部及下部注浆孔间距可调整为2米。注浆扩散范围为2~4米，浆液采用C：W=1：1之水泥浆，注浆压力以0。8~1。2MP为宜。每4延米为一循环，共计7个循环。
5．2．3 φ89钢花管棚超前支护
使用瑞典353E全液压凿岩台车沿开挖轮廓以3~5度外插角打设φ102㎜、深6米的孔，然后用液压凿岩台车顶入φ89钢花管，每循环长度为6米，搭接长度2米，环向间距0。3米，每4延米为一循环，共计7个循环。注入水泥浆填充管棚以增加其刚度，注浆压力根据现场实际情况而定，以充满管体为准。
5．2．4 架设工字钢架
进行注浆固结和施作超前支护后，采用微台阶、短开挖施工方案，台阶采用三台阶，每台阶长度为1。5米。每开挖循环控制在1~1.5米以内，短进尺，弱爆破。开挖后在管棚下架设I18工字钢架，刚架纵向间距为0.5米，纵向用φ22螺纹钢筋拉杆连接，拉杆环向间距为1米。钢筋网用φ10的钢筋，网格为20×20㎝，双层，喷C20混凝土（30㎝厚）。φ22系统砂浆锚杆，3.5米长，0.8米（环向）×0.5米（纵向），梅花型布置。该支护均为全断面设置（包括仰拱）。
5．2．5 二次衬砌加强
为确保永久结构及运营安全，并对该段及前后影响段（即PK0+520~+580段）二次衬砌及仰拱支护措施进行加强处理，采用60㎝厚C25钢筋混凝土衬砌。
5．2．6 坍腔回填
坍塌地段安全顺利通过后，用地质雷达探测的上部坍穴具体情况表明，其坍塌范围较大，会对隧道支护结构造成较大压力，且坍腔已被松渣填满并已注浆加固，因此无须在进行回填。
5．2．7 工艺流程
止浆墙 注浆固结 超前管棚及注浆 上部开挖及支护 中部右侧开挖及支护 下部右侧开挖及支护 仰拱开挖及支护 仰拱及二次钢筋混凝土衬砌。
5．3 监控测量
施工处理时，加设了监控量测测点，共设置6个断面，每个断面共测6条测线。根据量测记录绘制出的各个断面的净孔变位—时间曲线显示，其处理措施合理有效，结构稳定，安全可靠。
6． 结论
由于实施以上处理措施，工程已安全顺利通过平导坍塌区。
上述情况表明，在变质岩地段，应超前钻探，以探明前方地质状况，作好支护，以避免坍塌。
第 3 楼
1 工程概况
峰山隧道位于陕西省道212线陇县至陕甘界正线K0+715处，隧道长505m，开挖断面宽12.3m,高10.1m。进口桩号为K0+460，设计洞底标高为1245.710m,出口桩号为K0+965, 洞底标高为1230.672m。隧道为单向坡，北高南低，纵坡3% ，为上覆盖黄土泥岩质隧道。隧道施工从出口向进口方向施工，即从K+965向K+460方向掘进。围岩产状近水平。隧道采用“新奥法”复合式衬砌结构型式，高压钠灯照明，自然通风。隧道内轮廓线采用单心圆，二次衬砌断面拱部采用等截面，边墙采用变截面型式。
2 塌方段地质情况与塌方概述
省道S212线陇县至陕甘界公路地处华北地台陕甘宁坳缘地带，区域上断裂构造较发育，新构造运动相对活跃，对隧道安全有一定影响。根据峰山隧道《工程地质勘察报告》及每循环开挖后的掌子面地质情况，该地层为白垩系下统泾川组碎屑岩，岩性为浅棕红、橘红色泥岩，砂质泥岩及含砂砾岩。判定K0+550~K0+505处洞内围岩稳定性较差，多呈碎块镶嵌结构。围岩为棕红色泥岩夹浅绿色、灰白色薄层粉砂岩，岩层产状接近水平，单层厚2cm~40cm，胶结性差，节理发育。
施工期间连降中雨，于某日凌晨3时许在已施工完的K0+530~K0+520段中线右侧2.0m上导坑及右边墙(起拱线以上)出现长10m、宽9.6m、深约5.0m的塌方。在围岩裂隙水的作用下，次日凌晨2.00时许该处地表覆盖层全部向下坠落，形成通天塌方，井口上口长9.0m宽6.0m，下口长10.0m、宽9.6m。洞内堆积塌落体约1200m3，地表塌落深度约11.5m，且洞内堆积物将掌子面全部封闭。由于发现及时未造成人员伤亡事故。
3 塌方原因分析
3.1围岩划分错误
隧道从K0+505~K0+555段划分为Ⅱ类围岩，属浅埋段，埋深11.5m~23m,据《工程地质勘察报告》中数据分析，风化碎石土厚约4m，全分化岩石厚约7m,其波速为0.5~1之间，即隧道开挖顶面已接近一类围岩不足1m，应划分为Ⅰ类围岩，围岩划分错误。造成这种划分错误的主要原因是在隧道的顶部地面有一小冲沟，勘查时对小冲沟认识不足。
3.2围岩突变
沿隧道纵向出现断层，该断层沿掘进方向出现在K0+555桩号附近，产状近直立，走向590，宽0.6m~1.2m，勘察报告未发现。该断层的出现是塌方的主要原因之一，也是地下水下渗的通道之一。
3.3与地貌有关
塌方段岩石风化强烈，位于冲沟与隧道路线交汇处，该处属于阴坡，风化残积土层较厚且含水量大，地表水不易蒸发。山坡地表坡面水向冲沟汇聚后经隧道地表K0+525桩号附近流出，是地下水下渗的主要补给源。
3.4隧道围岩赋水性变化
地下水是造成本次塌方的最重要因素之一。地质勘察时在K0+600处布置SZK1钻孔，从SZK1钻孔提水试验可知，泥岩裂隙水单位渗水量小于0.02m3/h·m，附近泉水出水量仅为0.014 m3/h.m，划分为较弱赋水段。但由于2003年下半年渭河流域遭遇50年一遇的强降雨，进口K0+505~K0+555段处于阴坡，地下水赋水丰富，冲沟有泉水涌出，路线K0+520~K0+530段与小冲沟相交，全风化岩石已达隧道洞顶，地下水通过全风化岩石、断层、节理下渗至隧道。2004年7月9日、10日强降水沿冲沟下渗到K0+520~530段，该段从弱赋水段转变为强赋水段。
3.5其他因素
①隧道开挖后围岩应力重新分布造成偏压失去平衡。
②雨水渗入断裂带及裂隙后形成滑面，岩石相互滑动，内力挤压型钢变形形成坍塌。
③隧道超前小导管注浆量或许不足。
4 塌方处理方案的选择与确定
4.1常见的治理方案
4.1.1明挖法
此法一般用于接近洞口的隧道拱顶覆盖层在10m内的隧道拱顶大塌方，出现这种塌方即可从地表开挖至路基设计标高，改隧道暗洞为明洞或为双壁路堑。
4.1.2明穿法
隧道塌方区离洞门较远，其拱顶覆盖层超过10m，塌落高度已接近地表，或形成通天塌方，出现这种塌方可从地表逐步向下处理，直至将塌方区的拱顶恢复而向前继续推进。
4.1.3暗穿法
隧道塌方情况和上述明穿法的塌方情况相同，但在处理塌方时，是从塌落体的底部开始处理，直至塌落区的拱顶恢复而继续向前推进。
4.2明穿方案与暗穿方案比较
峰山隧道K0+530地表中心标高为1264.644m，拱顶标高为1251.760m，K0+520地表中心标高为1262.157m，拱顶标高为1252.060m，塌落区中心距离进口洞门达65m(包括6m明洞)，塌落平均高度为11.5m，其形状如图1、2所示。从图1、2不难看出，解决峰山隧道通天塌方采用明挖法是不可能的，这样就只有明穿和暗穿这两种方法可供选取，故首先对两种方案进行设计和比较。
4.2.1暗穿方案
这种方案的特点是塌井中残留的大部分松渣仍留作充填用，工作重点是隧道中的松渣固结与拱顶支撑。具体来说就是：①将地表的天井洞壁松散部分清除后，用C25钢筋混凝土锁口，混凝土厚0.5m，高1.0m，表面尺寸较天井尺寸每边各扩大1.5m；②清理井壁，并喷射5cm厚C25混凝土；③在天井周壁上安装RD32D中空注浆锚杆，每根锚杆长5.0m，间距0.5m×0.5m布设，外露30cm，并注浆；④在天井内沿线路方向安装2道I20a型工字钢，横线路方向安装3道I20a，每层高度方向间距为3.0m；⑤挂2层φ8×20×20钢筋网，并与锚杆及工钢焊接，并喷射50cm厚的C25混凝土护壁；⑥在隧道中对坍塌松渣表面喷射混凝土固结；⑦沿设计隧道的轮廓线用人工打进6.0m长双排注浆导管，环向间距为20cm，层距30cm，步距4.0m，并通过注浆导管向拱顶以上松渣注浆固结；⑧当注浆达到一定强度后，即在隧道中用人工沿比隧道设计初衬轮廓线扩大20cm开挖环形槽，当环形槽推进0.5m后，立即对开挖面素喷5cm厚C25混凝土，再安装钢拱架（钢拱架半径比原设计半径扩大20cm），在钢拱架内外沿各挂一层φ8×20×20钢筋网片，喷射厚30cm的C25钢纤维混凝土，并预埋垂直向上的注浆管；⑨以上工序完成后，再用机械掏挖核心松渣，当0.5m厚的核心松渣挖除后，又对新的松渣表面素喷5cm厚C25混凝土，然后重复⑥、⑦、⑧、⑨工序按0.5m步距向前推进；⑩当通天天井的下口全部钢拱架及钢纤维混凝土封闭完，且隧道中残留的坍塌松渣清除完毕后，即抓紧利用垂直向上的注浆管向留作充填的井内松渣进行注浆固结（注浆采用水泥、水玻璃双液浆）；11从地表安装注浆管，并向井内分层充填砂石混合料，并用人工夯实；12用注浆管向井内充填砂石混合料行注浆固结（注浆采用水泥、水玻璃双液浆）；13用20cm厚C15混凝土将井口封闭。具体方案如图3、4所示。
4.2.2明穿方案
这种方案的特点是由上而下护壁，再由下而上恢复拱顶，然后向井内回填。完成后，在钢拱内圈安装模板，上部浇注厚0.8m的C25混凝土。当浇注的混凝土达到强度后，再从天井口卸3~3.5m厚的砂石混合料于已浇注的混凝土上，同时进行人工夯实，然后从隧道中通过注浆管进行注浆加固。这些工序完成后，再从井口下料，对天井由上而下分层夯实回填，直至井口时，便采用低标号混凝土封闭井口，从而完成隧道通天塌方的处理。
4.2.3方案确定
通过上述明穿方案和暗穿方案基本特点及其施工工艺的对比分析，认为两种方案对处理峰山隧道的通天塌方都是可行的，只是施工工序略有不同，经济上花费差不多，是合理的。而从确保施工质量及加快施工进度和防止地表水继续从塌方区拱顶位置向下渗漏等方面考虑，明穿方案尤显优越，但暗穿方案只要认真组织、精心安排，施工按部就班，质量易保证，上述目的也可达到。更重要的是峰山隧道施工的队伍对于暗穿施工有丰富的经验，最后经业主、设计单位、监理、专家、施工单位代表共同讨论，确定峰山隧道通天塌方采用暗穿处理方案。
5 塌洞施工处理
5.1地表挖截水沟截明水
为防止通天塌方的天井继续垮塌，在天井口处的山坡上修建一条长度为240m的环行截水沟，截水沟采用7.5号浆砌片石进行砌筑，以防止汇集于冲沟中的雨水继续流入塌陷的天井坑中。同时按照暗穿方案中的要求对天井坑口进行锁口施工。以确保塌方处理时的安全。
5.2强化隧道洞中的塌落体
峰山隧道的通天塌方形成后，K0+520~K0+530段整个隧道均被含水量很高的塌落土体充填。该塌落土体的自然安息角很小，只要稍动安息角，塌落体就会自动下滑。为提高其自然坡度的稳定性，首先对隧道中的塌落土体表面喷一层厚15cm的C25混凝土，以保证土体的稳定和避免注浆流失。同时，向塌落土体内注入水泥加水玻璃的双液浆，以提高塌落土体的强度和稳定性，为安全开挖和架设钢拱架创造条件。
5.3塌洞处理施工工艺
塌洞处理的具体施工工艺是按照暗穿方案中的⑥、⑦、⑧、⑨工序循环进行施工，即完成整个塌洞的初期支护处理。当围岩稳定后，按照《峰山隧道设计施工图》进行防水板、土工布挂设，并按Ⅰ类围岩参数对K0+550~K0+505段进行2次衬砌施工，2次衬砌增加PS钢格构（原设计衬砌为Ⅱ类围岩参数），从而大大增加了支护的安全储备，以确保隧道安全。当隧道内的支护全部完成后，即可按照暗穿方案中的⑩、11、12、13工序进行天井回填施工。
5.4地表保护设施
为保证地表水不渗入隧道中，将环行截水沟与洞口永久性排水沟相接，以疏排截水沟范围内的汇水。为使整治和环境美化有机结合，在天井周围的植树种草，造成绿色植被，这样既防止水土流失，又恢复自然本色。
6 塌洞处理的效果
①水平收敛及拱顶下沉观测是掌握围岩稳定和支护动态的必测项目，同时按照设计要求，在塌方发生后，立即在天井周围布设了8个地表下沉观测点。在隧道通天塌方部位的初期支护完成后，即在两断面上布设了净空收敛和拱顶下沉变形观测点。经过3个多月的监控量测及数据分析，结果表明，隧道内的水平收敛、拱顶下沉、地表下沉均已稳定，说明围岩已经稳定。
②处理峰山隧道的通天塌方处理及加强段2次衬砌施工，总计使用钢材100.34t（其中I20a工字钢34.66t，Ⅰ级钢筋5.8t，Ⅱ级钢筋59.88t），清理塌方体880m3，回填砂石混合料710m3，喷射C25钢纤维混凝土80.14m3，喷射C25混凝土88.62m3，完成浆砌块石210m3，浇注C25混凝土305.1m3。时间只用了2个多月。
7 几点体会
①工程地质条件变化是造成隧道塌方的主要原因。应正确理解《工程地质勘察报告》，一般对隧道设计的地质勘探，仅有的几个勘探钻孔很难准确的掌握隧道岩体的岩性、断裂构造和节理裂隙发育情况，岩石的类型虽易判断清楚，但断层节理发育情况却千差万别。因此在隧道施工中，必须加强对围岩的观察，掌握地质构造变化的规律，做好地质超前预报。以峰山隧道为例，《工程地质勘察报告》对地层、岩性、大型构造等描述正确，但由于不是100%揭露或布置大量钻孔（没有必要也不可能），局部不准是我们必须注意的。对围岩较弱地段、断裂发育地段，必须严格按照“短进尺、强支护、早封闭”的施工工艺进行施工。
②水是隧道施工中最难控制的因素之一。
在隧道施工中，对水的作用切不可忽视，隔断地表水，控制地下水。要认清地下水是随时变化的，随年份、季节、月份、日期的变化而变化，如洪涝年份、雨季，上层滞水增加，潜水面上升；干旱年份、旱季，上层滞水减少或消失，潜水面下降。应认清地下水是一个体系，随时随地都在变化，受地形、地貌、地质、气候等条件影响。今年明年不同，雨季旱季不同，晴天雨天不同。如峰山隧道位于渭水流域，降水主要聚集在7、8、9月。因此在施工中，需特别注意地下水的变化，久雨暴雨后应注意观察含水量的变化。凡要穿过冲沟、峡谷时，必须提前做好防排水和防止塌方的一切准备。只要发现岩体有潜水，就要抓紧对地表水进行引导疏排，尽可能将渗入地层的水源切断，或强化支护，以确保隧道顺利通过软弱地带。
③在隧道施工中，必须加强监控量测。峰山隧道塌方发生时，仅上导坑开挖支护完成，量测项目仅有拱顶下沉布点，间距较大，塌方最初从边墙发生，后来扩大到洞顶，拱顶下沉没有变化，和布点间距较大有关，应加密观测。
④在隧道施工中，必须采用及时正确的施工工艺。正确理解新奥法，特别是监控量测对施工的指导意义，如遇到监控数据发生变化，或地质条件突变时（如遇到岩体破碎软弱、地下潜水较大时），要及时修改支护参数，加强超前支护。严格控制放炮药量，减少对围岩的扰动。隧道一旦出现塌方迹象时，必须尽快制定临时处理方法，短进尺，慢进尺，使支护达到一定的强度时，再进行下一环施工，并组织精干队伍抓紧进行处理，防止塌方蔓延、扩大。
⑤隧道坍方处理是一项艰难而复杂的作业，处理方法也很多，需根据塌方的规模、部位、具体情况而确定。