结合实例浅谈高风险隧道塌方施工技术

结合实例浅谈高风险隧道塌方施工技术摘要: 本文主要结合了工程实例，分析了不良地质条件下隧道穿越f1断层发生塌方的施工技术措施，为了消除其给施工安全和施工进度带来的极大影响，通过超前周边注浆及超前预支护措施，对该段进行加固处理，实践证明，在高风险隧道不良地质段落所采用方法合理有效，拱顶沉降控制在合理范围，最终安全有效地通过了高风险隧道断层塌方段。

可为高风险隧道施工提供了可靠的依据。

关键词：高风险隧道；断层；破碎带；塌方；超前预支护；施工技术0 引言随着我国隧道修建技术的不断发展和不断增长的经济需求，铁路、公路隧道的发展趋势是隧道越修越长、越修越宽；穿越的地质越来越复杂，所需要的技术越来越难、越复杂、风险也越来越高，隧道遇到断层破碎带塌方问题也日益增多，而断层破碎带塌方在隧道塌方中占的比例很大。

长大隧道施工中经常受到断层破碎带影响，断层破碎带地质条件复杂，岩体破碎，且多数裂隙水发育，隧道通过时极易产生塌方等事故，对隧道施工安全风险影响极大。

如此的话，如何在高风险隧道施工中规避此类事故的发生，以及当事故发生后如何有效处置，已成为高风险隧道施工亟待解决的重要技术难题。

1.工程概况1.1设计概况新建铁路沪昆客运专线长沙至昆明段梨子坪隧道位于湖南省怀化市溆浦县境内。

隧道进口端从北斗溪乡游鱼井村茅湾西面山坡进入隧道，下穿老牛冲、亮坳，经小横垄乡团结村黄土坳、杨柳村，在小横垄乡谭家村东约200m的小横垄河东岸山坡地带穿出隧道。

隧道起讫里程为dk273+441～dk279+756，全长6315m，双线隧道，左右线间距5m，设计行车时速350km/h，断面为139.9～166.27㎡，为长昆全线控制性工程，隧道dk276+615.1～dk278+850.4段位于左偏曲线上，曲线半径8995m，其他地段位于直线上。

隧道进口端609m为平坡，接着是5100m长19‰的上坡，出口端为606m长4‰的上坡。

最高点位于隧道中部dk275+400处的大垴坡，高程为807.6m，隧道最大埋深约为250m。

梨子坪隧道进口端dk273+441～dk273+468段为缓冲结构，长为27m明洞；出口端dk279+745～dk279+756段为倒斜切式明洞，长为11m。

ⅲ级围岩采用台阶法施工，ⅳ级围岩采用弧形导坑预留核心土法施工，ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步开挖法施工。

隧道风险等级为二级，易发生坍塌和突水突泥，一旦坍方突破可能形成连锁变形，不断扩大。

1.2工程地质概况梨子坪隧道地质情况极为复杂，隧道穿越雪峰山北麓的侵蚀构造中低山区，山峦叠嶂、沟谷纵横，地形起伏大，地势陡峻，区域内最高海拔为807.6m，地表植被茂盛。

隧道进口地形相对较平缓，自然坡度25°～35°，坡下为村落，分布耕地。

隧道出口地形较陡，自然坡度30°～45°，风化厚度大，坡下为小横垄河河滩，分布耕地。

梨子坪隧道地层岩性主要为砂质板岩、炭质板岩、粉砂岩、石英砂岩、绢云母板岩。

全隧ⅲ级围岩2330m，占36.9%，ⅳ级围岩2865m,占45.4%，ⅴ级围岩1120m，占17.7%。

梨子坪隧道受小横垄—槐子冲变形区的影响，发育有九溪江—三岔溪变形亚区（为一复式背斜）和槐子冲—对江坪变形亚区（为一宽缓向斜），隧道穿越两变形区的转折端和九溪江--三岔溪变形亚区东翼，断裂结构发育，洞身穿越北斗溪断层、发育枸杞岭—干田岭断层及其支断层、小坪溪断层、中林断层计五条断层，西部隧道出口约100m发育黄茅园—溆浦压扭性断层。

不良地质主要有危岩落石、放射性、高地应力、岩爆、构造破碎带及影响带等。

地质较复杂，施工风险较大。

梨子坪隧道区由于断裂构造较发育，主要穿越以下断层，即：北斗溪断层（f1）：非活动性逆断层，在dk273+900附近与路线交角约50°，平面上呈舒缓坡状，延伸长度大于10km，为区域性逆断层，在测区内因岩层风化较强烈，被第四系地层较厚，植被茂密。

枸杞岭—干田岭断层支断层（f2）：在dk274+345附近与路线交角约50°，该断层为区域性枸杞岭—干田岭断层的分支断层，为非活动性逆断层，平面长度约2km，延伸较平直，破碎带宽约20m，带内为构造角泥砂质砾岩，该断层在地表表现为沟谷负地形，多被第四系地层覆盖，硅质岩出露地表一般形成高陡悬崖。

枸杞岭—干田岭断层（f3）：在dk274+590附近与路线交角约50°，为区域性非活动逆断层，平面上呈舒缓坡状，延伸长度约20km，破碎带宽度50～100m，该断层在地表表现为沟谷负地形，多被第四系地层覆盖，硅质岩出露地表一般形成高陡悬崖。

f4推断层：为物探反应推测断层，地表未见出露。

小坪溪断层（f5）：在dk277+155附近与路线交角约40°，为非活动性逆断层，平面上较平直，延伸长度约10km，破碎带宽约1.8～2.5m，带内为破裂岩，硅化强烈，硅质岩脉不规则分布且相互穿插，该断层在地表多被第四系地层覆盖，极少见其出露。

隧道区地下水主要赋存于第四系松散岩类中的孔隙水、基岩浅部的裂隙水以及构造破碎带中的构造裂隙水。

结合隧址区地层岩性、地质构造、水文地质条件，本隧道正常涌水量范围为265.94 m3/d～18368.18m3/d，最大涌水量范围为766.35 m3/d～26561.78m3/d。

根据以上地质资料，梨子坪隧道穿越f1，f2，f3，f4，f5 5个断层，其中f1断层位于进口段dk273+730～dk273+860共长130m，围岩极为破碎，实际揭示围岩主要为炭质板岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩层倾向线路左侧，倾角约30°～40°，岩层受构造挤压作用，节理裂隙发育，局部岩层陡倾，隧道右侧拱腰斜向至拱顶处岩体较破碎，呈碎石状、薄片状结构，岩石强度较低，岩石整体完整性较差，围岩稳定性较差，易发生坍塌、掉块，少量基岩裂隙水。

施工至dk273+757拱顶右侧随即发生塌方，造成施工现场无法正常施工，机械设备出现损坏，降低施工进度，增加了施工成本。

f1断层分部情况如下图1。

图1f1断层纵断面图2.塌方过程及原因分析2.1塌方过程隧道进入f1断层段采用三台阶七步开挖法施工，当开挖至dk273+757掌子面时拱顶右侧发生了塌方，设计围岩为ⅴ级围岩（实际可以达到ⅴ级），开挖揭示岩体为炭质板岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩层倾向线路左侧，倾角约30°～40°，岩层受构造挤压作用，节理裂隙发育，局部岩层陡倾，隧道右侧拱腰斜向至拱顶处岩体较破碎，呈碎石状、薄片状结构，岩石强度较低，岩石整体完整性较差，围岩稳定性较差，少量基岩裂隙水。

开挖1h后，拱顶右侧不断出现掉快坍塌，形成一个高4～6m的坍腔。

我部根据情况不同迅速反应，采用喷射混凝土封闭措施，由于围岩非常破碎，不断的进行掉快坍塌，无法承受塌方体自重力，喷射混凝土无法对该段围岩形成有效封闭。

此次塌方可能与f1断层有关。

根据现场资料，塌方量多达300m3，如图2所示。

图2dk273+757断面围岩坍塌横剖面示意图2.2塌方原因分析⑴隧道走向与岩层走向不同，裂隙节理发育。

掌子面开挖接近背斜的核部；超前支护打设不及时不到位的话，隧道开挖给拱部坍塌提供了临空面。

⑵该段地层围岩为炭质板岩，灰黑色，弱风化，薄层状结构，岩石稳定性较差，较软弱破碎。

隧道开挖后，由于f1断层的影响，该处有一厚0.6～1.0m的软弱泥质夹层，遇裂隙水软化，自稳及抗剪切能力极差。

同时该夹层切割起拱线部位形成应力集中，在岩石软弱破碎的情况下，易发生局部破坏，拱顶右侧位置易发生切层掉快，引起塌方。

⑶塌方段原设计为ⅴ级围岩ⅴe型结构，h175型钢0.6m/榀全环布置，拱墙锚杆纵环向间距为1.0×1.2m，长度为5.0m；φ10钢筋网片（20×20cm），从现场施工情况来看，围岩类别偏于保守，但初期支护形式不合理，不能起到有效的支护作用。

对地质情况的误判导致采用的支护方式为锚网喷支护，锚杆按照径向布置，基本与断层平行，不能与周边稳固围岩连接，不能实现锚杆的组合梁作用。

喷射混凝土采用厚35cm的c30喷射混凝土。

同时由于喷射混凝土强度有一定增长期，前期强度较弱，难以阻挡拱部的松动荷载，无法抑制变形的进一步增长。

⑷随着开挖的进行，隧道埋深迅速增加，，二次应力效应明显增加，围岩二次变形增大，在裂隙发育，岩石软弱的破碎带炭质板岩段，围岩表现为收敛变形和松动坍塌。

⑸超前预报缺乏及时性，超前支护措施不当，针对这样的地质条件，应采取合理的超前支护措施，同时超前周边注浆缺乏整体受力的针对性。

⑹量测点的布置位置缺乏针对性。

断层破碎带围岩变形具有突发性，特别是出现局部塌方后如何安全布置量测点、如何检测等都是问题，断层破碎带围岩不能起到有效的监控量测效果。

3.断层破碎带处理指导思想按照锚喷构筑法原理组织施工，稳扎稳打、步步为营、防塌为主，即少扰动围岩和超前预支护，充分发挥围岩的作用，尽早封闭成环，形成一个整体受力结构，加强量测及信息反馈，指导施工。

⑴施工中坚持遵循“管超前、预注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则。

⑵利用“超前钻孔”等手段探明前方断层地带的情况。

⑶加强超前注浆等预加固、堵水措施，改良地层。

采用超前小导管、钢架、网喷混凝土及支护手段，构成强支护体系，仰拱及时支护成环，并及时组织衬砌施工。

⑷根据位移量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定状态吗，及时调整支护参数，确保施工安全。

4.施工工艺及方法4.1施工工艺及步骤①对掌子面、拱墙暴露部位及坍腔口部进行初喷②对坍腔小里程边沿3m范围进行初期支护（型钢钢架）③对剩余部分进行初期支护(格栅钢架)④对坍塌部位进行初期支护⑤坍腔混凝土回填或注浆⑥处理完毕后续施工。

如图3所示。

图3dk273+757纵断面围岩坍塌处理示意图4.2施工方法⑴进入断层影响带前，采用tsp203进行长距离宏观控制超前地质预报，根据预报成果合理调整施工方法及支护参数。

⑵由于有少量裂隙水发育，采用红外物探法进行红外探水。

⑶超前周边注浆及超前支护施作完毕，由于围岩极其破碎、松软掉快，在施工处理时开挖方法采用三台阶临时仰拱法施工。

开挖采用风镐或弱爆破，循环进尺控制在0.5～0.6m。

以减小对周边岩体的扰动。

⑷采用扩挖工作室进行加强支护系统处理，在原设计的基础上采用i22a工字钢架和超前小导管、锚杆加强支护，同时对坍腔内进行混凝土充填密实。

确保施工安全。

开挖后及早进行仰拱、铺底及衬砌施工。

5.施工处理方案5.1初喷采用机械手对掌子面、拱墙暴露位置及坍腔口部进行初喷，初喷厚度8cm，坍腔口部初喷加强，厚度为15cm，临时稳定围岩；逐步清理掌子面洞渣，并观察掌子面围岩完整性，如果围岩破碎，则停止扰动渣体，围岩较完整，则采用挖机将洞渣转至底部，堆积成台阶，上部洞渣每下降2m，对暴露围岩进行初喷支护；将中线位置台阶进行放坡，机械手行驶至台阶上，机械臂尽量升长对坍腔内部尽可能进行初喷支护，初喷厚度15cm。