隧道坍塌处理

洞子崖隧道DK684+010～DK683+956段侵限换拱及坍塌、冒顶处理方案等有关情况汇报

一、隧道基本概况
1、隧道概况
洞子崖隧道位于澄城县洞子崖村东南侧，西延铁路洞子崖车站左前方。地貌上属黄土梁峁区，地形起伏较大，高程在557～660m之间，最大埋深104m。隧道在洞子崖村附近DK683+062穿越一基岩山包后进入宽约130m杜康沟断层，沟底处离拱顶仅16米，埋深较浅，然后再穿越砂岩夹泥岩层，最后在DK684+385出洞。隧道起讫里程为DK683+062～DK684+385，全长1323m，为双线隧道。全隧道位于直线地段，洞内线路为5.4‰的单面下坡。
2、地质概况
隧道处在地质构造较复杂，属韩城——铜川断褶带，为陕甘宁台坳与汾渭地堑接壤带，构造活动激烈，岩层层序变化较大。隧道范围内主要地层为第四系全新统坡积黏质黄土和碎石土、第四系上更新统风积黏质黄土、二叠系中统/下统砂岩夹泥岩。
杜康沟断层（DK683+940～DK684+070）为隐伏逆断层，断层产状N60°E/84°S，断层走向与线路近正交。岩层的断裂破碎程度由北向南而递增，小的断裂构造较为发育，致使下部岩层纵横错断呈不连续状。断层破碎带宽度约130m，呈浅灰色、紫红色，断层物质为断层碎石为主，挤压揉皱严重，岩性为砂岩、泥岩，断层哑口、断层沟等断层地貌明显，基岩裂隙水不发育。节理多为高角度交叉剪切节理，岩体多被切割为菱块状。对隧道围岩稳定性影响较大。杜康沟断层沟底处洞身最浅埋深为16m，地表及洞身部分有第四系上更新统风积黄土具湿陷性。
二、施工状况：
洞子崖隧道于2008年3月15日开始洞口段的开挖掘进，从DK684＋076段开始进入杜康沟断层施工，在DK684＋076～DK683＋938段采用Ⅴ级围岩加强复合式衬砌，采用三台阶七步开挖法（或预留核心土法）施工，进入杜康沟断层带施工后，掌子面地质情况变化较大：从DK684+076处掌子面揭露岩性来看，为砂岩夹泥岩，砂岩呈厚层状，岩体较完整；从DK684+010处掌子面揭露岩性来看，线路右侧为砂岩夹泥岩，砂岩呈中厚层状，线路左侧为黏质黄土和碎石土；DK683+990附近掌子面揭露岩性以黏质黄土为主夹杂部分碎石土，黏质黄土具有湿陷性，该地质条件一直往后延续。10月3日下午，项目部测量人员使用断面仪对洞子崖隧道杜康沟断层带上台阶进行断面测量并形成相关数据，从数据显示来看，该段断面比较正常。继续开挖时，10月4日上午9:00，DK683+991～DK683+956段初期支护出现严重变形，喷射混凝土面开裂严重，掌子面附近拱顶在三个小时之内出现急剧下沉，其中DK683+960处累计沉降量为69.1cm，单次沉降量最大值为42.7cm。见现场施工照片一

出现裂纹照片1 拱架下沉情况2
洞子崖隧道在进行DK683+991～DK683+956段的换拱施工, DK683+991～DK683+960段换拱施工已经完成，施工监测比较正常。2008年11月18日，DK683+960处原初期支护被破除后，拱顶偏线路右侧1m处斜向上60°角出现深度为7m左右，直径为1.5m左右的圆形空洞，将现场人员进行了撤离，待该塌腔稳定后，与当日晚上开始架立新型钢钢架，采用喷射混凝土封闭，喷射混凝土施工完成时间为11月19日5:30。11月19日9:25，DK683+960处拱顶偏线路右侧1m左右出现大面积塌方，塌方情况见相关照片二。


洞子崖隧道换拱至DK683+960处出现坍塌照片3、4
目前该隧道已经完成开挖支护425m，二衬施工392.5m。于2008年底完成了DK683+960处的大管棚及注浆施工，并按照设计变更要求采用注浆加固围岩。在2009年2月6日恢复施工时，开始将塌方下来的土体外运准备施工，按照先两边再中间先左侧再右侧的顺序进行清理，并且预留核心土，至2009年2月7日上午10:50将土体清理完成后准备立架时，原塌腔发生较大的塌方，导致去年底施工管棚在重压之下出现下沉，下午16点35分，该处再次出现塌方，并且在该处山顶杜康沟旁边的路上形成了一个4×4m的空洞，已经出现冒顶现象，见相关照片三。从现场情况来看，该塌方集中在DK683+960～DK683+956的葫芦口形状塌方。

洞子崖隧道冒顶照片5 冒顶后坍塌照片6
三、侵限换拱、坍塌、冒顶处理方案
（一）侵限段换拱施工处理方案
根据洞子崖隧道侵限和实际监控量测情况，目前隧道沉降和收敛已基本稳定。对洞子崖隧道拱顶整体下沉和初期支护喷射砼面开裂问题采取如下处理方案：
1、加强监控量测：对DK684+001～DK683+956段继续加强监控量测，包括地表沉降、洞内拱顶沉降、拱脚沉降、收敛、横向位移等；施工队要明确落实到具体人员协助项目部进行量测及布点，系统观测、规范操作，收集汇总资料以便指导施工。
2、对隧道断面重新进行测量，对于没有侵限(经测量决定)的地段进行下台阶开挖，开挖循环进尺每次两榀，左右两侧错开开挖，每开挖完成5m后进行仰拱施工，确保仰拱和填充砼浇筑及时，如此循环。
3、待侵限段拱顶下沉达到稳定后，对洞内侵限段已扰动围岩进行加固处理，为后续换拱工作提供安全保障。拱部沿径向打设直径φ42径向钢花小导管，长度6.0m，环向间距100cm，纵向间距为设计两榀拱架间距，注1:1水泥浆（加速凝剂）加固扰动围岩，注浆压力0.2Mpa，稳压10min。临时加固措施中已施作的部分注浆管可代替本条中的注浆管，可根据际情况作出调整。注浆小导管的制作、安装及小导管注浆施工工艺详见项目部下发的《超前小导管施工技术交底书》中的相关内容。
4、DK683+991～DK683+976段变形较小，采用CD法进行下台阶开挖施工（CD法施工工艺见附图），初期支护及衬砌按原设计图纸进行施作，DK684+052～DK683+076段施作二衬，二衬施作完成后，临近二衬段开始换拱施工，每次换拱长度不超过3m，并尽快完成该段的二衬施工。
5、DK683+976～DK683+956段换拱时，新钢架拱部施工双层超前小导管，长度6m，环向间距6m，纵向搭接长度1.5m，两层小导管错开布置，注1:1水泥浆（加速凝剂）加固扰动围岩，注浆压力0.2MPa，稳压10min，开挖工法采用双侧壁导坑法施工。
6、DK683+976～DK683+956段Ⅰ部拱架拆换严格控制每次拆换数量为一榀，从边墙往拱顶（自下而上进行）逐节拆换。以每一分节为一作业单元，在每一作业单元内遵循：破除原砼及背后围岩→拆除原拱架单元→轮廓及位置测量→更换新拱架单元→施作超前小导管、系统锚杆、挂钢筋网片→喷射砼封闭→下一工作单元施工。喷射砼的破除优先考虑采用人工或机械破除，当施工难度较大或效果不理想时可考虑采用弱爆破法，但必须严格控制药量防止振动过大导致坍塌。拱架背后围岩处理必须采用人工破除，同时应预留足够的收敛量和下沉量。拱架底部设置受力面积大于钢架法兰盘的预制砼块进行支垫，保证落底硬实；钢拱架背后采取预埋注浆管的方式注浆以保证钢架背后的密实。
7、Ⅰ部拱架拆换5m左右时即进行Ⅱ部开挖及支护施作，Ⅱ部施作4～6榀钢架后即进行仰拱钢架的安设，当仰拱钢架安设长度满足一个仰拱浇筑段（5m以内）时，即浇筑仰拱和填充混凝土。
8、拆换后新立的拱架必须预留足够的沉降变形量（不小于18cm），Ⅰ部钢架按设计尺寸加预留沉降量加工后，相应的Ⅱ部、Ⅲ部钢架也要按照相应的预留沉降量尺寸扩大，以确保钢架各单元的连接圆顺、保证钢架的稳定性。
9、二衬紧跟。该段围岩松散，围岩压力较大，采取随支护随衬砌的施工方式，作到衬砌紧跟，确保安全。
（二）洞身长管棚的施工处理方案：
在洞子崖隧道侵限段换拱施工至DK683+960时，由于换拱施工前对拱顶松散土体的注浆加固没有达到良好的固结效果，在原初期支护被破除后，拱顶出现较大面积的塌方，塌方土体的土质主要以碎石土为主。针对本次塌方制定如下处理方案：（1）在DK683+960处开始在拱部120°范围内增设两个循环各30m的φ108管棚，环向间距40cm，纵向搭接长度3m，管棚内设置用4根Φ18主筋制作的钢筋笼或钢筋箍，并采用预注浆对松散土体进行固结；（2）将I20b钢拱架调整为I25a钢拱架，拱架间距由60cm调整为50cm。具体施工方案如下：
1、施工平台准备
采用自卸车由洞外往洞内拉运弃碴，将弃碴和洞内已塌方土体采用机械进行压实，为后序施工提供安全稳定的操作平台。压实后的土体可分成2～3个台阶，最上面的台阶距离拱顶高度为2m左右，为以后施工的洞身管棚提供工作平台，各台阶长度控制在4m左右，台阶与台阶之间采用放坡处理，台阶高度可根据现场实际情况进行确定，在施工平台的施工中要保证土体被压实，确保以后的工作面安全可靠。施工平台见下图所示：







施工平台示意图
2、洞身管棚施工工艺
洞身长管棚施工主要工序有施工准备、搭钻孔平台、安装钻机、钻孔、清孔、验孔、安装管棚钢管、清孔、安装钢筋笼、注浆等几道工序。
洞身管棚采用外径为108mm、壁厚为6mm的钢管，在拱顶120°范围内设置，每环设置46根，环向间距为40cm，纵向搭接长度为3m，管棚外插角控制在1°～3°。管棚内设置钢筋笼，钢筋笼由4根Φ18钢筋加工制作而成。
（1）施工准备
洞身管棚施工前先开挖1.5米（3榀钢架间距），初喷4cm混凝土，立靠近掌子面1榀钢架，安装锚杆，挂钢筋网，安完管棚后再立中间2榀钢架。
钢花管制作
钢花管由无缝钢管上钻注浆孔制成，孔径10～16mm，孔间距15cm，呈梅花型布置，尾部留不钻孔的止浆段100cm。
（3）钻机就位
①钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由两台钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位。
②平台支撑要落在坚固的基础上，连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。
③钻机定位：钻机要求与已设定好的导向管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线等方法相结合，反复调整，确保钻机钻杆轴线与导向管轴线相吻合。
（4）钻孔
①为了便于安装钢管，钻头直径采用φ127mm。
②钻机钻进时，可低速低压，待成孔一定深度后可根据地质情况逐渐调整转速及风压。
③钻进过程中要保证其钻进位置的准确，并根据钻机钻进时的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。
管棚钻孔允许偏差
序号 项目 允许偏差
1 方向角 1o
2 孔口距 ±50mm
3 孔 深 ±50mm
（5）清孔验孔
①用钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔深、孔径符合要求，防止堵孔。
②用高压风从孔底向孔口清理钻渣。
③用仪器对孔深、倾角、外插角进行检查。
（6）安装管棚钢管
①洞身管棚应配合钢架使用，将管棚有效的固定在钢架上，固定时要控制好管棚的外插角。
②两节钢管之间接头采用焊接，在接头外套长度为30cm的套管，套管与钢管之间焊接，管头焊成圆锥形，便于入孔。
③管棚顶进采用机械（如挖机）和人工相结合的工艺，利用挖机的冲击力和推力低速顶进钢管。
④接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一截面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开一米。
（7）清孔
用高压风从孔底向孔口清理钻渣。
（8）钢筋笼制作及安装
为了提高导管的抗弯能力，在钢管内通长设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成，主筋直径为Φ18，固定环采用短管节（φ42小导管），节长3cm，将其与主筋焊接，按1.5m设置。钢筋笼的安装采用机械（如挖机）和人工相结合的工艺，利用挖机的冲击力和推力低速顶进钢筋笼。
（9）注浆
①安装好钢花管、放入钢筋笼后即对孔内注浆，浆液由高速制浆机拌制。
②注浆材料：注浆材料为水泥浆，水灰比为1:1（重量比）。
③采用注浆机将浆液注入管棚钢管内，初压0.5～1.0MPa，终压2MPa，持压15min后停止注浆。
注浆量应满足设计要求，一般为钻孔圆柱体的1.5倍；若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。
注浆时先灌注“单”号孔，再灌注“双”号孔。
（10）施工控制要点
①钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。
②钻孔外插角1°～3°以为宜，工点应根据实际情况作调整。钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°。施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。
③严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
④经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。
⑤掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。
（三）DK683+960处冒顶处理方案
在年后恢复施工后，洞子崖隧道出现两次塌方后，拱顶山体出现了一个4*8m的塌陷区，深度约6m，根据塌方情况及对现场的观察，目前隧道塌方已基本稳定。通过从工期、经济、安全三个方面的考虑，采用如下基本处理方式，可分为：洞外卸载、洞内清碴、稳定塌腔、加强初支、增强二衬、增加护拱、塌穴回填、地表封闭等几项。
1、为防止已换拱段钢架出现变形及初支开裂现象，采用I20b型钢钢架对临近冒顶塌方处的三榀钢架进行永久加固，并采用喷射混凝土进行封闭，该永久加固钢架的拱脚处应将虚碴清理干净并进行夯实处理，保证钢架落底安全。
2、洞外卸载：将洞外地表上的松散土体、危石用挖机进行清理卸载，减少松散塌落物对管棚施加的荷载，对所有反坡的地方用挖机进行刷坡处理，为减少对原地貌的破坏及土方量，坡度不宜过缓。同时，挖机能清理的部分应尽量清理干净。沿塌穴四周开挖水沟并用5号水泥砂浆抹面，将水流引至杜康沟内，防止地表水流入塌穴造成再次塌方。
3、洞内清碴：将洞内虚碴进行清理外运，使塌陷区的松散、不稳定的碎落物自然下落形成一个趋于稳定的塌腔，同时应及时清理部分危石，虚碴清理时应遵循先两边再中间先左侧再右侧的作业顺序，同时要按要求预留核心土，尽量形成平缓的工作面，便于人员、机械操作，同时提供安全撤离通道。在清碴处理时，洞内照明、通风要好。
4、待洞外卸载、洞内清碴完成塌腔自然稳定后，用C25喷射混凝土对稳定后的坍塌面进行封闭，并挂设φ8的钢筋网片，喷砼厚度为10cm左右，喷混凝土时要搭设安全操作平台，确保人身安全。
5、待上述工序施作完成并且塌腔稳定后，开始洞内初期支护施工，考虑到后期洞顶荷载较大，初期支护进行相应加强，采用I25a型钢钢架，间距调整至30cm，挂φ6钢筋网片（网格间距20*20cm），采用C25喷射混凝土封闭，厚度30cm。DK683+960～DK683+957段已压塌的管棚，在钢架施工时应将部分管棚端部支撑起来，与钢架间进行焊接，保证焊接可靠，同时应将DK683+960～DK683+948段初期支护拱部断面进行适当加大，以便于保证后期的衬砌厚度加大，同时该段每榀钢架每侧增加施工6根4m长的锁脚小导管，并采用双液浆进行注浆加固。
6、二衬紧跟并增强其结构形式。该段围岩松散，围岩压力较大，采取随支护随衬砌的施工方式，作到衬砌紧跟，确保安全。二衬按照明洞衬砌施作，厚度加厚至70cm，环向钢筋采用Φ25，间距20cm，纵向钢筋采用Φ16，间距25cm，该加厚衬砌的长度按照一个台车位长度考虑（12m）。
7、待该段衬砌强度达到100%后，在初期支护上方拱顶施作护拱，厚度为80cm，长度4～6m（具体长度根据现场塌腔长度确定）,护拱内设置双层格栅钢架，两侧拱脚每处钢架端部用6根Φ25的锁脚锚杆锚固在围岩中，保证锚杆全长锚固、孔内浆液饱满，锚杆端部弯成90°后与钢架焊接牢靠。其他参数详见“包西大张施隧-91-12”图纸。
8、塌陷区进行回填。护拱上部1米范围内用松散碎石土进行回填，并预埋注浆小导管，待稳定后进行双液浆注浆，待稳定后塌腔内其余空洞采用洞内弃碴回填，至接近地表1m处时采用三七灰土回填封闭，并高出地面一定高度，恢复原地表，防止地表水流入隧道内。
9、经过一个雨季，待地表沉降基本稳定后，在塌体表面设置浆砌片石排水沟引排地表水。
10、施工过程中要加强地表的沉降观测，观察围岩及地表的变形。（四）处理效果和信息反馈：
通过几次坍塌段的处理，加强了施工措施，取得了较好的效果，目前已经顺利通过杜康断层带，，上台阶开挖里程到达DK683+935。下一步重点主要是开始仰拱施作和二次衬砌的施工，确保安全距离达标，满足设计要求。施工效果具体见照片。






施工照片7 施工照片8

施工照片9 施工照片10

小导管施作照片11 地质管棚钻机施工12


管棚施作照片13 注浆成型的洞内管棚14



塌腔处理照片15 洞内小导管注浆跟进照片16
（五）施工安全及注意事项
1、施工时严格按照有关规范进行，确保施工安全和质量。如发现异常及时向上级领导汇报，以便及时处理，并立即采用应急预警措施，以确保施工安全。
2、加强隧道应急物资的储备，特别是应急型钢钢架，确保临时应急。
3、施工过程要加强监控量测，随时掌握围岩的变形情况，以便进行及时处理，同时保证施工安全。在初期支护施工过程中应增加预留拱顶沉降量和收敛量，防止出现坍塌事故。
4、拱脚处应进行夯实处理，同时支垫砼预制块。拱架背后必须填补密实，不允许有任何空洞，以免留下安全隐患。
5、针对侵限段、坍塌段施工队应引起高度重视，严格按照施工规范和交底的要求进行施工，同时对洞内外该段进行严密观察量测，设置专人值班，发现问题及时将人员安全撤离，并快速上报处理。
6、现场技术人员应进行跟班作业，做好记录及影像资料（特别是小导管注浆）；加强监督检查，严格控制，保证每一工序的施工质量，对于上道工序不能达到技术标准、质量要求的，严禁进行下道工序的施工，防止安全事故的发生。
7、施工过程中要严格控制进尺长度。浅埋地段、地质条件较差的洞身地段及根据监测数据初支变形量较大的地段，必须严格控制每循环进尺长度为1榀拱架间距，坚决杜绝冒进情况发生。
8、施工中要及时封闭仰拱，二衬紧跟，确保施工安全。
9、加强机械施工安全和用电安全意识并采取措施进行防范。