内乡至豫陕界高速公路刘家湾隧道大型塌方处治方案

1、内乡至豫陕界高速公路刘家湾隧道大型塌方处治方案蒋建忠（中铁十三局集团有限公司武汉地铁项目部 湖北，武汉 ）摘要：内乡至豫陕界高速公路B12标刘家湾隧道全长220米，隧道起止里程K77+005K77+225，其中出口设计3米明洞，该隧道为双拱连体隧道。2006年11月12日隧道进口方向（K77+005至K77+060段）仰坡上覆山体发生崩塌，致使隧道入口侧山体出现滑移，大片坡积物顺山滑下、崩塌，造成隧道内左洞K77+005K77+120、右洞K77+005K77+132，全部塌陷、破坏。论文针对刘家湾隧道发生的巨大型塌方，介绍了隧道塌方过程和塌方原理，在此基础上较为详尽论述了刘家湾隧道大型塌方的

2、处治措施。刘家湾隧道的塌方教训和成功处理方案对隧道工程的设计和施工有积极的借鉴意见。关键词：隧道工程 帷幕注浆 结构稳定性 施工影响 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1 刘家湾隧道工程地质条件刘家湾隧道位于西峡县黑漆河村刘家湾东侧，进口桩号K77005，出口桩号K77225，隧道长220米。隧道原设计K77005K77025明洞，K77025K77222段暗洞结构，K7222K77225段为明洞。隧道按双洞单向行车双跨连拱断面设计，净宽14.0米。隧址区属于中低山地貌，隧道进口及出山段基岩裸露，植被发育，山坡坡度4560，地面标高在396.62496m之间，相对高差99.38m。隧址地

3、形见附图1所示。隧址区分布的地层主要为石盆系沙湾组石英片岩。上部灰黄色-青灰色，粒状变晶结构，片状构造。全强风化岩体节理裂隙极发育，呈微张状，岩体破碎，呈碎石状松散结构；弱微风化岩体，节理发育，呈闭合状，岩体较破碎，呈块石状压碎结构。隧址区属秦岭构造带东段，断裂及裂隙发育。地层产状为2363，洞轴线与岩层走向夹角1420主要发育有四组节理。节理等结构面组合易在拱顶及侧壁形成不稳定楔形体。隧址区地下水以及基岩裂隙水及第四系松散堆积层孔隙水为主，赋水性均相对贫乏，主要由大气降水补给。隧道进出口岩体均为全强风化二云石英片岩，风化强烈，裂隙发育稳定性差，开挖施工特别是切削坡体易造成大的坍塌。隧道围岩特

4、征如下： II类围岩：全强风化二云石英片岩，节理裂隙极发育，多呈微张状，局部泥质充填，呈碎石状松散结构。稳定性评价：围岩稳定性差，洞室施工拱部支护不当时，易产生大坍塌及侧壁失稳现象，雨季有降水入渗时，有滴水现象及局部有线状水流渗入。 类围岩：弱风化二云石英片岩，节理裂隙较发育，多呈微张状-闭合状，节理面平直，岩体呈块石状压碎结构。稳定性评价：节理片理等结构面组合在拱顶及侧壁形成不稳定楔形体，围岩稳定性较差，洞室施工拱部无支护时，可产生坍塌，侧壁有时失去稳定，属弱透水层，岩体中有滴水现象-小股渗流。 类围岩：微风化二云石英片岩，节理裂隙较发育，多呈微张状闭合状，节理面平直，岩体呈块石状镶嵌结构。

5、稳定性：节理片理等结构面组合在拱顶及侧壁形成不稳定楔形体，围岩稳定性一般，洞室施工拱部无支护时，可产生小的坍塌，侧壁基本稳定，属微-不透水层，洞室一般干燥或有湿润感。2 塌方前隧道的施工方案隧道剩余洞段采用中导洞法进行施工，中导洞贯通、中隔墙衬砌完成后进行其余部分开挖作业。对剩余洞段的类围岩采用台阶法施工，台阶长度15-20米；左右洞开挖距离控制在30米以上。由于工期紧张，在中导洞开挖的同时，项目部计划左右主导洞侧壁导坑同时进行开挖，以“短进尺、弱爆破、强支护”为主导原则进行开挖，左洞侧导坑开挖断面与中导洞开挖断面纵向间距错开1015m，右洞侧导坑开挖断面与左侧导坑开挖断面纵向间距错开58m。

6、2.1施工工艺与施工方法中导洞开挖及支护中隔墙衬砌中隔墙加固左、右洞上半断面开挖及支护左右洞下半断面开挖及支护仰拱开挖仰拱衬砌二次模筑砼施工为提高机械化施工的效率，在保证安全的情况下加快工程进度，我们选用宽度为5.96m，高度为7.74m的开挖断面，具体见下图（以类围岩为例），中导洞采用全断面开挖，人工操作风动凿岩机钻眼，采用光面爆破,装载机配合自卸车出渣。中导洞施工中，超前支护采用RDN25中空锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，搭接长度1m,锚固砂浆达到设计强度的70%后再进行开挖。开挖后的临时支护采用锚喷支护，锚杆采用22砂浆锚杆，长度2.5m，纵环向间距1.0m1.0m（呈梅花形布置

7、），挂钢筋网，支立I14工字钢拱架，喷射0.16m厚C25混凝土。中隔墙衬砌随中导洞的开挖根据地质情况确定，原则是开挖支护完成后统一衬砌，施工顺序为从中间向两侧同时进行，可根据围岩量测信息调整衬砌时间。衬砌用墙架选用14#工字钢制作，模板采用组合钢模板，混凝土上料采用自动计量装置,800L强制式搅拌机拌合,混凝土运输采用泵送,插入式振捣器振捣。这里需注意的是中隔墙墙顶混凝土与围岩间充填必须紧密,如不紧密要进行压浆处理。衬砌过程中要注意有关的预埋件的埋设。在双洞联体隧道中，中隔墙上方围岩是薄弱环节，施工过程中在中导坑开挖及左、右主洞拱部开挖时先后共有三次扰动，要注意中隔墙上方用混凝土回填密实，必

8、要时及时进行压浆加固。在主洞掘进时，要保护中隔墙墙体和中隔墙顶部与拱部的结合部。针对被保护的部位在掘进时采取了以下措施： 在主洞开挖前，首先用I20b工字钢支撑对中隔墙左（右）侧部分进行加固处理，工字钢支撑的纵向间距应于中导洞临时支护的拱架一致，并与之焊接牢靠，支护数量可根据现场情况适当调整。对中隔墙墙体及顶部的保护，开挖主洞时，在爆破手段上采取控制爆破，一次的起爆药量控制在能承受的质点振动范围内。右洞向右逐渐调整孔距、药量和最小抵抗线，直至松图1 刘家湾隧道塌方后山体地貌8m隧道轴线方向动圈离中隔墙边缘0.5m后，才采用常规爆破法。同理，左洞向左逐渐调整孔距、药量和最小抵抗线，直至中隔墙安全

9、为止。在左洞实施时，还应考虑右洞已成临空面的实际情况，尤其一次起爆药量带来的振动危害。2.2 主洞开挖为保证主洞开挖的顺利进行，必须对主洞的左右洞洞口段进行超前支护。由于主洞开挖宽度较大，洞口段用大管棚进行超前支护。大管棚施工就是沿拱部开挖轮廓线外0.3m处沿外插角2打入89钢管（间距0.4m，钢管长20米），然后压入水泥浆，使拱部上方形成管棚。主洞选用风动凿岩机钻孔开挖，施行光面爆破，喷锚支护，出碴运输方式用无轨运输，侧卸式装载机装渣，8t自卸车运输。侧壁导坑内侧开挖时采用22砂浆锚杆超前支护，22砂浆锚杆、挂网、C25喷射砼16cm。隧道轮廓处的临时支护采用RD25N锚杆，I20b工字钢拱

10、架，C25喷射砼25cm。断面开挖后，立即喷砼以封闭断面，同时量测紧跟，根据量测信息及时调整开挖及支护手段及时机，必要时立即进行砼二次衬砌。3 山体滑移引起刘家湾隧道塌方情况3.1隧道塌方前的施工状况刘家湾隧道塌方前左洞开挖至K77+040、右洞开挖至K77+028；仰拱右洞施工至K77+060、左洞施工至K77+087；二衬混凝土右洞施工至K77+072、左洞施工至K77+108。塌方前10天，隧道塌方段位移监测数据有增加趋势，2006年11月8日发现初期支护在左洞K77+065、K77+069等处、右洞K77+060处出现开裂现象。基于安全考虑，项目部于9日责令停止隧道的掘进及仰拱爆破施工

11、。塌方后山体情况见图1所示。3.2 隧道塌方经过2006年11月12日早6:00项目部在例行的工地巡查时发现左右洞初期支护有明显的下落喷射砼渣，同时山体有响声，隧道进口右侧导洞上方出现小面积塌方。项目部马上组织施工人员撤离现场，隧道内材料设备不准施工队抢运，在隧道出口划定警戒线，项目部、施工队安全员维持现场秩序，不准工人及围观群众跨越警戒线；隧道进口的山体派专人远距离观查山体动向。6:50分项目部技术人员仔细观察发现二衬没有出现裂缝，7:50进洞进行观察发现右洞二衬K77+084K77+090段曲墙侧出现明显裂纹，并且裂纹两侧高低错开12cm；同时，山体有2025cm的裂缝，裂缝新鲜。9:50

12、分发现右洞二衬裂缝有明显发展，并且K77+084K77+090段左侧中隔墙顶位置有明显开裂。下午13.00开始塌方，首先是进口仰坡开始大体积塌方，并将淇河大桥25#墩4#、5#、6#墩柱推倒。紧接着左、右洞内开始大面积塌方。山体大塌方持续到17：30，小塌方持续到11月13日凌晨。在进口山体大塌方期间，项目部用线旗划定警戒线，10多名管理人员到现场维护安全秩序，劝说围观群众远离现场。3.3 塌方造成损失此次塌方造成了以下已完工程毁坏：（1）侧导洞58m（左侧导35m K77+005040 右侧导 23m K77+005028）；（2）初期支护184m（左洞84m K77+040120 右洞 1

13、04m K77+028132）（3）二次衬砌48m（左洞 12m K77+108120 右洞 36m K77+072108）；（4）防水板42m （左洞 12m K77+096108 右洞 30m K77+066072 K77+108132）；（5）二衬钢筋计24m（左洞6m K77+102108 右洞18m K77+066072 K77+120132）。大型设备毁坏如下：（1）二次混凝土衬砌台车（6m长）两部；（2）简易台车三部（挂防水板、断面处理、绑扎二衬钢筋用）；小型机具毁坏如下：（1）喷射混凝土机两台；（2）电焊机四台；（3）风枪八台；（4）混凝土振导器两台；（5）千斤顶两台（50吨）

14、。4 刘家湾隧道大塌方处治方案刘家湾隧道在主洞施工进行至K77222处时发生山体滑塌，导致隧道进口段左洞自K77005至K77120、右洞自K77005至K77132隧道全部塌陷、破坏。滑塌发生后，业主、设计、监理及我们施工单位会同隧道专家多次现场察看和实际测设，制定了隧道处理方案。4.1设计方案针对刘家湾隧道上部山体的塌方情况，经各方专家讨论，建议出口段没有发生的塌方的段落利用，进口坍塌段采用明洞施工。进口段左线K77+005K77+126、右线K77+005K77+138段（考虑左、右线没有塌方段暗洞最后一环局部破坏，进行拆除）进行开挖，重新修筑明洞并进行回填，对于隧道出口继续利用该段暗洞

15、上方山体进行刷坡与新修明洞填土顺接，具体设计如下：（1） 进口段（K77+005K77+126）边坡开挖一、二级边坡坡率采用1：0.5，三至五级边坡坡率采用1：0.75，最高一级边坡坡率视地形情况进行调整。分阶高度为10m，台阶宽度2m。坡面防护采用锚杆挂网喷射混凝土工艺对边坡进行临时加固，以保证明洞施工期间安全。喷射混凝土厚度采用15cm，采用8钢筋挂网，网格间距2020cm，22砂浆锚杆间距1.51.5m，梅花型布置，长度2.510m；（2） 明洞结构进行加强设计，明洞回填土高度按6米控制；（3） 利用暗洞左线K77+126K77+132、右线K77+138K77+144段进行临时钢拱架支

16、撑，确保施工期间暗洞洞口安全；（4） 暗洞上方山体高达80米以上，对仰坡进行刷坡，坡率采用1：1，分阶高度为10m，台阶宽度2m。坡面防护采用锚杆挂网喷射混凝土工艺对边坡进行临时加固，以保证明洞施工期间安全，喷射混凝土厚度15cm，采用8钢筋网，网格间距2020，22砂浆锚杆间距1.51.5m，梅花型布置，长度2.58m；（5） 进口段边坡开挖以每段3040m控制，共分三段。开挖一段后进行该段的明洞修复及回填工作，然后进行下一段边坡开挖及明洞施作；（6） 明洞施作及回填完成后，洞顶种植高大乔木，以美化景观。42塌方隧道段施工方案根据与会各方专家的意见和设计院12月5日制定并下发的刘家湾隧道塌方

17、处理初步方案要求，项目部进行了现场的详细踏勘和调查，经反复比较，初步确定如下施工方案：采用挖掘机上山，对山顶进行削平处理，形成挖运工作面，修筑便道上山，采用自卸车运输土石方至选定的弃碴场；在山体全部开挖至设计底面后，分段进行明洞施工；在明洞完成后部分碴土回运回填，完成明洞两侧及上方的洞顶回填；施工过程中边坡随开挖随刷坡、施做喷锚防护，开挖一段成型一段，边坡防护必须及时跟上，及时封闭加固边坡坡面，保证边坡的稳定与安全。4.2.1 施工道路施工拟在隧道的出口方向左侧开辟一条上山便道，保证土石方外运和施工设备所用油料、喷锚作业所需设备材料，以及回填土石运输等，长度约为1300m。进口处因山高岭峻，设

18、备无法上山，需要建一条依山而行的出碴道路，以运输在隧道进口方面倒运下来的碴土，便道长度约为600m，宽度8m。便道的施工方法及结构：出口侧的便道施工方法为挖掘机按设计路线开挖山体，运输车随后运输，将开挖土方运至弃碴场及用于就地道路的加宽。开挖宽度为8m，路面采用自然石碴碾压密实、平整，保证道路结构坚实、稳固。为保证车辆通行安全，道路外侧设防护桩，内侧（靠山一侧）修筑排水沟，高30cm，深度30cm，设浆砌结构，厚度15cm，保证路面排水要求，道路修建时设置多段落的横向排水管沟以保证水流向自然坡排放，路面不积水。入口侧道路采用入口方向所抛掷的石碴用挖机挖出，推土机推运到设计道路处，自隧道入口向主

19、便道方向修筑，填筑高度达到设计洪水位以上，保证在雨季也不受河水上涨的影响。道路的宽度与路面结构同出口侧便道。根据现场的实际情况，选择了三处场地进行弃碴存放，需修道路2条（不含上山及沿河所修道路），以满足弃碴运输要求。4.2.2山体开挖在隧道出口左侧开辟施工便道，挖掘机上至山顶，进行山体挖除作业，挖除土石向隧道入口右侧山下倒运、抛掷，施工时防止大块石块等直接对淇河桥方向抛掷，而向其右侧弃碴，施工或注意防止发生设备失稳以及弃碴对淇河桥造成危害。留滞在坡上的土石方在下步挖除的时候需进行几次倒运后到达山下。抛至山下土石在入口侧由挖掘机装车，自卸车运输运至弃碴场地。挖除的土石自山顶至设计平面，弃碴需在每

20、下降5米高度进行一次土石倒运作业。施工前期隧道出口方向也不能形成安全运输道路，同样采取土石抛掷下山的方法进行作业，将山顶弃碴由隧道右侧直接抛掷至山下，然后在山下布置装载机进行倒运作业，将抛掷山下的弃碴倒运至选定的弃碴场。在形成运输道路后，由自卸车直接运输至弃碴场。结合设计提供的地质资料与现场察看隧道掌子面所出露的围岩情况，初步判断现场需清理的山体围岩中含有较大比例的大块硬质岩石，开挖过程中，需放炮处理，进行松动爆破及块体解小后，方能装运。山体开挖到明洞基础标高后，需对损坏的隧道二次衬砌、中墙和仰拱进行清理拆除作业，并需将封堵在隧道内的两台台车清理出场。在进行到削坡卸载区以下，需开挖台阶时，开挖

21、线两侧缩进56m，由机械设备先开挖中心部分，两侧部分进行二次开挖，并配合边坡防护作业进行，以加快施工进度。4.2.3弃碴场根据设计文件所示及进行现场实际工程数量的复核，全部挖方数量约为102万m3，回填数量为4万m3。依据现场情况，我们初步选择了三处弃碴场，分别是： K77800处线路右侧上游冲沟、K78300处右侧上游冲沟和西坪镇规划的工业园区场地，共计三处。此三处弃碴场存碴量基本满足弃碴要求。按环保要求，在弃碴场形成后，对弃碴周围采取防护措施，设置挡土土墙进行围护，以防止水土流失。三处碴场计需进行挡土墙（M10）砌筑799.16m，共16380m3。按环保要求，弃碴场顶面需复耕并进行绿化，

22、以保证环境美观。经测量，需复耕面积为55565m2，需要客土（厚度按50cm计）计27783m3，植树约24695株（间距1.5m）。4.2.4明洞洞身施工在隧道上部土方开挖达到明洞的设计基底后，检验基底承载力是否满足设计要求，如不满足设计则报告监理工程师，并继续进行下挖，直至符合要求的地层。基底检查符合要求后进行测量放线。先施工仰拱后做中墙及主拱部分，在施工中注意预埋仰拱与中墙、边墙及中墙与主拱间的预埋钢筋。施工顺序：测量放样仰拱定位钢筋绑扎模板支立与加固、校正仰拱混凝土施工绑扎明洞衬砌钢筋、衬砌台车定位，浇筑混凝土混凝土养护到设计强度台车模板前行顺序施工各段直至全部完成。明洞防水选用合格材

23、料，选择晴朗干燥的天气施工，防水层外部应做23cm水泥砂浆保护层后再进行回填土施工。当明洞结构基础一侧在基岩上，另一侧在土层上时，为防止不均匀沉降，土层地段的明洞基础挖至基岩面，当坡比大于1：5时，基岩面应挖成台阶形，方可做明洞衬砌。明洞要放在稳固的地基上，如遇地基不稳，进行处理，具体方法视实际情况确定，明洞地基承载力按设计要求为300kpa，在开挖到位后及时进行检测，不符合要求时及时报告监理工程师，并采取合理方法进行处理。4.2.5明洞回填在明洞混凝土全部完成，同体养护试件强度达到设计强度后，按顺序进行明洞回填作业。回填前坡脚铺设防水板，然后夯填碎石土，洞顶碎石土回填每层厚度控制在0.30.

24、5米（据压实机具及效果而定），总厚度控制在拱顶以上5.5m。回填碎石土顶部施作50cm厚粘土隔水层，顶面植树绿化。回填质量符合验收标准的要求。按设计文件和施工规范、验收标准的有关规定分层填筑，分层夯填压实，填筑至设计要求的高度。4.2.6明洞与隧道的衔接明洞路堑分层开挖的过程中注意做好已完成暗洞清理准备工作。明洞路堑开挖至暗洞拱顶，在暗洞内部与路堑开挖作业面处同时进行开挖及土石外运。采用液压破碎锤破掉已受压变形开裂及有变形的混凝土拱圈，并清理完毕。对未发生破坏的拱圈进行检查，经表面质量、实体强度及测量定位检查确认符合要求后，报请监理、业主及设计单位，全部认可、确认合格后施做明洞衬砌，明洞与暗洞

25、紧密贴合，中间留好施工接缝，并做防水处理。5 明洞开挖段路堑边坡的坡面防护5.1锚杆的锚固效果按设计院提供的设计文件所要求，本隧道明洞开挖后的路堑边坡的坡面防护“采用锚杆挂网喷射混凝土工艺对边坡进行临时加固，以保证明洞施工期间安全。明洞开挖见附图2所示。坡面喷射混凝土厚度15cm，采用8钢筋网，网格间距2020，22砂浆锚杆间距1.51.5m，梅花型布置，长度2.58m”。项目部经过对现场情况的了解和调查后认为，采用砂浆锚杆的加固效果不好，建议采用注浆锚杆，主要原因如下：（1）依据原设计提供的地质资料与现场察看隧道掌子面，以及对已发生的滑塌体进行观察进行判断，本隧道所处的围岩属节理裂隙极发育的

26、二云石英片岩，节理呈微张状，有四组方向；节理间为泥质充填，为碎石状的松散结构，整体性极差，且处于不稳定的状态（通过现场实际察看，可能历史上出现过多次的山体滑塌）。这样的一种山体/围岩结构，在我们进行了大开挖，清除了滑塌体的情况下，未开挖、留存的山体在原滑塌体的反压载荷清除以后，必然会有一种向临空面运动的趋势。（2）砂浆锚杆虽然设计加固深度较大，最大深度达到了10m，但砂浆锚杆是通过注入砂浆与周围岩体间进行锚固而达到加固作用的，这个锚固范围相对较小，未与砂浆锚杆相接触的较大范围内的山体岩石因为节理发育、结构松散，砂浆未渗入、裂隙未得到填充和胶结，山体仍然是松散体，锚杆依然没有生“根”；挂网喷射混

27、凝土所形成的“薄壳”在受到山体向临空面的作用时，也是一个极软弱结构，无法阻止这种运动，一旦发生变化，一定会进一步破坏，并对下部隧道明洞的安全运营造成极严重的威胁。坡面挂网喷锚的作用只是对表面进行封闭，防止了表面雨水的渗入和后期可能发生的其它风化，对表面起到稳定保护作用，而对山体内部或是山体整体性的变化是无能为力的。（3）用中空注浆锚杆的加固方式加固效果分析：注浆锚杆能通过高压注浆将浆液送入较大范围，能形成以锚杆为中心的一个影响区，将周围的岩石破碎体间的裂隙压注满水泥浆，能通过所注浆液的胶结作用，将松散体变成整体，在全部的锚杆作用下，形成一个厚度达610m的厚壳状结构体，对于减荷后山体能形成整体的反压作用，稳定性大大提高，也保证了下部的明洞的运营安全。为加强注浆的效果，保证锚固作用能及时发挥出来，建议采用掺水玻璃的浆液进行压注。5.2锚杆的成孔方法根据设计处理方案所提出的锚杆打入深度，项目部在进行了详细的分析以后，认为较长的锚杆成孔需采用潜孔钻的成孔方法，常规的手持凿岩机钻孔无法成孔。设计给出的锚杆打入深度在2.510m，其中610m的锚杆数量居多，只有小部分锚杆长度为2.54m。对于长度为2.54m的锚杆