摘要：贵州省位于云贵高原东部,全省地势由西向东降低。在地质上属扬子地台及其东南大陆边缘,以碳酸盐岩广布、喀斯特景观普遍发育为特征。贵阳市位于贵州中部山原，为一较大岩溶构造盆地，广泛分布着三迭系和二迭系碳酸盐类岩石，出露和分布面积达60％以上，局部地段有碎屑岩分布。第四系土层多为残坡积成因的红粘土，冲洪积成因的亚粘土、粘土、碎石类土和泥砾零星分布于洼地、河谷阶地及缓坡地带。第四系土层厚度变化较大，一般为数米至10余米。本文结合贵开铁路王家沟隧道的施工情况对贵阳地区软弱围岩隧道各部位施工注意事项及应对措施进行简要的介绍，是笔者在施工中一些个人的理解和认识，供大家参考。
关键词：软弱围岩；塌方；原因分析；处理方案
1 工程概况及施工情况
1.1 设计情况
贵开铁路王家沟隧道进口里程DK24+342，出口里程DK26+045，中心里程DK25+193.5，全长1703m。本隧道位于三江农场-羊昌区间。隧道所在地域属于峰丛沟谷溶蚀地貌，地形起伏大，沟槽切割深。隧区上覆地层为第四系全新统坡残积层红黏土。下伏基层为寒武系中统高台组、石冷水组白云岩夹页层。隧区为单斜构造，岩性单一，出露岩层层理较稳定。节理间距0.5m左右，多为张开型，延伸性较好，节理面较光滑，少数有薄层黏土填充。隧区地层岩性主要为白云岩，岩溶中等发育。
1.2 施工情况
王家沟隧道从出口单口掘进，DK25+520～DK25+440段设计为浅埋段，最小埋深仅有26米。该段开挖后，掌子面处岩体破碎，呈碎石角砾状结构，结构松散，自稳性差。因岩层层面较平缓且陡倾延伸性好的平直状填充型溶隙发育，致使围岩整体完整性差，特别是层间结合较差，开挖过程中掉块现象严重，掌子面潮湿，有少量地下水下渗，拱部呈滴状下渗。该段于2012年10月10日发生塌方事故，出现冒顶。塌方时王家沟隧道掌子面里程为DK25+440，下台阶里程为DK25+455，仰拱里程为DK25+469，二衬里程为DK25+493，仰拱距掌子面距离为29m，二衬距掌子面距离为43m，均符合铁道部[2010]120号文安全距离要求。
1.3 地质预报情况
超前地质预报通过陆地声纳确定同相轴连续性差，线路右侧局部反射连续性稍强，左侧反射连续性极差。推测该段围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，软弱岩充填，线路左侧存在溶洞可能性极大。
2 塌方过程简介
2012年10月10日11时许，王家沟隧道上台阶里程DK25+440爆破后，掌子面线路左侧及线路中心开始有掉块现象，现场施工人员及时对掌子面进行了初喷封闭掌子面。13时许，DK25+441～DK25+442处已喷射完成的初支混凝土拱部发生环向裂缝，局部初支砼出现掉块现象，13:30左右，因正拱部有一约3m3黏土结合的松散体，失稳掉落，将初支钢架压垮，同时将钻爆平台前端直接压下约0.5m造成钻爆平台变形。因拱部滑蹋出现临空面，周边围岩受影响出现间歇式掉块，为保证安全，人员及掌子面处物质材料全部撤离，地表设置专人察看。15时左右，根据地表观测人员报告，地表发生坍塌，形成一直径约12米，深约5～6米的漏斗状坍穴，揭露坍穴周边均为黄色黏土，松散富水，自稳性较差。
地表黄土等覆盖层较厚，塌陷深度内可见均为黄土及种植土。地下水本处为弱发育至不发育。
掌子面塌方体积约300m³，在DK25+443至大里程已初期支护完成位置未发现形成环向或纵向裂纹各点监控量测数据无异常，具体数据如下表：
岩溶塌方原因分析
塌方一般发生在初支已施作而未衬砌地段，山岭隧道初支不外乎就是喷射砼、锚杆、钢筋网、拱架、连接钢筋等按照不同参数组成的结构体，由它们对围岩的变形进行一定的约束，初支的施工质量、施工方法与塌方的发生时间、发生位置是相互关联的。塌方通常就是由不当的施工方法和初支的变形失控两种原因造成。王家沟隧道此次塌方时由初支变形所引起。
初支变形失控导致塌方，一般均为发生较长时间的变形后才发生塌方。虽然初支地段各种塌方发生的外部征候不一样，但初支的破坏过程和规律是基本一样的，我们由此对其进行分析。
塌方发生时，一般是一榀或数榀拱架的拱顶或其它部位突然失稳形成塌穴，塌穴两侧的拱架随着塌穴的扩大而失稳，造成坍塌范围不但扩大。在塌方过程中，靠近塌穴的喷射砼开始剥落，拱架随之开始失稳，但并不是按照垂直向下的轨迹变形，而是拉断连接钢筋后，向塌穴的方向向斜上方发生一定的位移后，再向下跌落，上方松散土体随之塌下，造成塌穴扩大。拱架失稳过程见图1。
图1 初支拱架失稳示意图
塌方发生的过程是围岩应力快速重新分布的过程。初支承受着大小和方向不断变化的交变荷载。初支的受力状态与设计的受力状态不一致，使得初支迅速破坏
在塌穴形成后，初支上方围岩形成了多个临空面，初支拱部围岩向下的压力迅速减小，而初支在边墙的压力不降低或降低的幅度较之拱顶小得多，荷载的失衡造成初支剧烈收敛同时拱顶发生抬高。同时上方围岩沿塌穴临空面方向发生位移，对初支产生一个基本垂直于拱架平面方向的纵向的推力。越靠近塌穴，此种受力状态越明显，使得初支拱架之间的变形不一致，初支拱架之间通过连接钢筋、喷射砼和钢筋网等连接构件互相拖拐。越靠近塌穴，这种相互作用就越明显。初支的破坏程度和速度就越剧烈。初支在拱架平面内的受力状态随塌方发展时间的变化过程见图2。
塌方处理方法及措施
塌方的处理非常危险，处理得不好会出现更大的塌方甚至是伤亡事故。塌方发生后，应观察塌方所处的状态，根据不同的状态采取不同的措施。塌方在首次连续猛烈坍落大量坍落物后，会出现两种状态，一种状态是将软弱围岩夹层完全坍落，坍腔已经稳定。此种情况只需对靠近坍腔的初支加固后，按常规恢复初支并充填，做好缓冲层之后就完成处理。
另一种状态是坍腔内间歇的垮塌，坍腔不断的扩大。此种情况非常危险，随时可能出现更剧烈的坍塌，此时必须要认真观察坍落的速度和洞顶上方地表的情况，撤出机械和人员，确保安全。一般处理时应遵行以下程序。
第一步、观察坍塌情况，等待时机。坍塌的最终结果是松散坍塌物将坍腔出口封闭，坍塌的强度将会大幅降低，塌方扩大的现象基本停止。
第二步、提供安全空间，控制坍塌范围。后退坍堆一定距离，在初支内重新施作一个由密拱架和双层连接钢筋组成的棚架，创造一个相对安全的施工环境。从棚架的起始位置开始对拱架进行加固以控制坍塌范围。加固措施主要是克服拱架的纵向位移和收敛造成的拱顶上升。首先是将前方大量的拱架用加密连接钢筋可靠焊接起来。然后在每榀拱架的边墙部位施作锚杆，控制拱架的收敛，将整个初支形成一个棚架。如果围岩比较松散可以对控制段实施注浆加固措施。
第三步就是通过坍堆及坍孔后方回填。这一步的措施很多，如管棚、导管、注浆固结等。
第四步是地面处理，如果坍方发展到地表，则必须对地表陷坑进行回填和防水处理。
王家沟隧道塌方，明显属于第二种塌方状态。根据现场实际，我们制定了以下处理措施：
1、地表及时施做排水沟，同时搭设临时支架上覆盖防雨材料防止雨水落至塌腔处；停止掌子面施工，条件允许情况下对掌子面仍暴漏的部分进行喷射混凝土封闭。
2、掌子面退回2m开始设置Φ108管棚进行超前支护，单根长初步设计为15m，环向间距40cm，共38根。
3、原设计Φ42小导管不取消，形成大管棚、小导管两道超前支护措施，确保超前支护质量。
4、大管棚极小导管严格按设计要求进行注浆，注浆压力满足要求。
5、拱架增加Φ42锁脚导管，单根长4.5m，每处2根，注浆密实。
6、衬砌达到设计强度后对拱顶塌陷处进行回填处理，恢复原地面。
4 实施性施工方法
4.1 加强监控量测和地表水平沉降观测，及时分析反馈
4.2 护拱加固
测量塌方前两榀钢架的初支断面，重新绘制型钢加工大样图，加工出跟初支断面密贴的钢架，按照立架施工工序立护拱加固。
4.3 打设φ108大管棚、注浆超前支护
大管棚(钢管、钢花管)为直径为108mm、壁厚为6mm的无缝钢管。管棚管壁上钻设孔径10mm注浆孔，并呈梅花形布置其纵向间距为150mm、横向间距为150mm，尾部为不钻孔的止浆段100cm。环向间距为40cm，倾角(外插角)为3°～10°。
1）钻孔
为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ127mm。岩质较好的可以一次成孔。钻进时产生坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进。
钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。
2）清孔、验收钻孔
用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。用高压风从孔底向孔口清理钻渣。用测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。
3）安装管棚钢花管
管棚管顶进采用装载机和管棚机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔(Φ127 mm)，然后用装载机在人工配合下顶进钢管。
接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。
4）注浆管路检查、注浆
安装好有孔钢花管、放入钢筋笼后即对孔内注浆，浆液由拌浆机拌制。
注浆材料：注浆材料为M20水泥浆。
采用注浆机将砂浆注入管棚钢管内，初压0.5～1.0MPa，终压2.0MPa，采用间歇式注浆确保注浆效果。
4.4 φ42小导管施工
注浆管采用直径为φ42的热轧无缝钢管，壁厚3.5mm，钢管长度为6m，管头10cm制作为25~30°的锥体，管壁四周钻8mm压浆孔，孔距15cm，尾部1m不设压浆孔。钢管布置范围为整个塌方段掌子面，布置间距为1m*1m，梅花型布置。
1）钢花管施工步骤如下；
首先在喷射砼表面上画出钢花管位置→钻眼→安装钢花管→连接注浆管→堵塞孔口空隙→注浆→关闭导管口、拆除注浆系统。
2）钻孔
按设计图要求，在掌子面上按标记好的孔位钻孔。采用YT-28风钻钻孔，钻孔直径为φ50。
注浆管加工见图4所示；
将前端加工成尖锥状, 尾部焊Φ6加肋筋。除尾部100cm外, 管壁四周钻Φ8的压浆孔, 以便向围岩内压注浆液。
3）注浆
（1）注浆施工准备
①按照机具设备配套表配齐钻机、搅拌机、注浆泵、管路、储浆桶以及各种应急材料。
②对注浆泵进行试运转，并对操作人员进行上岗培训。
③按配合比准备好注浆材料进场。
④进行洞内注浆施工人员安全及技术交底培训。
（2）注浆参数:水泥浆水灰比：1:1，注浆压力 0.5～1.0 MPa。
（3）注浆
①按注浆要求安设注浆设备，注浆管路和制作注浆泵站。
②关闭孔口阀门，开启注浆泵，进行管路压水试验，如有泄漏及时检修。试验压力等于注浆终压。
③将注浆泵吸管放入浆液中（吸头有D80滤网包紧），进行正式注浆。
④注浆时，采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，注浆过程应根据浆液扩散能力和注浆压力调整注浆顺序和注浆量。
⑤移至下一个孔口重新开始注浆，注浆时跳孔进行，以保证浆液扩散效果。在注浆过程中，浆液应保持准确比例，不断搅动。
⑥注浆时做好记录，根据压力状况和跑浆情况确定终压时间。
4.5 采用三台阶法进行下循环开挖
由于掌子面处于岩溶段，为保证安全平稳过渡，施工按照设计采用三台阶法施工，上台阶拱脚设置大拱脚，加强超前支护、系统锚杆及锁脚锚杆的注浆效果。在处理掌子面的坍方体时，按照0.5m～0.6m的进尺及时封闭支护，过了坍方体后严格控制开挖进尺和及时封闭，加强监控量测和超前地质预报工作，确保施工时做到心中有数，降低可预见性风险带来的施工影响。
4.6 洞顶坍穴地表防护、排水及水平沉降观测
地表坍穴先对漏斗周围进行防护，设置警示标识，防止人畜坠落。为防止雨水倒灌造成坍穴围岩进一步浸泡影响，在坍穴周边外设置排水沟，引排周边地表水，截水沟采用砂浆抹面，厚度不低于10cm。
在二衬未施做前必须坚持地表水平沉降观测，在初支未成环度过该岩溶坍方区域前地表水平沉降观测每天不低于2～3次，若遇阴雨天气，加强观测频率。
4.7 塌方漏斗区土方回填、夯实
洞内二次衬砌施工完毕后，对漏斗区进行分层回填，在回填前对坍穴底进行混凝土封闭形成隔水层，混凝土厚度不小于0.5m。回填每层填筑高度不超过0.3m，及时人工夯实。
5 塌方的预防及小结
通过对塌方发生后发展扩大的过程和初支的受力的状态进行分析。发现初支在克服围岩应力重新分布的交变应力过程中，靠近塌腔的拱架上的锚杆实际是起到了助纣为虐的作用，锚杆将上方围岩的纵向位移完全藕合到拱架上，而连接钢筋则发挥了非常重要的作用，从拱架的失稳变形轨迹和拱架的应力变化过程来看。连接钢筋对整个初支结构的刚度起到了决定性的作用。
在工程实际中，初支连接钢筋为单层布置在拱架的内侧（靠隧道净空一侧），钢筋网紧贴围岩布置。在实际施工过程中，一般普遍存在以下细节问题：
（1）钢筋网和拱架的焊接受空间的限制，焊接质量很差或没有焊接。
（2）连接钢筋的焊接不牢固，特别是相邻拱架的连接钢筋没有连通搭接焊接，而是习惯性的梅花形错开焊接。
（3）系统锚杆布置随意，和拱架焊接不可靠，焊接位置基本不在连接钢筋和拱架的交叉位置。
（4）原设计超前小导管设置不规范，强度及刚度均不能满足要求。
这些细节的不起眼的问题，在软岩隧道中发展成为致命的问题。也是是造成塌方的主要原因。在隧道开挖后，原有本构发生变化，围岩和拱架支护形成新受力系统，在系统的应力重新分布的过程中，初支受力后在允许的变形量内且没有造成其本身破坏。我们则认为这个系统满足了工程的需要。初支是一个连续和有序的结构体，而围岩对初支的荷载由于围岩本身结构和构造的特点是无序和不均匀的。如此就造成的初支各段的变形是不均匀的。一旦某相邻两个部位初支的变形差超过允许变形差后，初支的受力状态就会发生变化并造成初支破坏，致使初支结构的变形加剧，无法发挥承载作用。
对于钢筋网的焊接问题来说，钢筋网和连接钢筋、喷射砼组成以拱架为铰节点的梁板具有很好的抗弯和抗剪能力，在初支没有局部破坏或严重变形的情况下，此梁板靠连接钢筋位置受拉，靠钢筋网一侧受压，此时为初支的正常受力状态，只要混凝土强度和配筋要求满足对围岩的承载要求，则初支不会出现异常情况。如确因结构本身无法抵御围岩压力，则初支表面会出现不规则的裂纹或剥落。但一旦某个位置的围岩应力较大，造成该段拱架相对其相邻前后的拱架发生的变形量较大时，变形小的初支必定会对变形大的初支产生约束，则在变形过渡位置的初支的受力状态就发生了变化，此时，在连接钢筋一侧变为受压区，而钢筋网一侧成为受拉区，但由于钢筋网没有和拱架可靠铰接，在铰接位置无法抵抗不均匀变形引起的拉力，则初支迅速出现了沿拱架的环向裂纹。该段初支和前后相邻的支护结构断开后，独自承担围岩的应力。随着变形的加大导致无法承载，最后导致坍塌的后果。
在支护系统中，连接钢筋应当在各榀拱架之间通焊，并在连接钢筋和拱架交叉位置布置系统锚杆，这样连接筋、锚杆和喷射砼组成了岩锚梁，岩锚梁将每榀拱架上的应力均布，使的整个初支系统共同发挥承载作用，能有效的克服不均匀沉降和收敛。极大地提高初支的承载能力。如果连接钢筋沿拱架内外层设置，岩锚梁的作用更强。
在局部塌方后，围岩对初支各段的荷载差最大，对于靠近坍腔位置的初支其总的荷载是下降的，但由于受力状态不断变化，使得连接钢筋断开，拱架失稳，造成坍塌范围扩大。如果连接钢筋和拱架可靠连接，能有效的控制坍塌范围。所以，在软岩隧道的初支施工过程中必须仔细注意以上细节问题。
另一个导致塌方的原因是施工方法，软弱围岩施工一般均用微台阶，上下断面的分级高度不当也会造成不良后果，下断面施工时，边墙部位极易塌方并由此引发拱部塌方。造成此问题的原因是下断面的临空面太大，围岩的稳定性不能满足大临空面稳定的要求。解决这个问题的办法是合理选择上下断面的分级高度，通过适当提高上断面的高度以降低下断面的高度，由此减小下断面施工时边墙的临空面，而上断面则通过调节核心土的高度和适当调节超前支护的位置而满足稳定性的要求。
软弱围岩施工必须从施工方法、施工质量各个方面进行控制，才能有效的预防塌方。保证施工的正常进行。
参考文献
[1] 袁志英，郝江南.贵阳地区地质环境和主要岩土工程问题综述.
[2] 铁路隧道工程施工安全技术规程（TB10304-2009）.
论文作者:钟勇奇
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/21
标签：围岩论文; 注浆论文; 钢筋论文; 隧道论文; 地表论文; 断面论文; 发生论文; 《基层建设》2017年5期论文;