隧道扩挖改造穿越既有大型坍方施工技术
隧道扩挖改造穿越既有大型坍方施工技术
郑仕跃
【摘要】：本文着重介绍既有隧道扩挖改造过程中遇见的不同类型坍方，有针对性的提出了相应的施工方案和方法，可为类似工程坍方处治提供借鉴。
【关键词】：隧道 扩挖 坍方 处理
1.工程基本情况
既有钟鼓山隧道位于厦门市思明区万石植物园附近，下穿钟山和鼓山。为分离式双车道隧道，分为钟鼓山隧道A洞和B洞，A、B洞为既有隧道改造，既有钟鼓山A洞为石拱结构，于1984年经由50年代人防洞室改造而成，B洞为混凝土结构，为1994年修建而成。现进行隧道改造设计，将钟鼓山隧道和万石山隧道之间采用匝道连通，形成一座完成的地下立交隧道（见图1）。
钟鼓山隧道A洞改造起讫里程：ADK0+250～ADK1+408，长1158m。B洞改造起讫里程BDK0+090～BDK1+318，长1228m。
既有钟鼓山隧道A洞采用石拱衬砌结构，石拱未与周边围岩密贴，有15～50cm左右的空腔（见图2），由于暴露时间过长，围岩风化严重，随处可见既有石拱上的零星石块。在原隧道施工时多处发生过大坍方，由于衬砌背后未作回填，衬砌上面有多处坍方堆积体，这些段落成为隧道改造的不良地质。由于没有详细的地质资料和竣工图纸，很难准确判断坍方的具体里程和位置，给施工造成较大的难度。
既有钟鼓山隧道B洞为混凝土结构，二次衬砌和围岩基本密贴（见图3），也没有详细的地质资料，通过对其竣工图纸的研究 ，发现在既有隧道施工时，全隧共有6处采用管棚方式通过，有两次较大的塌方。特别在钟鼓山隧道B洞南段洞口附近，发生过冒顶，有较多的地下水，且改造的钟鼓山隧道设计图该段为并线四车道，跨度大，坍方处理施工难度最大。
2既有坍方概况
钟鼓山隧道共穿越9条断层，主要集中在洞口端，隧道中部较少。由于钟鼓山隧道无详细的地质断面图，已有的地质资料没有显示原隧道在施工过程中发生过坍方，但是在对既有钟鼓山隧道进行扩挖过程中，逐步发现并处理了多处坍方。
在既有钟鼓山隧道A洞扩挖改造过程施工中，共发现并处理生了5次塌方，其发生的里程分别为：ADK1+077～+066，BDKO+381～+422，ADK0+947～+927，ADK0+660～+700，ADK0+495～+480，ADK0+465～+450。钟鼓山隧道B洞由于既有隧道施工对大部分坍方都已经处理过，且衬砌紧贴围岩，只发生过一次坍方，发生在BDK0+883～+876。
在既有钟鼓山隧道A洞的坍方体由于石拱结构同围岩之间存在的空腔，石拱结构与周边围岩未能密贴，造成在对坍体进行注浆固结时，浆液沿隧道纵向渗流，坍方体无法完全完成固结。
在已经处理通过的6处既有坍方中，有5处发生了坍塌，由于既有衬砌起到支撑作用，在处理坍方体的过程中，坍方没有扩大。在5处已坍塌的塌方中，有3处发生冒顶；既有坍方体发生坍塌后形成较大坍腔：一种是在隧道开挖轮廓线外有填充物，坍方体承载在既有衬砌拱部上方；另一种情况是在开挖轮廓线外无填充物，形成了空腔。坍塌体的围岩情况也有区别，有呈块状的强风化花岗岩，坍方体空隙率大，浆液扩散半径大；有呈砂砾状强风化花岗岩，注浆扩散半径很小，很难被固结成一个整体。根据这6次既有坍方的情况可以归为以下几种类型：
（1）既有坍方未再次发生塌方，既有衬砌完好。
（2）既有坍方体发生坍塌，坍方体内填充物为块状的强风化花岗岩；
（3）既有坍方体发生坍塌，坍方体内填充物为砂砾状的强风化花岗岩；
（4）既有坍方体发生坍塌，在开挖轮廓线外形成较大空腔；
（5）既有坍方体发生坍塌，发生冒顶。
3坍方处理方案和方法
钟鼓山隧道A、B洞每个既有坍方的具体均不同，在“预加固，管超前、强支护、早封闭，固坍体，成整体，早受力”的原则下，针对坍方体的不同情况，制定不同施工方案。但不论那种情况首先在既有衬砌内架设I20b型钢临时支撑，进行加固。
3.1既有坍体未再次发生塌方，既有衬砌完好的施工方案及方法
3.1.1施工方案
如BDKO+381～+422，ADK0+495～+480段，既有的衬砌顶部发生过坍塌，在临时支护型钢完成后，从既有衬砌内打设径向注浆小导管对坍体进行注浆固结，既有坍方体加固完成后，超前小导管按照正常破碎带施工即可，开挖采用台阶法进行施工。如果围岩为砂砾状强风化花岗岩，则需要将小导管的环向间距调整为20～25cm左右即可顺利通过。
3.1.2施工方法
在坍方体下方既有衬砌内架立I20b型钢，保证既有衬砌结构的安全，型钢间距为1.5m。型钢之间采用φ22螺纹钢连接。
根据坍体具体情况，首先将坍方体与既有衬砌之间喷射20cm厚混凝土封闭，然后从既有衬砌内轮廓打设径向注浆小导管，对坍方体注浆固结。φ42超前小导管，长5m，环向间距为30cm，外插角为20度左右，纵向间距为1.6m。钢支撑采用I20b型钢，间距为80cm，在拱脚增设φ42锁脚锚杆，防止在拆除既有衬砌后型钢发生下沉。φ22普通砂浆锚杆，间距为80cm×80cm，L=3.5m，每环布置31根，与型钢焊接成一体，详见图4：坍方处理方案图。
上台阶台阶高度以既有衬砌为标准，型钢直接架立在既有衬砌上，待型钢超前既有衬砌2～3后，可以拆除1m左右的既有衬砌，将型钢落底。
3.2改造后既有坍方体发生坍塌，坍方体内填充物为呈块状的强风化花岗岩的施工方案及方法
要根据塌方发生在既有钟鼓山隧道A洞或者B洞，在对坍方体的处理分别采用不同的方案：坍塌发生B洞，衬砌结构同围岩密贴（详见图5），注浆浆液不会沿衬砌结构渗漏，首先对坍方口封堵，然后采用C20喷射砼将坍方体前后封闭，采用小导管对开挖轮廓线外的坍方体进行注浆固结，在开挖轮廓线形成3m左右的固结体再开挖。坍塌发生A洞，注浆时浆液会顺着既有石拱衬砌结构顺流，固结效果差，注浆只考虑将坍方体固结，采用加密小导管的方式进行超前支护，同时缩短型钢间距及超前小导管的纵向间距，在超前小导管的支护下，按0.5m的进尺逐步推进，每推进1m进行径向注浆，将开挖轮廓线外的坍体进行加固：坍方发生在A洞，共两段，ADK1+077～+066，ADK0+947～+927。由于衬砌背后空洞较多，完全靠注浆将松散体固结成一个整体基本上不可能，只能采用高密度的小导管形成多层棚架，让每环小导管之间的块石不掉碴，注浆液目的是保证块石之间的填充物能够在块石之间稳定，不至于发生失稳（详见图8）。在B洞段的就可以采用一次注浆将松散体固结后在开挖。
①在既有坍方体下方既有衬砌内架立I20b型钢，保证既有衬砌结构的安全，型钢间距为1.5m。型钢之间采用φ22螺纹钢连接。
②封闭既有坍方松散体，在松散体表面喷射20cm厚C20喷射砼，将坍方体封闭，防止在注浆时浆液外流。
③φ42小导管对坍方体进行固结，主要是针对开挖轮廓线外的松散体进行固结，利用块石结构的空隙率较大，浆液扩散半径大的的特性，注浆的目的是保证块石之间的填充物能够在块石之间稳定，不连续漏碴，导致块石失稳。但是在B洞段的可以采用一次注浆将松散体固结后在开挖。浆液注浆采用1:1的水泥掖浆。
④φ42超前小导管，长5m，环向间距为30～35cm，外插角为20度左右，纵向间距A洞为1.0m，B洞为1.6m。I20b型钢，间距为80cm，在拱脚增设φ42锁脚锚杆并注浆，在拱脚位置垫木版增大受力面积，防止在拆除既有衬砌后型钢发生下沉。
⑤开挖采用台阶法开挖，上台阶高度以不拆除既有衬砌拱为标准，局部爆破配合人工开挖，A洞开挖进尺控制在50cm，开挖初喷10cm厚的喷射砼封闭掌子面，防止掌子面前方的松散体掉块造成再次坍方，并注少量浆液将在块石之间小块粒径的填充物能够粘结即可，不需要（也不能）全部固结，B洞开挖进尺1.6m。
⑤I20b型钢，间距80cm,打设超前小导管进行预支护，下导坑的开挖同第一种情况。
⑥在上下导坑都通过坍方地段后，对初期支支护背后围岩采用1：1的水泥浆液进行固结，在开挖轮廓线外形成保护护拱。
3.3既有坍方体发生坍塌，坍方体内填充物为含水量较大的砂状土
3.3.1施工方案
坍塌发生ADK0+465～+450段，考虑到含水量较大的砂状土注浆扩散半径较小，注浆效果差，单靠注浆很难通过，只有加密超前小导管，每榀型钢都打设超前小导管，在拱架上方形成多层棚架，同时调整超前小导管之间的环向距离，利用浆液的固结作用，将每层小导管之间的松散体形成固结体，每层小导管形成的棚架只负责承担一小部分的松散体的压力，完全可以通过。但是在开挖时要控制循环进尺，不超过80cm，同时调大预留沉落量为15cm，抵消掉拱架下沉量，保证隧道的衬砌净空尺寸。
3.3.2施工方法
在发生坍方后，该处坍方为既有坍方，完全风化状态，呈细纱状，同时在长期的雨水的作用下，密实度好，渗透系数很小，注浆浆液只能在小导管周围形成直径为30cm左右的柱状体。考虑到机械设备的现状，基本按照第二种坍方体的处理方式进行施工，只是在利用注浆达到的效果和目的有区别。
①在既有坍方体下方既有衬砌内架立I20b型钢，保证既有衬砌结构的安全，型钢间距为1.5m。型钢之间采用φ22螺纹钢连接。
②封闭既有坍方松散体，在松散体表面喷射20cm厚C20喷射砼，将坍方体封闭，防止在注浆时浆液松散体发生坍塌。
③φ42超前小导管，长5m，环向间距为15~20cm，外插角为20度左右，纵向间距1.0m。沿开挖轮廓线对坍方体进行固结，将小导管之间的松散体固结，在小导管之间形成直径30cm的柱状体，形成一环向固结体，有效的防止砂砾从小导管之间的空隙渗，小导管上部的松散砂状土保持稳定。注浆压力为2.0MPa，超前小导管的注浆量以直到浆液全部从孔口流出为标准，注浆后要达到在开挖后不能有漏。注浆采用1：1的水泥掖浆。
④I20b型钢，间距为50cm，在拱脚增设φ42锁脚锚杆并注浆，在拱脚位置垫木版增大受力面积，防止在拆除既有衬砌后型钢发生下沉。
⑤开挖采用台阶法开挖，台阶高度以不拆除既有衬砌拱为标准，开挖采用挖机配合人工施工，进尺控制在50cm，开挖后初喷10cm厚的喷射砼封闭掌子面，防止掌子面前方的松散体在自重和水的浸蚀下发生失稳，造成再次坍方，
⑥在上下导坑都通过坍方地段后，对初期支支护背后围岩采用1：1的水泥浆液进行固结，在开挖轮廓线外形成保护护拱。
按照以上措施进行处理后，经对围岩的监控分析后，判断围岩处于稳定状态，施工方案既能加快施工进度，又能确保减少投资。
3.4既有坍方体发生坍塌，在开挖轮廓线外形成较大空腔施工方案及方法
3.4.1施工方案
坍塌后的坍方体量在既有隧道内的方量不足以将坍腔封闭，且空腔壁已经基本稳定，如BDK0+883～+876段，该空腔无法采用注浆固结的手段通过，利用未坍方地段已架立好的型钢架，在型钢拱部铺设采设管棚，管棚伸过坍腔，在坍腔下部型钢上部形成安全网，保护施工工人的安全。在管棚下架设型钢，再对拱架上部泵混凝土回填形成保护层（详见图7）。如果坍塌后形成的空腔很大，高度较高，且空腔壁没有稳定，不时从坍腔中掉块，形成的坍塌堆积体量大，如ADK0+660～+700段发生的坍方，可以用洞渣将空腔回填一部分，其余采用喷浆机喷射砂进行回填，直到拱顶开挖轮廓外3m,然后采用注浆将松散体进行固结，达到浆液将开挖轮廓线外3m回填砂全部固结，此时吹填砂的高度肯定随浆液会发生沉降，但要保证在开挖轮廓线形成一圈固结的松散体，然后采用加密超前超前小导管通过，经处理后，围岩收敛处于稳定。
3.4.2施工方法
(1)坍腔壁已经基本稳定的情况：在坍腔拱部形成了一个坍塌空腔：宽11m，长7m，顶部高度20m左右。
①在坍塌前方未拆除衬砌段采用I20型钢做临时支撑，对既有衬砌进行加固，临时拱架纵向间距为1.5m。
②在靠近坍方段的已架立好型钢拱部上加Φ108钢管，环向间距为0.8m，长15m，在管棚上部增加钢筋网片，网片采用Φ22和Φ6.5钢筋连接成片，Φ22钢筋间距为50cm×50cm，Φ6.5钢筋间距为10cm×10cm；在坍塌空腔段拱部形成棚架，防止坍塌空腔内掉块，保证施工安全。
③在管棚下架设I20b型钢，纵向间距为80cm，C20喷射砼。但是在进行喷射砼之前，要在拱部埋设多根150钢管，待通过该段坍方空腔后用在拱部回填1.5m厚C20混凝土作为缓冲层，保护衬砌安全。
④在按照此方案施工过后，但是初步稳定的空腔壁放生了坍塌，导致冒顶，山顶发生沉陷，形成了一个达大的土坑。但是洞内的初期支护没有发生变形，围岩变形稳定。
(2)空腔壁没有初步稳定的情况，如ADK0+660～700段
该处在线路左侧既有衬砌拱部有一长20m，宽10m左右的空腔，在既有衬砌拱部有坍塌体，与隧道斜交，塌方位置发生在拱部，连续一周一直不停的在掉块，将既有隧道全部堵塞，该处埋深有90m左右。
①在坍方体处的采用洞渣回填至一定高度，然后砌筑挡墙将坍塌位置全部封闭，挡另一侧采用C20喷射砼封闭。
②利用预留在挡墙处的φ100的钢管向挡墙背后坍塌形成的空腔吹填中粗砂，拱顶以上3m的范围全部用回填密实。
③φ50钢管注浆，长10m，直接中粗砂中穿过，1：1的水泥单液浆，局部采用小导管注浆作为补充，将坍方体全部固结（详见图8）。
开挖采用侧壁导坑，多级台阶施工，首先施工 线路左侧围岩较好地段，右侧台阶采用3台阶法开挖，每循环进尺80cm。
3.5既有坍方体发生坍塌，发生冒顶施工方案及方法
本隧道在施工中共发生3次冒顶，分别在ADK1+077～+066，BDK0+873～+861， ADK0+465～+450，在按照前述施工方法度过该段后，分别对山顶发生冒顶点进行加固处理，在ADK1+077～+066段，由于坍塌方量不大，埋深30m左右，在对冒顶点进行回填处理，并以厚1m厚的混凝土封闭后，处以粘土回填表面，冒顶处没有再发生继续沉陷现象，即使有水渗入山体，也随隧道的排水系统排除，也形不成承压水，对隧道结构安全没有影响。
在ADK0+465～+450段埋深50多米，松散的坍塌体的辎重基本靠支护结构承担，同时由于砂砾状花岗岩渗水性能较差，必须不能地表水渗入山体，形成承压水，影响隧道结构安全。在冒顶的处理，考虑的是对冒顶地方进行地表深体注浆，将松散体固结，同时可以防止地表水渗流入山体，对隧道安全构成隐患。
BDK0+873～+861段在施工过程中没有发生冒顶，在将该段施工过后，且施工完二次衬砌后，由于大量的雨水浸蚀，使得原稳定的坍腔壁放生坍塌，造成地表塌陷。该处的处理主要是防水，对衬砌结构安全不构成影响。采用混凝土将冒顶点封闭后，用粘土回天碾压密实即可。
在BDK1+150～+160段既有隧道发生了冒顶，在山坡上已经发现了2个明显的深坑，该段属于钟鼓山隧道并线段大断面，埋深只有10m,为强风化花岗岩，强度低，断面跨度大，常规的大管棚基本上无法嵌入基岩，遂建议按照明挖通过该段，以保施工安全。
4体会和认识
总之，在处理既有坍方，必须保证在强超前的预支护下，谨慎进行开挖，保证开挖后不再发生坍塌，加强初期支护的力度，有效的保护开挖成果。对既有隧道的扩挖采用“短进尺、弱爆破”分台阶法分部开挖，及时将钢架落底形成受力结构体，通过坍方地段后对坍方体背后的围岩进行注浆加固，将松散岩体固结成整体，充分利用围岩自身的稳定，承担一部分应力，充分保证结构安全。
