水利水电施工 ２０１０・第４期 总第１２１期 包西铁路某双线隧道塌方处理施工 帮梁学成 冉 鹏／（中国水利水电第七工程局有限公司） 【摘要】本文以包西铁路莱双线隧道在初期支护完成后发生３７ｍ长大型塌方事故的处理为倒，介绍了隧道产 生塌方的原因、处理方案、实施及其保障措施等。本着安全、高质、高效且适用的原则进行，快速、分段施工， 安全、顺利完成了塌方处理，为类似隧道及特殊地质条件下大型塌方处理提供了借鉴。 【关键词】铁路隧道塌方处理施工技术 潮湿，分布广泛， 一１０ＯｋＰａ。 １ 前言 近年来，我国铁路建设得到了相当快速的发展，随 着铁路等级的不断提高，受平面曲线和纵坡的限制，即 （２）第四系上更新统，全新统湖积层灰色、土灰绿 色、灰黄色粉细砂夹褐色粉土、淤泥质含砂粉质黏土， 主要分布在ＤＫ１５９＋２５Ｏ～ＤＫ１５９＋６４０，ｃｒｏ一１００ｋＰａ。 （３）白垩系下统伊金霍洛组紫红色细砂岩、含砾砂 岩夹泥质粉砂岩，泥质胶结，全～强风化，Ｏ＂ｏ一３００ｋＰａ， 弱风化，Ｏ＇ｏ一５００ｋＰａ。 使在相对平坦的地 ．为满足技术标准和相关规范要求， 隧道工程在铁路建没ｔ 泛应用。隧道围岩经开挖扰动， 原有的岩体结构和受力平衡体系被破坏，岩体在自重作 用下，应力重新分布，构成新的受力平衡体系，围岩的 地质状况对隧道的稳定性和应力分布影响重大，塌方风 险伴随着整个开挖施工期。各种各样的隧道塌方也给塌 方处理提出了新的挑战，现针对某铁路双线隧道大型塌 隧道进出口位于风积砂层内，洞身段位于强风化至 弱风化泥质砂岩内，洞身岩体岩质软弱，风化严重，含 少量地下水，围岩以Ⅳ～Ⅵ级为主。 ３塌方特性及原因分析 ３．１ 塌方段设计支护参数 方处理实践做出探索，以供借鉴。 ２工程概述 ２．１工程概况 包西铁路某双线隧道位于内蒙古自治区鄂尔多斯市 境内，断面为单洞双线隧道，设计时速２００ｋｍ／ｈ，起讫 里程为ＤＫ１５８＋３６０～ＤＫ１６１＋５２０，全长３１６０ｍ。隧道 塌方段设计为Ⅳ级围岩，支护型式采用Ⅳ级围岩复 合式衬砌，超前小导管预支护，格栅钢筋间距１．０ｍ，挂 网喷射Ｃ２５混凝土厚２５ｃｍ，Ｃ３０二次衬砌混凝土厚 ４０ｃｍ。具体设计支护参数见表１。 表１ 支护参数＼ 设计支护参数表 Ⅳ级围岩复合式衬砌 拱部１５０。设姐２ｍｍ无缝钢管，环向间 距３０ｃｍ 设计最大开挖半径６．９ｍ，高度１２．１５ｍ，宽度１４．１６ｍ， 开挖断面约１３９ｍ ，为铁路特大断面长隧道。 超前小导管形式 ２．２地形地质 隧道所处地貌单元属高原丘坡区，地势平坦，地形 起伏不大，为丘坡体，中间高，两侧低，覆盖层厚度不 大，埋深在５．５～４２．４ｍ之间。浅埋地段及地表冲沟发育 部位地下水较发育，冻土深度１．７１ｍ。地层岩性由上到 下依次为： 挂网喷Ｃ２５混凝土 厚度２５ｃｍ 拱部１２０。设￣２５ｍｍ中空锚杆，边墙设 ￣２２ｍｍ砂浆锚杆，长度均为４ｍ，间排 距１．２ｍＸ１．０ｍ 锚杆类型 钢架支撑型式 １５ｃｍ×１８ｃｍ格栅钢架，间距１．０ｍ。 各台阶处设４根姐２ｍｍ锁脚锚管 厚度４０ｃｍ （１）第四系全新统风积层粉细砂，黄褐色，松散， ３８ ・ Ｃ３０衬砌混凝土 ・￣Ｔ７－ｆｌ ３．２塌方情况描述 ２００９年３月２日下午，现场观察发现，隧道ＤＫ１６０＋ ０４５附近拱顶初支沿纵向开裂，从监控量测数据分析， 拱顶下沉量达６ｃｍ，变形速率达１．３ｃｍ／ｄ，立即安排采 用工字钢进行加固处理。３月３日变形进一步增大，量 测拱顶下沉量达１０ｃｍ以上，晚上１Ｏ时，在隧道里程 ＤＫ１６０＋０３８￣ＤＫ１６０＋０７５段出现塌方。塌方后，在拱 部约１５０。范围形成了一个长约３７ｍ、宽１４ｍ、高１５．７ｍ 的反漏斗状塌腔，塌方量约３０００ｍ３左右，属于大型塌 方，见图１。 塌方时上台阶开挖至ＤＫ１６０＋１２１，二次衬砌至 ＤＫ１６０＋０３３，仰拱施工至ＤＫ１６０＋０８５，下台阶左侧落 底至ＤＫ１６０＋０９５，右侧落底至ＤＫ１６０＋０８７，如图２ 所示。 ３．３塌方原因分析 塌方范围岩质为紫红色强风化砂岩夹泥岩，含砾砂 图１ 塌方横断面图（单位：ｍ） 出口方向 进口方向 ３９ 图２ 隧道塌方纵剖面示意图（单位：ｍ） 岩夹泥质粉砂岩，泥质胶结，含粉质黏土。岩层层理明 显，成水平薄层状分布，节理较发育，节理密度３条／ｍ， 特别是拱肩以上泥岩夹层数量多、胶结质较厚，达１５ｃｍ 左右，呈乳黄色，拱肩处局部呈碎石状压碎结构。有地 经现场多次勘察，倒漏斗塌腔壁约成６０。～７０。左右 ４塌方处理方案的研究及实施 下渗水，围岩遇水软化。围岩自承能力极弱，围岩整体 稳定性差。 倒坡，腔壁光滑，大塌方后拱部仅有小量掉块。根据塌 腔形状和地质情况，结合类似工程经验，经综合分析， 初步确定塌方基本稳定，不会再次出现较大塌方。后经 本段塌方就是因地质构造差（粉质砂岩、平层、夹 泥等），偶遇冻融过后洞顶岩层持水层破裂而大量渗水， 岩石软化随渗水引起围岩错动，上部流沙下泄，逐渐堆 积于支护上，拱顶围岩呈松散体状态，完全形成外部荷 多方分析、研究、讨论、比较后决定借鉴“ＷＮＦ法”， 结合本次塌方的特殊性，拟定塌方处理原则为：减少挠 动，以护为主，以防为重，加强二次衬砌，及时回填， 载。随着时间推移，支护体系达不到支撑强度时，在拱 顶形成纵向裂缝，支护体系受到破坏，围岩无自承能力， 从而导致塌方。分析事故原因主要有： （１）该段拱顶以上围岩特别差，地质条件复杂，围 岩突变严重，呈上软下硬状态，围岩级别判断存在 偏差。 分段施工，快速通过。具体方案确定如下： （１）因塌方未将洞室全部堵塞，塌渣顶部比拱顶仅高 出１．０ｍ左右，为不破坏塌方段的自稳结构，防止塌方进 一步扩展，主塌方区塌渣尽量避免扰动，同时从洞外运 土回填，进一步稳固临近塌腔未塌段支护。在未塌段堆 渣上面采用钢管搭设排架，铺上木板，以作为施工操作 平台。 （２）冬季施工过去，地下水解冻后，引起该段渗水 较厉害，裂隙中细粒被水带走，围岩形成新的自由 空间。 （２）待塌方基本稳定后，首先安排对塌腔拱顶及边墙 进行初次素喷Ｃ２５混凝土，并在处理过程中多次复喷， 保证喷混凝土达８ｃｍ以上，对塌腔围岩起到预支护作用， 同时防止小掉块伤及施工人员，还可以用于直观的判断 （３）围岩成水平层分布且夹泥层较多，遇水后软化， 围岩自稳能力进一步减弱；支护强度不足，未能有效抑 制围岩过大变形，已形成的自承拱受到破坏。 围岩变形情况。 ・３９・ ￣￥ｔＪ２＜ｇ３９７－ ２０１０・第４期 总第１２１期 （３）为防止塌方进一步扩大，及时加强塌方端头未坍 塌位置初期支护，安装ｌＯ榀工２Ｏ工字钢钢架套拱，钢架 间距４０ｃｍ，紧邻塌方段加密，钢架脚趾落于已施作完成 的矮边墙混凝土面上，每榀拱脚和拱肩部位均设置４根 ￣４２ｍｍ锁脚锚管，长度４ｍ。前端３组钢架上１５０。范围内 焊接￣１０８ｍｍ无缝钢管（壁厚６ｍｍ）作为超前管棚，长 ２．５ｍ，环向间距３０ｃｍ，拱部外侧挂部钢筋网（１５ｃｍ× １５ｃｍ），喷Ｃ２５混凝土厚３５￣４０ｃｍ，为下步主塌方区施 工形成一个施工安全屏障。 （４）塌腔段的处理在管棚的保护下，按ｌｍ一段推 进，采用工２Ｏ工字钢架支护，间距５０ｃｍ，采用 ２ｍｍ 纵向连接钢筋，环向间距钢架内外侧均５０ｃｍ，并与钢 架焊牢固。每榀拱脚和拱肩部位均设置４根舭２ｍｍ锁 脚锚管，长度４ｍ。对应工字钢，沿边墙未塌方高度打 设系统中空锚杆，环向间距１．０ｍ，纵向间距０．５ｍ。工 字钢拱部１５Ｏ。范围焊接￣１０８ｍｍ管棚，管棚长度２．５ｍ， 环向间距３０ｃｍ，每２榀钢架一环。钢架安装好后，在拱 部外侧挂赔１ＴＩＩＴＩ钢筋网（１５ｃｒｕｘ １５ｃｍ），喷Ｃ２５混凝土 图３塌方处理横断示意图 厚３５～４０ｃｍ，钢拱架、管棚、钢筋网、喷混凝土形成 系统防护棚。同时，为防止刚喷护形成的防护棚受掉块 ５塌方处理保障措施 ５．１ 高效精干的组织保障 隧道塌方后，项目部立即成立了塌方处理领导小组 和塌方处理实施小组，选派有丰富隧道开挖经验和塌方 冲击破坏变形，每榀工字钢在拱顶部位采用２根 ￣ｌＯ８ｍｍ钢管直接形成支撑，加强初期承载能力，确保 施工安全。 （５）为确保已成形段的安全，防护棚每施作完成 ６～１２ｍ左右，随即将对应段的塌渣清理，及时施作二 次衬砌。同时考虑到塌腔段的后期荷载较大，防水处 理困难，将塌方段的二次衬砌设计承载能力提高，混 处理经验的人员组成，主要领导轮流值班，隧道专业工 程师、技术员、安全员全过程跟班作业。同时，全力备 足塌方处理的材料物资和机械设备，并随时调整。从组 织上保障了塌方处理的顺利进行。 凝土标号由原设计Ｃ３０调整为ＣＡ０，主筋由原设计的 ｊ＆１６ｍｍ调整为￣２２ｍｍ，间距２０ｃｍ。￣５Ｏｍｍ环向排水 ５．２及时准确的监控量测 塌方处理工程中，监控量测是一个重要工作，安排 专人对塌腔壁、地表及塌方相邻区域的变形情况进行实 时跟踪监测，并及时将检测数据反馈给相关处理人员， 为分析塌腔和支护的稳定提供了重要依据，为方案的实 施奠定了基础。通过监控量测显示，塌方处理期问，初 支周边收敛最大达２１ｍｍ，拱顶下沉最大达２９ｍｍ，均在 盲管间距由原设计１０ｍ每环加密至３ｍ每环，加强 排水。 二次衬砌混凝土浇筑完成，等强达到５Ｏ 强度后， 在不拆除钢模台车的情况下，及时施作上部Ｃ２０回填混 凝土，拱顶厚２．０ｍ，进一步形成承载力较大的拱结构， 以抵抗上部坍塌荷载。 （６）按照分段形成防护棚、跟进浇筑二次衬砌及回填 混凝土的方法，整体推进塌方段的处理。当塌腔剩最后 设计范围内，安全稳定。 ５．３切实有效的处理方案 隧道塌方后，项目部立即针对现场情况，提出了初 １０ｍ左右时，塌方已完全稳定，迅速清除全部塌渣，及 时将前方未塌段的支护采用工字钢喷混凝土进行锁口加 期处治方案，撤离了人员、设备，划定警戒区，实时监 控塌方状况。同时，根据现场踏勘情况，拟定了初步塌 方处理方案，经参建四方会议深入分析研究，确定了塌 方处理的初步方案。处理过程中，结合塌方段和各项工 作的开展情况，多次对初步方案进行了完善优化，进一 步提高了处理方案的实用性、针对性和有效性，最终保 证了塌方处理的顺利实施。 强，防止前方塌方扩大。 （７）为进一步稳固塌腔，在施作二次衬砌及回填混凝 土时，对应塌方最高的位置预埋￣１０８ｍｍ后期注砂管， 管Ｅｌ距塌腔最高处约１．０ｍ左右。当全部二次衬砌和回填 混凝土施作完成，强度达１００ 后，及时安排进行注砂和 灌注水泥浆等工作，以便尽早形成缓冲层。至此，塌方 处理基本完成。 ５．４快速有力的处理过程 塌方处理贵在一个“快”字，贯穿于塌方处理的整个 （８）塌方处理横断面示意图见图３。 ・４０・ 地下工程 过程。塌方后，按应急预案，项目部快速反应，成立相应 中隧道工程不断涌现，施工过程中因多方面原因，稍有 的机构、制订方案，并适时快速实施，有效控制了塌方的 不慎将出现塌方，直接对工程造成影响。针对不同的塌 扩大。处理过程中，人员设备三班连续作业，在塌方后第 方状况，尚没有一个固定的处理方案，如何快速有效地 一个自稳期及时进行了支护，充分利用了围岩的自承能 处理好塌方，成为施工中的一个难题。本文通过对铁路 力，确保了后序工作的正常开展。在初步支护的情况下， 双线隧道的塌方处理实践，从多方面进行了分析总结。 迅速进行了二次衬砌和混凝土回填，步步为营，确保了塌 作者深刻地感受到，当隧道出现塌方后，及时对塌方状 方段的稳定和安全。２００９年４月１ Ｈ，塌方处理全部完 况进行深入的调查研究，结合隧道开挖尺寸、地形地质、 成，整个塌方处理从出现塌方至处理完成，历时２９ｄ。 水文、施工设备、人员状况等多方面进行综合分析，研 究确定有效的实施方案，多管齐下，结合运用各种技术 ６结语 措施，并不断优化完善，成立专门的处理机构，加强监 控量测，快速有力地处理，塌方处理就一定能够安全、 随着国家大量推动铁路基础设施的发展，工程建设 顺利地完成。 （上接第３７页） 润滑作用，低ＶＣ值能使其更易泛浆形成凝聚体，可碾性 碾压：碾压厚度取３０ｃｍ。当采用１２．５ｔ振动碾进行 较好。故贫胶粗粒料ＶＣ值宜控制在５ｓ左右。坝基、引 碾压施工时，先无振碾压２遍，有振碾压８遍，再无振２ 水洞开挖出渣石混合料储量较大，渣石混合料品质较好， 遍；碾压后要求贫胶粗粒料相对压实密度控制在９３ 左 颗粒级配较合理，经简单加工后将最大粒径控制在不大 右，容重要求大于２１．７ｋＮ／ｍ。。 于１５０ｍｍ、砂率在２５ ～３５ 、石粉含量为２ ～３ ， 养护：碾压结束后应及时覆盖养生材料（润湿的麻 就可有利于浆砂比提高，可碾性增强。 袋或彩条布等），４～６ｈ后间隔一定时间洒水养护，养生 １４ｄ后可开放交通。 ４用贫胶粗粒料筑路施工技术要求 ５实例运行概况 ４．１材料要求 粗骨料：破碎人工砂砾料或开挖出渣混合料，要求 贫胶混凝土在甘再水电站工程场内施工道路从２００８ 质地坚硬、耐久干净，且应具有足够的强度和耐磨性能。 年４月份施工完成到２０１０年４月份，经各种施工机具设 最大粒径为１５０（２００）ｉＴｌｒｆｌ。 备及重型运输车辆两年多的使用，该公路依然能满足运 细骨料：宜采用细度模数为２．５～３．０的坚硬、洁净 行要求，只是混凝土表面磨损较多。贫胶混凝土在高度 的中砂。泥土杂物含量小于３ 。 为３５．５ｍ的洪口水电站上游过水围堰以及白沙、街面等 胶凝材料：采用符合国家标准的水泥和粉煤灰为贫 工程也得到了成功应用。 胶粗粒料的主要胶凝材料。 ４．２施工方法 ６ 结语 为保证道路交通畅通，路面工程施工按左、右两幅 分别进行施工。 贫胶混凝土是一种具有快捷、经济、环保施工特点 先将基层表面清扫干净，低处应用碎石补平并压实。 的新型建筑材料，可以在水电施工道路工程中具有推广 为了防止基层吸收胶凝砂砾石中的水分，在摊铺之前应 使用价值。该材料施工技术综合了面板堆石坝与碾压混 将基层洒水润湿。 凝土坝两种主流施工技术的优点，具有坝基适应性广、施 拌和：采用“干二湿四”拌和法。即在现场采用挖掘 工便捷、安全环保、投资经济优越性，是一种极富潜力的 机或装载机先干拌２遍，后加水拌和４遍，即可达到拌 绿色环保筑坝新材料，可在中等坝高的水利水电工程中广 和均匀。现场均匀性判定以目测颜色基本均匀，并以手 泛推广使用。已经成功运用的实例有：国内高度为３５．５ｍ 抓细料能基本黏聚为判断合格的辅助手段。 的洪口水电站上游过水围堰以及白沙、街面等工程；国 平仓：采用装载机或推土机，以人工辅助摊铺。平 外的工程有：Ｈ本的Ｎａｇａｓｈｉｍａ、Ｈａｉｎｋａ、Ｏｋｕｋｕｂｉ、 仓后表面应平整，要求做到平顺，没有显著凹凸起伏， Ｓａｎｒｕ、Ｈｏｎｍｙｏｇａｗａ，土耳其的Ｃｉｎｄｅｒｅ，法国的Ｓｔｍａｒ— 无较大的高差，且道路中间向道路两边略倾斜（ 一２ ）。 ｔｉｎ ｄｅ ｌｏｎｄｒｅｓｓ，菲律宾的Ｃａｎ—Ａｓｕｊａｎ，多米尼加的 无法平仓的边角部位由人工摊铺。分离造成的明显的骨 Ｍｏｎｃｉｏｎ反调节坝，希腊的Ａｎｏｍｅｒａ、Ｍａｒａｔｈｉａ等工程。 料集中，由人工或用其他机械将其均匀地摊铺到未碾压 在我国内尚处于起步阶段，今后在中、小型坝有广阔的 的层面上。 应用前景。 ・４１・