作者：陳少虎

一、工程概況

吳坑隧道位于龍廈鐵路龍巖至漳州區(qū)間南靖縣境內(nèi)，隧道所處位置低山、丘陵較陡峻，山體自然坡度15～40°，植被較為發(fā)育，起訖里程為DK52+067～DK54+040，全長(zhǎng)1973m，其中明洞29m，設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖254m，Ⅳ級(jí)圍巖299m，Ⅲ級(jí)圍巖216m，Ⅱ級(jí)圍巖1175m。

二、工程措施

在施工過(guò)程中，參建四方現(xiàn)場(chǎng)判定出露巖層主要為強(qiáng)～全風(fēng)化黑云母花崗巖，呈灰色，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，節(jié)理層間充填有全風(fēng)化軟弱夾層，厚度5～20mm，手捏呈泥狀、濕滑，拱部掉塊嚴(yán)重，圍巖級(jí)較設(shè)計(jì)圍巖差，多處發(fā)生變更。其中DK53+485～DK53+405段巖由Ⅱ級(jí)變更為IV級(jí)圍巖；DK53+485～DK53+680段由Ⅱ級(jí)變更為IV級(jí)圍巖。變更后，隧道支護(hù)措施如下：

1．DK53+680～DK53+485段按IV級(jí)圍巖施工，采用φ25超前注漿錨桿，環(huán)向間距40cm，初期支護(hù)采用150×150格柵鋼架，間距1.0m/榀；

2.K53+485～DK53+405段按IV級(jí)偏壓施工，采用φ42超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，環(huán)向間距40cm，初期支護(hù)采用I18型鋼鋼架，間距0.8m/榀；

3.隧道開(kāi)挖工法采用臺(tái)階法施工。

三、隧道塌方狀況及原因分析

1．隧道塌方狀況

（1）2008年6月17日，吳坑隧道出口發(fā)現(xiàn)DK53+690～DK53+712線路右側(cè)邊墻初期支護(hù)發(fā)生開(kāi)裂、滑塌，隨后拱部及邊墻滲水，塌方范圍不斷擴(kuò)大，拱頂及兩側(cè)頻繁掉塊；至6月26日，拱頂右側(cè)塌方最大高度超過(guò)15m，寬度約12m；至7月1日，塌方段地表發(fā)生塌陷（此處隧道埋深58米），形成錐形塌陷坑，沿線路方向塌陷范圍DK53+694～DK53+722，縱向長(zhǎng)28m，隧道中線左側(cè)寬15m，隧道右側(cè)寬9m，深度8m。

（2）2009年2月27日，隧道掌子面施工里程為DK53+405，二襯里程施工為DK53+557，仰拱里程施工為DK53+492。檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)DK53+424～DK53+486m段拱頂下沉，初期支護(hù)變形開(kāi)裂，裂縫走向?yàn)榄h(huán)向，寬度約1cm，個(gè)別處所噴射砼脫落，工字鋼架拱腰處發(fā)生扭曲變形，圍巖累計(jì)變形量大、侵限值達(dá)10～53cm。

（3）2009年5月18日，DK53+405～DK53+486m初支換拱完成后仍然發(fā)生較大變形，最大變形量達(dá)28.7cm，I20工字鋼臨時(shí)橫支撐和斜支撐受力變形，最終引發(fā)塌方。本次塌方地段DK53+405～DK53+426換拱已經(jīng)完成，掌子面距仰拱步距為15米，二襯步距為21米。DK53+405～DK53+426段線路左側(cè)初期支護(hù)邊墻部位出現(xiàn)滲水，導(dǎo)致DK53+405～DK53+426段拱部、邊墻初期支護(hù)破壞，發(fā)生坍塌，地表DK53+410～DK53+424范圍出現(xiàn)長(zhǎng)15m，寬7m、深約6m的塌陷坑。實(shí)測(cè)塌陷范圍隧道埋深52m～58m。

2. 塌方原因分析

隧道先后發(fā)生了三次塌方變形，前兩次塌方變形參建四方判斷認(rèn)為有以下幾個(gè)原因：

（1）塌方段圍巖巖性為黑云母花崗巖，肉紅色，弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部成“X”型貫通微強(qiáng)節(jié)理，將圍巖分割成塊狀, 圍巖破碎，節(jié)理面之間多充填全風(fēng)化軟弱夾層，厚度5～15mm，手捏呈泥狀、濕滑，巖塊間粘結(jié)力較小,圍巖整體性差；

（2）設(shè)計(jì)支護(hù)措施偏弱，初支成環(huán)時(shí)間慢，未能發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力；

（3）因降雨造成地表水富積，地表水下滲造成強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖軟化，是塌頂現(xiàn)象的發(fā)生的誘因。

第一、二次塌方分析起初認(rèn)為隧道的塌方變形是因?yàn)閲鷰r軟弱、設(shè)計(jì)支護(hù)措施偏弱、初支成環(huán)施工滯后，二襯、仰拱未能緊跟等原因而引起。此外，還猜想本段圍巖巖性可能有一定的特殊性，存在地應(yīng)力，但沒(méi)有真正地對(duì)巖性進(jìn)一步進(jìn)行研究，對(duì)圍巖的性質(zhì)有誤判，現(xiàn)場(chǎng)判定巖性為弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖，隧道實(shí)際的巖性為輝綠巖夾花崗巖。直到第三次發(fā)生塌方后，因初支破環(huán)、I20工字鋼臨時(shí)橫支撐和斜支撐受力變形、監(jiān)控量測(cè)變形量大等現(xiàn)象，才意識(shí)到本段地質(zhì)巖層可能存在特殊性，按常規(guī)地段進(jìn)行施工有較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，邀請(qǐng)了福州大學(xué)有關(guān)地質(zhì)人員對(duì)隧道的巖性進(jìn)行判定、試驗(yàn)分析。

3．土工試驗(yàn)分析

在現(xiàn)場(chǎng)選取全風(fēng)化輝綠巖脈典型巖樣進(jìn)行土類(lèi)、顆粒級(jí)配、自由膨脹率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換測(cè)試，巖樣試驗(yàn)表明：

（1）自由膨脹率平均為84%，在60~90之間，屬中等膨脹；蒙脫石的含量平均為10.1%，在工作中7~17之間，屬弱膨脹；陽(yáng)離子交換平均182，在170~260之間，屬弱膨脹。

（2）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)圍巖進(jìn)行取芯無(wú)法取得完整的芯樣，可判定巖體單軸搞壓強(qiáng)度小于5mpa；

（3）現(xiàn)場(chǎng)觀察，巖樣具光滑擠壓擦痕，硬塑時(shí)易沿微裂隙面散裂，吸水膨脹、失水干縮，巖樣放入水中很快崩解。綜合分析，DK53+405～DK53+426段為弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，其間充填厚度不等的全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖巖脈。具絲絹光澤，手摸有滑膩感。隧道圍巖巖性具有一般和典型膨脹巖物理力學(xué)特性。

4. 隧道受力分析

圍巖與初支間接觸應(yīng)力及工字鋼拱架應(yīng)力分析

為掌握輝綠巖巖脈分布段圍巖壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時(shí)間、工序變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀況、穩(wěn)定性等進(jìn)行深入分析，特在隧道出口端輝綠巖巖脈分布的典型地段選取測(cè)試斷面對(duì)圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1）測(cè)點(diǎn)布置

初期支護(hù)鋼拱架的應(yīng)力用振弦式應(yīng)變計(jì)量測(cè)，初期支護(hù)背后土壓力用振弦式雙膜土壓力盒進(jìn)行量測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖。測(cè)試斷面布設(shè)在DK53+359.2m，應(yīng)變計(jì)布置在鋼拱架靠近內(nèi)翼板一側(cè)（臨空面）的腹板上，土壓力盒布置在鋼拱架外側(cè)。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

①?gòu)牧繙y(cè)的數(shù)據(jù)看，圍巖與初期支護(hù)間最大接觸應(yīng)力為900.5kPa，出現(xiàn)在右邊墻（40850，面向小里程）；鋼拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂（47819），已達(dá)材料屈服應(yīng)力(fy=360MPa)，鋼拱架拱頂右側(cè)測(cè)點(diǎn)(編號(hào)：30836)的最大應(yīng)力也已達(dá)材料的屈服應(yīng)力，且應(yīng)變?nèi)栽谠鲩L(zhǎng)。

②圍巖與初期支護(hù)間接觸應(yīng)力最大增長(zhǎng)值（29.8kPa）出現(xiàn)在拱頂（30900，面向小里程），增長(zhǎng)速率為29.8kPa/d；鋼拱架應(yīng)力最大增長(zhǎng)值（14.0MPa）出現(xiàn)在右拱腰(18591，面向小里程)，增長(zhǎng)速率為14.0MPa/d。

從應(yīng)力測(cè)試情況看，鋼拱架拱頂處的最大應(yīng)力已達(dá)材料的屈服應(yīng)力。由于鋼材為理想彈塑性材料，應(yīng)力最大點(diǎn)(H型鋼翼板外側(cè))達(dá)到屈服應(yīng)力后，如果圍巖壓力繼續(xù)增長(zhǎng)，屈服區(qū)域?qū)⒅饾u由H型鋼翼板向腹板擴(kuò)展，由拱頂向拱腰擴(kuò)展。從測(cè)試結(jié)果看，鋼拱架屈服區(qū)域正由拱頂向右拱腰擴(kuò)展，鋼拱架拱頂至右拱腰(傳感器編號(hào)：47819～30836段)屈服區(qū)域已經(jīng)連通。測(cè)試結(jié)果表明，隧道右側(cè)圍巖與初期支護(hù)間接觸應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力均較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)右側(cè)圍巖的支護(hù)。

5. 隧道受力分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輝綠巖脈的厚度、分布及產(chǎn)狀、應(yīng)力情況分析，繪制出隧道受力圖。圖中隧道右側(cè)的應(yīng)力是朝向臨空面的，可見(jiàn)隧道的拱部及右側(cè)拱肩、拱腰處在不利的受力位置。

四、隧道塌方處理方案

隧道塌方后，對(duì)DK53+405～DK53+442、DK53+442～DK53+486初支變形侵限段進(jìn)行了換拱處理；對(duì)塌方冒頂段DK53+690-717及DK53+405-426制定了方案進(jìn)行加固，此兩段的塌方加固方案大同小異，這里僅選DK53+405-426一例進(jìn)行闡述。

1.洞外加固措施

針對(duì)塌方情況,采取了“洞內(nèi)加固為主、洞外適當(dāng)加固”的原則。

（1）地表防排水：塌陷坑及周邊一定范圍內(nèi)的地表進(jìn)行平整、遮蓋，塌陷坑周邊設(shè)置50cm寬，30cm深梯形截水溝，防止地表水滲入隧道。

（2）地表壓漿：在地表縱向里程DK53+380～DK53+440長(zhǎng)60m，橫向?qū)?0m范圍打入φ89鋼管，長(zhǎng)度50m（開(kāi)挖輪廓線以上15m采用鋼花管），壓注1：1水泥漿，地表壓漿固結(jié)范圍為塌方段拱部以上15m高度范圍，鋼管間距2.5×2.5m梅花型布置（見(jiàn)圖4-1）。通過(guò)地表壓注水泥漿固結(jié)塌方松散體，改善塌方松散體物理力學(xué)性質(zhì)，確保隧道內(nèi)施工安全和運(yùn)營(yíng)安全。

2.洞內(nèi)加固措施

（1）待隧道內(nèi)塌方穩(wěn)定，在DK53+426～DK53+438段對(duì)塌方體進(jìn)行反壓回填，松碴體底腳采用砂袋堆碼抗滑墻，墻厚2.0m，高2.5m；松碴體表面掛Φ8鋼筋網(wǎng)片噴射C25混凝土厚20cm封閉，再在松碴面打入Φ42小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)4.0m，壓注水泥漿固結(jié)，防止松碴體進(jìn)一步滑動(dòng)。

（2）洞內(nèi)以長(zhǎng)管棚加固為主，小導(dǎo)管加固為輔，對(duì)開(kāi)挖輪廓線以外的松碴體進(jìn)行固結(jié)，在預(yù)加固措施的保護(hù)下進(jìn)行塌方段開(kāi)挖及支護(hù)。

（3）洞內(nèi)長(zhǎng)管棚施工。首先在DK53+425里程拱部180度范圍打設(shè)1環(huán)超前注漿小導(dǎo)管，壓注水泥漿固結(jié)開(kāi)挖輪廓周?chē)缮Ⅲw，以便長(zhǎng)管棚的打設(shè)；其次，在開(kāi)挖輪廓外打設(shè)φ108×9mm長(zhǎng)管棚，加固范圍：縱向?yàn)镈K53+405～DK53+426，環(huán)向?yàn)楣安?20度，鋼管環(huán)向間距中至中為40cm，每環(huán)鋼管長(zhǎng)度約為10m，注漿采用1：1水泥漿。

（4）在長(zhǎng)管棚間套打小導(dǎo)管，壓注1：1水泥漿。

（5）采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行開(kāi)挖，一次進(jìn)尺一榀鋼架間距，邊挖邊護(hù)。

五、穿越膨脹性輝綠巖地段的施工措施

根據(jù)已施工地段監(jiān)控量測(cè)、土工試驗(yàn)情況及應(yīng)力分析，研究了兩種穿越膨脹性輝綠巖地段施工措施：一種為采用雙層鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，先用有柔性的格柵鋼架支護(hù)，釋放一部份應(yīng)力后再用I20鋼架強(qiáng)支護(hù)；另一種為采用大截面的工字鋼架進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)系統(tǒng)錨桿和超前支護(hù)；前種施工方法優(yōu)點(diǎn)是對(duì)施工安全比較有保證，缺點(diǎn)是不容易施工。因此決定采用后一種施工方法施做30米長(zhǎng)的試驗(yàn)段，再推廣應(yīng)用（膨脹性圍巖全長(zhǎng)約210米），隧道的初期支護(hù)、超前支護(hù)、二次襯砌參數(shù)如下：

（1）初期支護(hù)采用HW175型鋼，縱向間距0.6m/榀，提高初期支護(hù)剛度。

（2）采用鋼纖維噴射混凝土支護(hù)。本段屬于軟巖隧道，不允許圍巖有較大的變形，必須采用韌性適度的高強(qiáng)度和高剛度的預(yù)支護(hù)。噴射混凝土摻加鋼纖維是上策，鋼纖維能限制或滯后砼基體裂縫的發(fā)展，具有較高的阻裂效應(yīng)。

（3）系統(tǒng)錨桿采用5m長(zhǎng)中空注漿錨桿，環(huán)縱向間距為0.8m×0.6m，加大對(duì)松動(dòng)圈半徑范圍的加固，形成成拱效應(yīng),隧道右側(cè)受力較大，打設(shè)錨桿時(shí)右側(cè)適當(dāng)加密。

（4）超前支護(hù)采用4.5m長(zhǎng)小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.3m,縱向2.4m/循環(huán)，通過(guò)注漿提高圍巖的抗壓強(qiáng)度，激發(fā)圍巖的自承能力，提高巖石接縫或不連續(xù)處的剪切強(qiáng)度，加固松散巖塊，防止地下水浸泡松動(dòng)圈的圍巖。

（5）二次襯砌厚度由55cm加大為70cm，鋼筋加強(qiáng)，外輪廓采用圓形或接近圓形斷面，內(nèi)輪廓保持原狀不變，改善二襯的受力效果。

（6）鋼架采用H175型鋼，改善受力效果，拱腳處左右側(cè)各設(shè)置2根4m長(zhǎng)的鎖腳錨桿，接腿時(shí)鋼架腳墊鋼板，減小隧道的變形量。

（7）預(yù)留變形量按30cm考慮，開(kāi)挖工法采用三臺(tái)階法，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格按照規(guī)范布點(diǎn)和分析。

（8）A、B單元連接受力較大，噴射混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂、鼓出現(xiàn)象，該處采用直徑較大的連接螺栓，增加剛度。

施工過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行“快挖、快支、快襯”的理念，加強(qiáng)工序管理，仰拱、二襯距掌子面距離不得超過(guò)30m和45m。從監(jiān)控量測(cè)情況來(lái)看，雖然變形量仍然較大，但在初期支護(hù)閉合成環(huán)后，受力結(jié)構(gòu)得到明顯的改善，隧道變形量拱頂下沉由45mm減小為21mm，水平收斂由64mm減小為38mm，且收斂能在較短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，經(jīng)觀察噴射混凝土未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，實(shí)踐證明用上述的支護(hù)措施和施工方法穿越膨脹性輝綠巖地段方案可行，之后，在DK53+247～DK53+372段進(jìn)行推廣應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

在鐵路工程建設(shè)中，隧道發(fā)生塌方，究其原因是多方面的：設(shè)計(jì)方面，因初期地質(zhì)勘察的局限性，不能完全揭露隧址區(qū)地質(zhì)情況，常通過(guò)工程類(lèi)比法確定支護(hù)參數(shù)和施工工藝，預(yù)設(shè)計(jì)支護(hù)存在一定的盲目性。

施工方面，監(jiān)控量測(cè)未做到位，未能正確指導(dǎo)施工；初期支護(hù)成環(huán)、仰拱緊跟滯后，塌方處理不及時(shí)，導(dǎo)致初期支護(hù)受?chē)鷰r形變壓力的能力減弱，沒(méi)能發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。

最后，對(duì)隧道的塌方原因一定要深入進(jìn)行分析，找出塌方的主要原因。在這三次塌方變形發(fā)生過(guò)程中，前兩次分析主要認(rèn)為是施工因素造成的，相關(guān)人員對(duì)地質(zhì)情況的識(shí)別能力有限，對(duì)巖性判別不準(zhǔn)確，沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到輝綠巖的膨脹性所帶來(lái)的危害，所制定的支護(hù)措施偏弱，方案不合理，導(dǎo)致隧道一塌再塌，損失慘重。

[1]劉志剛趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù). 中國(guó)鐵道出版社,2001年12月第1版.

[2]鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè).隧道. 中國(guó)鐵道出版社,1999年10月第2版.

[3]鐵路工程施工技術(shù)指南.客運(yùn)專(zhuān)線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院發(fā)布,2005年12月第1版.

[4]龍廈鐵路施工圖吳坑隧道.中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2007年5月.

[5]劉成禹.吳坑隧道巖性分析資料.福州大學(xué),2009年8月

[6]劉成禹.吳坑隧道圍巖與初支間接觸應(yīng)力及工字鋼拱架應(yīng)力檢測(cè)資料.福州大學(xué),2009年10月