摘要：以安徽省境內(nèi)某隧道工程項(xiàng)目為背景，針對(duì)隧道施工中遇到的塌方冒頂問(wèn)題，從地質(zhì)條件及氣候條件的角度分析其成因，并提出了以管棚支護(hù)加固為核心的處治對(duì)策。通過(guò)選用超前大管棚穿越塌方體，利用管棚注漿加固技術(shù)提升圍巖等級(jí)，形成加固圈，確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載。同時(shí)，在坍塌段進(jìn)行了初期支護(hù)的加固補(bǔ)強(qiáng)，并采用了三臺(tái)階開(kāi)挖工法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖含水率監(jiān)測(cè)和施工監(jiān)控量測(cè)等數(shù)據(jù)成功穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域。后期監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，拱頂下沉和拱腰周邊位移的最大變化速率分別為0.7 mm/d，0.9 mm/d，累計(jì)位移值分別為7.6 mm，8.2 mm。管棚支護(hù)措施有效地控制了圍巖的變形，并為開(kāi)挖作業(yè)提供穩(wěn)定支撐，從而保障了施工的安全性。本研究成果可為類似工程項(xiàng)目提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道工程；管棚支護(hù)；塌方冒頂；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：U455.49"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：2096-2118（2024）06-0088-05

Application of Pipe Shed Support in the Treatment

of Tunnel Collapse and Roof Fall

LIU Jianwen，SUN Long

（No.1 Engineering Co.，Ltd. of CCCC First Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 102205，China）

Abstract：Taking a tunnel project in Anhui Province as the background，aiming at the problem of collapse and roof fall encountered in tunnel construction，this paper analyzes its causes from the perspective of geological conditions and climatic conditions，and puts forward the treatment countermeasures with pipe shed support reinforcement as the core.By selecting advanced large pipe shed to pass through the collapsed body，the pipe shed grouting reinforcement technology is used to improve the surrounding rock grade and form a reinforcement circle to ensure that the reinforcement area of the collapsed roof can withstand the load of the surrounding rock at the top.At the same time，the initial support was reinforced in the collapsed section，and the three-step excavation method was adopted.Combined with the data of on-site surrounding rock moisture content monitoring and construction monitoring measurement，it successfully crosses the complex geological area.The later monitoring and measurement data show that the maximum change rates of the vault subsidence and the displacement around the arch waist are 0.7 mm/d and 0.9 mm/d，respectively， and the cumulative displacement values are 7.6 mm and 8.2 mm，respectively.The pipe shed support measures effectively control the deformation of surrounding rock and provide stable support for excavation，thus ensuring the safety of construction.The research results can provide useful reference for similar projects.

Keywords：tunnel engineering；pipe shed support；collapse and roof fall；construction technique

1 概況

作為現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的一環(huán)，隧道建設(shè)始終處于技術(shù)和方法方面的不斷研究與創(chuàng)新之中。在某些地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖穩(wěn)定性不足的地區(qū)，例如存在柔性破碎層、淺埋地下和水位較高等環(huán)境時(shí)，隧道施工面臨著巨大的困難與挑戰(zhàn)。在這樣的環(huán)境中，圍巖的自我承載能力通常無(wú)法確保施工過(guò)程的安全性，挖掘作業(yè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)事件。施工活動(dòng)對(duì)圍巖產(chǎn)生干擾會(huì)導(dǎo)致其狀態(tài)不斷持續(xù)惡化，這不僅增加了后續(xù)處理的難度，也對(duì)施工的安全性和進(jìn)度造成了不利影響，從而對(duì)隧道整體質(zhì)量和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅[1-2]。

作為一種先進(jìn)的預(yù)支護(hù)方法，管棚超前支護(hù)在隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用。由于其較長(zhǎng)的支護(hù)間距和優(yōu)越的施工安全性，以及配合較快的施工進(jìn)度和較短的工期，該技術(shù)已成為應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工挑戰(zhàn)的重要手段。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)管棚超前支護(hù)系統(tǒng)做了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并在多種復(fù)雜工程環(huán)境下驗(yàn)證了管棚支護(hù)的有效性。部分學(xué)者在進(jìn)行管棚支護(hù)的理論研究時(shí)，重點(diǎn)考慮了軟弱圍巖施工環(huán)境下管棚所具有的棚架效應(yīng)，并根據(jù)管棚直徑進(jìn)行相應(yīng)分類，詳細(xì)探討了管棚加固隧道在開(kāi)挖時(shí)的內(nèi)力變形關(guān)系[3]。此外，還有學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段建立隧道塌方管棚處理的力學(xué)模型，以揭示管棚在防護(hù)圍巖崩塌和監(jiān)控地層變動(dòng)方面所具備的多重功能[4]。

考慮淺埋暗挖隧道管棚的特殊受力機(jī)制，部分學(xué)者建立了多參數(shù)地基梁模型以考慮彈性固定端的特性。研究發(fā)現(xiàn)，在隧道施工過(guò)程中，管棚出現(xiàn)了縱向凹槽狀分布特征，并且隨著開(kāi)挖面持續(xù)推進(jìn)，管棚的受力和變形顯著增加[5-6]。此外，研究還指出，在進(jìn)行隧道挖掘但未及時(shí)進(jìn)行初步支撐階段，管棚面臨著最為嚴(yán)峻的力學(xué)挑戰(zhàn)，因此迅速實(shí)施初步支護(hù)至關(guān)重要[7-8]?；诠芘飶椥曰A(chǔ)梁力學(xué)模型，研究人員還進(jìn)一步分析了初期支護(hù)的延時(shí)效應(yīng)，并對(duì)Winker彈性基礎(chǔ)梁模型進(jìn)行了改進(jìn)，從而構(gòu)建了適用于管棚的Pasternak彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)方程。此改良的模型增強(qiáng)了地基變形的連續(xù)性，考慮了剪切系數(shù)，更加符合實(shí)際施工情形[9]。研究發(fā)現(xiàn)，在施工階段掌子面上方松動(dòng)土體所產(chǎn)生荷載能夠通過(guò)管棚支護(hù)向前傳遞，利用杠桿效應(yīng)達(dá)到控制圍巖變形的目的從而保障開(kāi)挖的安全性[10]。

盡管如此，隧道施工中仍有可能因地質(zhì)勘探不準(zhǔn)確、開(kāi)挖方式不當(dāng)及支護(hù)措施不足等因素而引發(fā)塌方事故。這類事故不僅會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)嚴(yán)重延誤施工進(jìn)度并危及施工安全。因此，對(duì)于塌方原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并根據(jù)實(shí)際情況采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧╋@得尤為重要。本研究以安徽省境內(nèi)某隧道工程項(xiàng)目為背景，針對(duì)塌方冒頂事故，采取了以管棚支護(hù)加固為核心的處理方案。通過(guò)提高圍巖等級(jí)、加固補(bǔ)強(qiáng)坍塌段的初期支護(hù)以及采用三臺(tái)階開(kāi)挖工法等措施，有效減少了對(duì)圍巖的二次擾動(dòng)。利用管棚注漿加固技術(shù)提升圍巖等級(jí)，形成加固圈，確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載，在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域成功穿越。隨后對(duì)隧道斷面進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控量測(cè)，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示圍巖變形量在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了所采用的管棚支護(hù)法在隧道塌方冒頂處理中的有效性。

2 圍巖與管棚支護(hù)變形關(guān)系

隧道的支撐結(jié)構(gòu)包括了圍巖本身的特性與人工建造的支護(hù)構(gòu)件。對(duì)于軟弱圍巖而言，其自我承載能力存在不足，因此，在工程實(shí)施過(guò)程中需要采用適當(dāng)?shù)墓こ讨ёo(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)提供必要約束，以減小圍巖可能發(fā)生的大變形，并減輕圍巖受力。圍巖與支護(hù)系統(tǒng)在變形上相互約束，在受力上互相支撐，以防止冒頂、塌方及顯著變形等風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。因此，提前設(shè)置的支護(hù)措施是確保安全施工的基礎(chǔ)，而初步支護(hù)則是支撐體系的核心，后期加固襯砌則提供額外的安全保障。

超前支護(hù)的實(shí)施能夠有效減少前方破壞的影響，并降低圍巖在大變形階段所面臨的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道初步支護(hù)的安全施作以及后續(xù)開(kāi)挖。超前支護(hù)在周圍巖土體上發(fā)揮重要作用，對(duì)軟弱圍巖的變形控制至關(guān)重要，并貫穿整個(gè)隧道施工過(guò)程。因此，在設(shè)計(jì)超前支護(hù)時(shí)，應(yīng)避免將其視為臨時(shí)性措施，而是應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定其最佳參數(shù)。在外徑為R的環(huán)形塑性區(qū)域內(nèi)，半徑為r的隧道開(kāi)挖空間，所需施加的支撐力為[11]：

P=-ccotφ+［ccotφ+p（1-sinφ）］

（1）

式（1）中：P為支護(hù)體系所能提供的抗壓能力，MPa；p0為圍巖在初始狀態(tài)下所承受的壓力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；c為黏聚力，MPa。若支撐力未能達(dá)到圍巖彈塑性界限所需的臨界支撐力，會(huì)引發(fā)顯著的變形：

u=（psinφ+ccosφ）（2）

式（2）中：u是圍巖變形量，MPa；E是圍巖彈性模量，MPa；v是泊松比。

經(jīng)過(guò)對(duì)地質(zhì)特征的深入分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范、工程案例對(duì)比及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確確定圍巖的最大位移控制值，并與隧道開(kāi)挖引發(fā)的整體變形量進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。管棚支護(hù)技術(shù)作為一種高效的隧道支護(hù)手段，其核心機(jī)理在于：通過(guò)在隧道輪廓線外以小角度插入鋼管，并注漿加固軟弱圍巖，構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)固的加固圈。此加固圈顯著提升了地層的物理特性和承載能力，使得圍巖特征曲線向上移動(dòng)，從而在常規(guī)支護(hù)生效前即能控制地層變形。因此，管棚支護(hù)不僅增強(qiáng)了隧道結(jié)構(gòu)的支援強(qiáng)度，提升了圍巖的承載能力與穩(wěn)定性，還在隧道塌方或冒頂?shù)暮笃谥卫碇邪l(fā)揮了至關(guān)重要的作用，確保了開(kāi)挖和支護(hù)作業(yè)的安全。軟弱圍巖的特征曲線為管棚支護(hù)設(shè)計(jì)的參數(shù)選取提供關(guān)鍵依據(jù)，通過(guò)優(yōu)化管棚參數(shù)，如鋼管直徑、配置間距、長(zhǎng)度、打入仰角、水平搭接長(zhǎng)度、導(dǎo)向墻結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔方法及注漿參數(shù)等，有效降低了圍巖特征線與支護(hù)線交叉點(diǎn)的變形值，并顯著減小了圍巖整體位移，從而降低隧道坍塌和冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

3 塌方冒頂處治案例分析

3.1 工程概況

依托隧道工程項(xiàng)目位于安徽境內(nèi)，采用分離式隧道設(shè)計(jì)方案。隧道右線長(zhǎng)度為1 258 m，起點(diǎn)樁號(hào)為K88+602，終點(diǎn)樁號(hào)為K89+860，最大埋深約為106 m；隧道左線長(zhǎng)度為1 241 m，起點(diǎn)樁號(hào)為ZK88+622，終點(diǎn)樁號(hào)為ZK89+863，最大埋深約為93 m。項(xiàng)目區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)顯著，四季分明。多年平均氣溫為16.1°C，年平均降雨量1 349.3 mm，主要集中在3月—8月。項(xiàng)目區(qū)地表水系屬巢湖流域，主要河流為西河。地下水主要為風(fēng)化帶基巖裂隙水，含水性不均。隧道涌水量預(yù)測(cè)顯示，單向隧洞正常涌水量為741.69 m3/d～1317.35 m3/d。隧址區(qū)地貌單元為沿江丘陵平原地貌，微地貌為低山。地勢(shì)總體特征是北西高、南東低，地面標(biāo)高在60.0 m～150.0 m之間，相對(duì)高差約90.0 m。

隧道塌方冒頂處位于ZK89+610～ZK89+590段，長(zhǎng)度20 m，原設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)中風(fēng)化粗安玢巖地質(zhì)，但根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際揭露情況，該段圍巖級(jí)別變更為V級(jí)，且?guī)r體更為破碎，3月—4月連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致裂隙水更加發(fā)育。2024年4月16日上午，左洞掌子面ZK89+610上臺(tái)階鋼架噴射混凝土施工結(jié)束。下午，根據(jù)圍巖級(jí)別研究的現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果決定采用F5b襯砌類型施工。然而，在后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中，掌子面出現(xiàn)局部坍塌。盡管在4月17日采取了噴射混凝土封閉掌子面等措施，但仍然出現(xiàn)連續(xù)坍塌。4月18日，地表完好無(wú)異常。因4月19日受連續(xù)暴雨影響，洞頂?shù)乇黹_(kāi)始出現(xiàn)凹陷并逐步坍塌，最終形成10 m×10 m漏斗型塌坑（見(jiàn)圖1）。本次塌方冒頂事件由地質(zhì)條件變化及不利氣候條件共同引發(fā)，施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高。同時(shí)，項(xiàng)目位于生態(tài)敏感區(qū)域，環(huán)保要求高，一旦處理不當(dāng)可能引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。

3.2 塌方冒頂處治

針對(duì)塌方冒頂事件，采取了以管棚支護(hù)加固為主的處治對(duì)策。選用I18鋼復(fù)拱+Φ108×6 mm超前大管棚穿越塌方體，利用管棚注漿加固技術(shù)提升圍巖等級(jí)，形成加固圈，確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載，從而保證隧道開(kāi)挖施工安全。對(duì)坍塌段的初期支護(hù)采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施。增設(shè)7榀I18型鋼復(fù)拱，間距80 cm，縱向用Φ22 mm鋼筋連接。選用三臺(tái)階開(kāi)挖工法，并加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。通過(guò)增設(shè)鎖腳錨管等方法以提高拱腳附近圍巖的承載力，控制下沉。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖含水率、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等指導(dǎo)施工，適當(dāng)增大預(yù)留變形量以適應(yīng)圍巖的變化。

3.2.1 復(fù)拱臨時(shí)加固

如圖2所示，從整體來(lái)看，每榀鋼復(fù)拱由5個(gè)構(gòu)件組成，其中拱頂部分有3個(gè)構(gòu)件，每個(gè)部分的長(zhǎng)度為3 901 mm；兩側(cè)各有一個(gè)凹弧，長(zhǎng)3 885 mm。為了確保鋼架的精確性與穩(wěn)定性，每個(gè)鋼架的兩端裝有連接板，并通過(guò)焊接方式以及M27規(guī)格的螺栓進(jìn)行穩(wěn)固的連接，每端需要4套螺栓和螺母。在安裝鋼架時(shí)，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的中線以及水平位置進(jìn)行，允許的安裝尺寸誤差：橫向和高程均為0～+5 cm，垂直度的誤差為±2°。在水泥地面上進(jìn)行拼裝測(cè)試是完成加工后的必要步驟，周圍的拼接容許誤差為±3 cm，且平面波動(dòng)應(yīng)控制在2 cm以內(nèi)。為增強(qiáng)鋼架的穩(wěn)定性，采用Φ22的鋼筋以1 m的環(huán)向間距固定于2榀鋼架之間，并進(jìn)行牢固焊接；在鋼架底部增設(shè)混凝土墊塊或鋼板，以確保其穩(wěn)固地安置在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。

3.2.2 超前大管棚施工

如圖3～圖4所示，前方的大管棚采用管道施工的方法進(jìn)行建設(shè)，使用的鋼管參數(shù)為熱軋無(wú)縫鋼管，直徑為108 mm，壁厚為6 mm，管節(jié)長(zhǎng)度分為2 m和4 m，總共使用了39根。管距：環(huán)間距40 cm，傾角6°～10°。大管棚通過(guò)螺紋連接，螺紋長(zhǎng)度為15 cm，隧道縱向同一橫斷面內(nèi)螺紋長(zhǎng)度不得超過(guò)總長(zhǎng)度的50%，且相鄰鋼管的接頭位置必須保持至少0.5 m的錯(cuò)開(kāi)。管棚的定位依賴已完成的鋼筋混凝土拱作為施工基準(zhǔn)框架，隨后安裝導(dǎo)向管，規(guī)格為127 mm×6 mm，長(zhǎng)度為2 m。在導(dǎo)向管的安裝過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制其圓周間距及傾斜角度，以確保其牢固地焊接于定位鋼架上，從而防止施工時(shí)出現(xiàn)任何位移現(xiàn)象。圖5為超前小導(dǎo)管加工圖，超前導(dǎo)管是通過(guò)熱軋工藝制造而成的無(wú)縫鋼管，直徑為42 mm，壁厚為4 mm，其長(zhǎng)度會(huì)根據(jù)周圍巖層的等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。導(dǎo)管的側(cè)面設(shè)置了注漿孔，孔徑為8 mm，間距為15 cm，以梅花形態(tài)進(jìn)行分布，而在末端的50 cm處則不設(shè)置孔，用作止?jié){段。整個(gè)施工過(guò)程涵蓋了定位測(cè)量、孔位鉆探、鋼管的插入、孔口的密封處理以及小導(dǎo)管的注漿等環(huán)節(jié)。灌漿材料采用1：1水泥灌漿，灌漿壓力控制在0.5 MPa～1.0 MPa。在完成注漿作業(yè)后，需對(duì)注入效果進(jìn)行驗(yàn)收并進(jìn)行管口的封閉，以保障施工的質(zhì)量。

3.2.3 塌方冒頂處治后監(jiān)控量測(cè)

為正確判斷塌方區(qū)處理后圍巖的穩(wěn)定情況，需要進(jìn)行隧道塌方處理段周邊位移和拱頂下沉的監(jiān)控量測(cè)工作。圖6展示了管棚支護(hù)手段處治后的隧道掌子面全斷面和細(xì)節(jié)圖。圖7為拱頂沉降和拱腰收斂位移的累計(jì)變形曲線，橫軸為監(jiān)測(cè)的天數(shù)，縱軸為位移數(shù)值，對(duì)ZK89+610斷面進(jìn)行了40 d的變形監(jiān)測(cè)，拱頂下沉最大變化速率0.7 mm/d，累計(jì)下沉位移值7.6 mm；拱腰周邊位移最大變化速率0.9 mm/d，累計(jì)位移值8.2 mm，均符合規(guī)范要求。拱頂沉降和周邊位移的變形速率均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，未發(fā)生明顯破壞，驗(yàn)證了管棚支護(hù)處治塌方冒頂?shù)挠行浴?/p>

4 結(jié)論

針對(duì)安徽省境內(nèi)某隧道工程項(xiàng)目中遇到的塌方冒頂問(wèn)題，結(jié)合地質(zhì)條件及氣候條件綜合考慮，提出了以管棚支護(hù)加固為核心的處治對(duì)策，并結(jié)合初期支護(hù)復(fù)拱增強(qiáng)等手段，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)手段評(píng)估圍巖變形穩(wěn)定情況。后期監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，管棚支護(hù)在提升圍巖穩(wěn)定性、控制圍巖變形以及保障開(kāi)挖安全性方面發(fā)揮明顯作用。得出以下結(jié)論。

1） 管棚支護(hù)作為一種高效的預(yù)支護(hù)技術(shù)，具有支護(hù)距離長(zhǎng)、工期短等優(yōu)勢(shì)。它是解決隧道施工難題的關(guān)鍵手段。通過(guò)選用適當(dāng)?shù)墓芘飬?shù)和施工工藝，并結(jié)合注漿加固技術(shù)，可以有效提升圍巖等級(jí)并形成加固圈，從而確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載。

2） 在塌方冒頂處治過(guò)程中，對(duì)坍塌段進(jìn)行初期支護(hù)加固補(bǔ)強(qiáng)，并采用鋼復(fù)拱增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體受力。同時(shí)，采用三臺(tái)階開(kāi)挖工法以減少對(duì)圍巖的二次擾動(dòng)，并增設(shè)鎖腳錨管以進(jìn)一步保障施工安全。

3） 處治后，持續(xù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示，拱頂最大下沉速率為0.7 mm/d，拱腰周邊最大位移速率為0.9 mm/d，累計(jì)位移值分別為7.6 mm，8.2 mm。這些數(shù)值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，并且結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。管棚支護(hù)對(duì)于塌方冒頂問(wèn)題的處治效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：劉 巖