0 引言
塌方是隧道施工中主要的工程灾害之一，具有“高危性、高发性”的特点。2006年8月12日，郑西铁路客运专线秦东隧道进口段发生塌方，一名司机和一名带班人员被埋入洞内，经抢救无效死亡；2008年1月9日，兰青二线杨家店隧道左侧拱脚至拱顶突然发生塌方，2人被塌方体掩埋遇难；2012年7月29日，厦成高速公路雷公山隧道发生拱顶坍塌事故，造成4名作业人员死亡、2人受伤。隧道塌方事故对人们的生命财产安全产生重大损害，造成了不良的社会影响。
隧道塌方是一个亟待解决的重要工程问题，国内外诸多学者及工程技术人员在塌方处置中取得了不错的成果。有关隧道塌方的治理，左清军等针对油坊坪隧道塌方问题，总结出了隧道宏观变形演化历史，提出了跨越断层富水软岩隧道塌方的有效处理措施；李青堂等分析了地质复杂段隧道出现塌方的主要原因及塌方处治机理，将塌方归纳分类，并提出隧道塌方的处治技术；郑文全等以新龙坎隧道塌方体的处理为例，提出隧道塌方长度在15 m以上时，使用超前大管棚进行处理较为安全、妥当；关于隧道塌方成因及现象，李忠武等以阿尔及利亚东西高速公路东标段T1隧道塌方为例，结合数值模拟，分析了此次隧道重大塌方事故的原因；李慎刚等借助于FLAC3D研究注浆后隧道及围岩体开挖时的应力分布规律以及地表沉降情况；Huang等同时采用PFC进行DEM的二维耦合分析方法。将所开发的二维耦合方法应用于分析中国最长区间铁路隧道桐庐山隧道的力学响应。通过与理论方法的比较，数值模拟的位移与不同地应力比情况下的解析方程吻合较好。关于隧道塌方的影响因素研究，汪成兵提出隧道深度、地下水、围岩级别、施工措施是影响隧道坍塌的主要因素，通过模型试验研究了降雨条件对隧道坍塌的影响；Wang等考虑了顶板分层、孔隙水压力、地面超载和支护压力的影响，推导了塌陷土质量和相应塌陷表面重量的上界解；隧道塌方的治理和预防方面，Qiao等通过现场调查和理论计算方法，研究隧道塌方机理，并基于现场监测数据提出塌方区域的处理和评价，基于块体理论，成功地识别了隧道顶部潜在的不稳定块体，提出了“先填后挖”的处理方法；王云龙等分析了板岩隧道的坍塌过程和失稳机理，从勘察，设计和施工阶段总结了防塌经验；陈大庆等、翟强等为评价隧道施工中坍塌风险，确定隧道坍塌风险发生的可能性等级，提出了隧道坍塌风险评价方法。可见，现有隧道塌方机理分析及处置方案的研究较为全面，但大多基于新建隧道，鲜有对于病害隧道进行处治时塌方的相关研究，近年来，一大批运营隧道先后呈现出各种病害，如衬砌裂缝、渗漏水、衬砌腐蚀等。轻则影响行车的舒适性，重则影响隧道运营安全，为避免安全事故的发生，需对隧道中病害严重段进行病害整治，如裂缝修补、二衬拆换甚至同步拆换仰拱等。
隧道病害导致结构自身稳定性不足，不难预见，在病害严重段二衬拆除过程中，松散破碎围岩在施工扰动下，也伴随着发生塌方的风险。本文结合重庆某病害隧道在整治过程中出现塌方实例，查明隧道塌方段地质条件、病害状况等，分析塌方形成机理，探究塌方处置措施，为相似工程病害治理提供参考。
1 工程概况
1.1 地质条件
隧址区地貌受地质构造、地层岩性的控制明显，背斜隆起成山，走向呈北东-南西，隧道至西向东横穿某山脉南段，地形上形成“三山夹两槽”的地貌形态。隧址区出露及埋藏地层主要为二叠系下统至中生界侏罗系中统沙溪庙组一套浅海相、内陆河湖相的碳酸盐岩类和碎屑岩系沉积地层。隧址区岩层产状较陡，地层变化大，核部地层以三叠系为主，两侧翼为侏罗系地层。以泥岩、页岩为主，局部不规律地分布有硬石膏岩、石膏岩。塌方段围岩等级为Ⅴ级。隧址区地下水可分为碳酸盐岩类溶洞水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩孔隙裂隙水等。地下水的富集与分布极不均匀，相互之间水力联系弱，无统一的地下水位面。隧道路面设计标高位于地下水位标高以下。
1.2 隧道病害
自2014年通车以来，隧道内出现了比较严重的混凝土腐蚀、路面变形、渗漏水及衬砌开裂等病害。根据隧道病害状况及潜在隐患，2016年—2017年采用C45防腐蚀混凝土拆换路面变形及衬砌腐蚀严重段，采用环氧砂浆、环氧树脂充填、封闭裂缝和镶嵌“W”钢带及粘贴碳纤维布补强衬砌结构等措施对隧道进行了病害处治。经过病害处治，虽然隧道路面变形等主要病害已得到有效治理，但由于隧址区特殊地质条件等原因，洞内未治理段病害仍在缓慢发展。目前该隧道病害主要表现在衬砌腐蚀、衬砌开裂、衬砌渗水等方面。病害表现形式如表1所示。
表1 重庆某隧道衬砌结构病害
由表1可知，隧道病害发育特征明显，各典型病害均有分布，在多种病害共同作用下，隧道局部段落病害严重，衬砌劣化明显，隧道结构安全系数偏低，病害严重段需进行病害整治工作。
2 隧道衬砌拆除
对二次衬砌安全性不足或存在严重隐患段落的拱墙采用液压墙锯切割法进行拆换，采用C45防腐蚀钢筋混凝土重新浇筑。每6 m设置一个拆换单元，拆除前在拆换段两端采用I20a环向临时钢拱架进行锁定，并采用注浆小导管对二衬背后注浆加固，二衬拆除遵循先支后拆、纵向分段、环向分块的原则进行，每次纵向拆除长度不超过2 m, 待一个拆换单元全部拆除并修复初支后一次性浇筑新二衬混凝土。
3 隧道衬砌塌方
3.1 塌方过程
塌方段二衬拆换当日7:30开始K0+5.00—K0+13.10段病害整治工作。机械凿出宽为60 cm、长为2 m区域后，K0+5.38-K0+8.38段右侧拱顶至拱腰部位初支钢拱架侵限严重，侵限区域面积约33 m2 (纵向为2.9 m, 环向为11.5 m),初期支护钢拱架存在多处变形、断裂、锈蚀，且拱顶存在分段现象，并且右侧拱腰偏上位置的初支存在约40 cm×40 cm的开口，如图1(b)所示。8:40发生第一次溜塌，至10:30持续少量溜塌，如图1(c)所示。10:30-11:10间5 min内塌方量约160 m3,第二次塌方现场如图1(d)所示。11:10—12:30,持续少量溜塌，塌方体逐渐由松散体变为块状。12:30—16:51,还存在持续少量溜塌，塌方体出现较大石块，酥脆，可用手捏碎，塌方体出现含水迹象。塌方后初支表面形成一较大空洞，如图1(e)所示，空洞走向为斜向大桩号方向，目测有5～6 m深。
塌方的形成具有一定的过程，这是由于隧道二衬拆除采用跳槽施工，相邻段未拆除的二衬结构会提供较大的支撑力，并且在长期作用下围岩自身达到了相对稳定的状态，可见，隧道二衬拆除过程中产生的塌方不是瞬时形成的。
图1 塌方段初支缺陷及塌方形成过程
3.2 机理分析
隧道发生塌方是多种不利因素综合作用的结果，复杂恶劣的地质条件是发生塌方的主要内因，施工扰动是引起塌方的直接诱因，雨季施工也是隧道发生塌方的主要原因之一。下面分别就不良地质条件、施工扰动及不利天气因素展开分析。
3.2.1 不良地质条件
K0+5.00—K0+7.68段围岩破碎，为Ⅴ级围岩，穿越地层为三叠系中统巴东组紫红色泥岩、夹灰绿色泥质粉砂岩、薄层状砂岩和泥灰岩。地表受断层F2影响，岩层倒转，层间结合比较差，产状紊乱，倾角13°～73°。主要发育两组裂隙，其产状为：①50°∠81°,②173°∠80°,呈微张-张开状。由第一次塌方堆积物可见初期支护背后围岩呈散体状，一旦失去二衬和初期支护的支护作用加上施工的扰动，极易发生塌方。
除围岩松散破碎外，隧址区地下水包含碳酸盐岩类溶洞水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩孔隙裂隙水。当含水层通过地表露头从外部获得补给后，便沿节理裂隙及岩溶管道系统下渗运移，隧道区内地下水的水平循环带及地下水水位高程高于路面设计标高，并且具有腐蚀性，水质检测结果如表2所示。
由水样检测结果可知，该隧道所处区域地下水中含有较多的硫酸盐类物质，按《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/T 3310-2019)中规定的环境作用等级划分，该隧道处于中等-严重的地下水化学腐蚀环境。
局部位置防水板不完整，在腐蚀性地下水作用下，混凝土遭受严重腐蚀生成的结晶产物堵塞了排水管道，导致地下水难以顺利排出，地下水的聚集，使得地下水位升高，不仅增加了上覆岩层的重量，还削弱了岩体的力学参数，围岩在地下水作用下呈现“结构性弱化”的特征[18],自稳能力降低。此外，腐蚀性的地下水与初期支护接触，腐蚀初期支护结构，随着腐蚀深度的增加，进一步将腐蚀钢拱架，使其力学性能降低，削弱了支护结构的整体承载力。
表2 地下水离子浓度检测结果
3.2.2 施工扰动
二衬拆除后，在破碎围岩的围岩压力及地下水自身重力作用下，原初期支护钢拱架侵限严重，甚至侵入二衬，造成大面积的混凝土衬砌厚度不足，最薄处仅17 cm(如图2(a)所示);此外，钢拱架存在多处变形、断裂、锈蚀，基于以上原因，不得不置换钢拱架，重新施作初期支护。
二衬凿除后，拱顶处初期支护表面存在一较大开口(如图2(b)所示),该处为支护结构的薄弱部位，初期支护与围岩未能形成良好的共同承载体，二衬拆除以及初期支护钢拱架凿除过程中，施工扰动引起破碎围岩从初期支护开口处滑出，表现为少量块碎石土的溜塌，部分块碎石堆积在初期支护背后，并且在拱顶-拱腰位置形成一较大空洞(如图2(c)所示);初期支护结构承载力的不断削弱以及初期支护背后堆积荷载的不断增加，使得荷载值超过初期支护结构的承载能力极限值，本就薄弱的支护结构无法承受堆积荷载产生的压力，支护结构变形开裂，空腔里的松散堆积体滑出，进而牵引更大范围的岩层扰动区域发生坍塌(如图2(d)所示)。
3.2.3 不利天气因素
衬砌结构拆除施工正值隧址区雨季，连下数天暴雨，因塌方段围岩破碎，节理裂隙发育，为地下水提供了渗流通道，大量雨水渗入地层，不仅增加了上覆岩层重量、裂隙水压力升高，并且雨水的浸泡降低了围岩的承载能力，在施工扰动下极易发生塌方。
图2 塌方机理示意图
4 处治措施
隧道塌方处治必须先对塌方原因有正确的认识，进而按照“安全、快速、保质、节约”的原则制定相应的处治方案。目前，国内按照 “稳坍体、管超前、短进尺、强支护、少扰动、勤量测、多循环”的施工原则对塌方进行处治。施工工艺主要有反压回填，喷浆固结、超前大管棚、超前小导管、锚杆施工和换拱等，各工艺按工程施工实际情况灵活应用。重庆某隧道塌方堆积体体量较大，初期支护背后形成一个较大的空腔，在塌方堆积体清除的过程中，若一次性清除堆积体，极易导致二次塌方的发生，若不对空腔进行回填，易导致衬砌结构产生较大变形。
隧道塌方段处治措施如下：对塌方区域进行反填石渣处理，反填区域顶部范围为K0+5.00—K0+7.68,分层施工，每层高1.8 m, 平台宽2 m, 采用20 cm厚C25喷砼封闭顶层坡体，如图3所示。
图3 分台阶施工并喷砼封闭顶层坡体
反填施工过程中预埋2根Φ150钢管，用作泵送混凝土，深入空腔4.5 m以上，同时预埋Φ150钢管排气，深入空腔4 m以上，排气管长度不长于泵送管。如图4所示。
泵送C30混凝土，对塌孔进行填充封闭。泵送混凝土施工过程中发现排气管有浆液流出时停止，如图5所示。
泵送混凝土施工完后，在K0+0.00—K0+7.68段施作ϕ42超前及径向注浆小导管，施工时须清除部分反填石渣，应以渐进原则，边清除边施工，严禁一次性清通，如图6所示。
除塌孔外，K0+0.00—K0+7.68段打设环向ϕ42注浆小导管，按1.2(环)×1.5 m(纵)间距梅花形布置。K0+4.16处拱顶120°范围打设2排ϕ42超前小导管，外插角分别为15°、25°。在每榀钢拱架左右侧起拱线和拱脚位置各打设2根4 m长ϕ42锁脚锚杆，对钢拱架进行固定，如图7所示。注水泥浆，水灰比为0.6∶1,注浆压力控制在0.5 MPa～1 MPa。
挖除K0+5.00-K0+7.68段部分反填料，增设ϕ42超前小导管，纵向间距1 m, 清理初期支护及二衬厚度不足处，确保二衬厚度达到30 cm, 如图8所示。
图4 深入空腔埋设泵送钢管及排气钢管
图5 泵送C30混凝土回填空腔
图6 施作超前及径向注浆小导管并清除部分反填石渣
图7 打设环向注浆小导管及锁脚锚杆
安装I16钢拱架，间距50 cm布置，拱架间铺设ϕ8钢筋网片，按照新建隧道施工工艺，修复K0+5.00—K0+7.68段初支，如图9所示。
初支修复后，从预留管往空腔内吹砂回填，厚度不小于1 m, 作为防止坠块的缓冲层。回填砂之前，将预留排气管外露端头切除，管口用土工布封闭，作为排水管道，同时防止回填砂流失。为尽可能保证吹砂均匀，两根预留泵送管同时进行吹砂，回填砂厚度由预留泵送管和排气管伸入空腔内的高差控制，待泵送管内有较均匀的砂回流时，停止吹砂。吹砂结束后，将预留泵送管外露端头切除，管口填充砂浆封闭。该位置布置四道ϕ50环向软式透水管。如图10所示。
图8 挖除部分反填料并增设超前小导管
图9 安装钢拱架和钢筋网片并修复初支
图10 空腔吹砂回填并布设环向透水管
塌方段空腔回填稳定后，重新施作初支并浇筑二衬。目前，二衬表面未发现明显衬砌变形与衬砌开裂现象，表明塌方处置效果较好。
5 结论
(1)隧道出现衬砌腐蚀、渗漏水、开裂、背后空洞及排水系统堵塞等-病害，病害严重段衬砌劣化明显，隧道结构安全系数偏低，需及时进行病害整治甚至二衬拆换工作。
(2)塌方段地质条件恶劣，围岩松散破碎，地下水位位于隧道路面以上且具有中等严重硫酸盐化学腐蚀性，降低围岩承载能力，衬砌腐蚀又削弱了支护结构的承载能力；施工扰动下初支背后堆积荷载不断增加，支护结构变形开裂，空腔里的松散堆积体滑出，牵引更大范围的岩层扰动区域发生坍塌；暴雨天气下上覆岩层重量增大。多种不利因素共同作用导致隧道发生塌方。
(3)采用分台阶开挖塌方堆积体、喷射混凝土封闭顶层坡体、泵送混凝土回填空腔、布设超前小导管、安装钢拱架以及布设锁脚锚杆等措施清除塌方堆积体并重新施作初支，效果较好，可以为类似工程塌方处理提供借鉴。
摘自《地下空间与工程学报 》