隧道圍巖差異性風(fēng)化地段施工塌方原因及處治方法

徐治中

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 問題的提出

近幾年來,隨著高速鐵路的建設(shè),大斷面山嶺隧道的建設(shè)規(guī)模越來越大,由于受各種因素限制,往往隧道不能做到大面積高密度的勘探,導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工人員對(duì)隧道的地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)不透徹,施工時(shí)所遇到的地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)采用的地質(zhì)情況不完全相吻合,再加上有時(shí)施工方法不當(dāng),所以塌方就成為隧道施工中常遇到的工程事故之一。眾所周知,導(dǎo)致隧道塌方的因素有多種,概括起來主要有：自然因素,主要是地質(zhì)情況的不確定性因素,即地層狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)、地下水變化等；另外就是人為因素,主要是對(duì)新奧法理論認(rèn)識(shí)不足；施工方法和措施不當(dāng)；操作工藝欠佳等。一旦發(fā)生塌方,往往會(huì)給施工帶來更大困難,延誤工期和造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)目前文獻(xiàn)報(bào)道的隧道塌方多是在洞身圍巖較差或洞身圍巖整體較差,僅局部較好,或洞身圍巖一側(cè)較好,一側(cè)較差,這樣的圍巖情況往往導(dǎo)致隧道塌方從掌子面沿隧道走向向前方或掌子面后方形成一個(gè)由幾米到幾十米的半橢圓狀塌腔。但有時(shí)由于圍巖所含巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及節(jié)理狀況不同,抗風(fēng)化能力不一致,形成差異風(fēng)化,一般拱頂圍巖自承能力較差,隧道塌方易在隧道正上方形成一個(gè)近似圓錐形的塌腔,結(jié)合盤道嶺隧道進(jìn)口段施工期間塌方情況,探討形成這種塌腔的塌方原因,提出處治該種塌腔的隧道塌方方案。以為同類工程提供寶貴的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。

2 工程背景

盤道嶺隧道為某城際鐵路中最長(zhǎng)的隧道,隧道全長(zhǎng)1 352 m,進(jìn)口里程DK49+038,出口里程DK50+390。隧址區(qū)為低山丘陵區(qū),植被發(fā)育,林木茂密,進(jìn)出口段各400 m左右埋深較淺,10～70 m,山體坡度較緩。

隧道按時(shí)速250 km設(shè)計(jì),隧道斷面形式為單心圓,內(nèi)輪廓最大寬度為12.8 m,初期支護(hù)采用錨噴網(wǎng)+鋼支撐,必要時(shí)采取小導(dǎo)管等超前支護(hù),襯砌采用曲墻復(fù)合式襯砌形式,采用模筑鋼筋混凝土。

2.1 地質(zhì)狀況

隧道塌方段所在區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)工程有影響的構(gòu)造：是隧道進(jìn)口端IDK49+420處存在一節(jié)理裂隙破碎帶：據(jù)鉆孔揭示破碎帶內(nèi)安山巖節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖芯破碎,采取率極低,多呈10～20 mm角礫,局部巖芯手可掰碎,并含有基巖裂隙水,對(duì)工程影響較大。

該段范圍內(nèi)地層為上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土,主要分布于地表,厚0.6～4.5 m,硬塑,土質(zhì)不均勻,含角礫及碎石,表層0.3～0.6 m厚多為種植土,含植物根系。粉質(zhì)黏土層下主要為粗、細(xì)角礫土,厚5～7 m,棱角狀～次棱角狀,一般粒徑2～60 mm,占60%～85%,最大粒徑200～300 mm,局部地段夾有厚約1 m的粉質(zhì)黏土層,潮濕～飽和,密實(shí)。地層下伏基巖為二疊系上統(tǒng)安山巖,灰褐色,灰綠色,弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化。巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育～發(fā)育,巖體完整性較差,巖芯多呈角礫狀、碎石狀,偶見花崗巖脈。以上可見洞身段圍巖差異性風(fēng)化嚴(yán)重。

2.2 施工方案

塌方區(qū)處于隧道進(jìn)口段,埋深約24 m,設(shè)計(jì)該段隧道為Ⅳ級(jí)圍巖,最大開挖寬度14.2 m,按新奧法原理設(shè)計(jì)施工,采用上、中、下3個(gè)臺(tái)階開挖(上臺(tái)階高約3.8 m,中臺(tái)階高約4.5 m,下臺(tái)階高約3.6 m),光面爆破,機(jī)械無軌運(yùn)輸出砟。初期支護(hù)以錨噴網(wǎng)支護(hù)為主,并輔以18號(hào)工字鋼架支撐,1榀/m；一般采用錨桿超前支護(hù),對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖的局部破碎地段使用超前小導(dǎo)管支護(hù)。二次襯砌采用全斷面模板臺(tái)車一次性整體澆筑。

2.3 塌方情況

當(dāng)隧道進(jìn)口掘進(jìn)到里程IDK49+327時(shí),上午9：00放炮,爆破段落IDK49+327～331.4,12：00開始出砟,出砟后0.5 h掌子面拱頂左側(cè)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,伴隨有塊石、角粒狀碎石土掉落,到下午1：00已出現(xiàn)3～4 m3的空洞。由于掉砟持續(xù)進(jìn)行,施工人員未能進(jìn)行塌方處理,到第2天上午,從IDK49+327斷面可以看塌下的洞砟基本已填滿洞身；塌方體左側(cè)有小股水滲出,從洞側(cè)挖開小塊塌方體,向洞頂看,塌腔呈圓錐形,塌方最高點(diǎn)在洞頂開挖線以上約8 m。初步推測(cè)塌方處的埋深(距坍塌洞輪廓線)約16 m。塌方區(qū)示意如圖1所示。

圖1 塌方段縱斷面示意

3 塌方原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘測(cè)和分析,盤道嶺隧道塌方主要有以下3個(gè)方面的原因。

(1)地層原因

隧道在IDK49+393～I(xiàn)DK49+500段穿過一節(jié)理裂隙破碎帶,受破碎帶影響,拱頂以上1 m范圍為厚層安山巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,其上為第四系粗細(xì)角粒土。

(2)地下水原因

施工區(qū)段地下水為基巖裂隙水,由于該處地形處于山洼地帶,為地下水匯集地帶,該處地層中地下水集中豐富,形成了一個(gè)水囊,削弱了土顆粒之間的粘結(jié)力,使巖層自承拱效應(yīng)減弱。

(3)施工原因

沒有根據(jù)該段圍巖實(shí)際情況及時(shí)變更支護(hù)形式,超前小導(dǎo)管注漿量不足；另外開挖步距太長(zhǎng),爆破振動(dòng)對(duì)巖層擾動(dòng)太大,施工工序不緊湊,上下臺(tái)階拉距過長(zhǎng),爆破出砟后沒有及時(shí)做初期支護(hù),未及時(shí)對(duì)拱部進(jìn)行支撐,造成圍巖松動(dòng)圈過大,形成較大松散壓力,從而造成失穩(wěn)。

4 塌方處理方案

隧道塌方段雖然出現(xiàn)大面積的塌方,但塌方段空腔頂埋深仍有16 m,經(jīng)地表觀察,塌方段地表未出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象,因此在確保施工人員安全的前提下,可以通過增強(qiáng)塌方區(qū)圍巖支撐結(jié)構(gòu)的方式,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,以達(dá)到安全通過塌方區(qū)的目的。塌方區(qū)隧道處理分為以下步驟。

4.1 地表處理

(1)仔細(xì)檢查塌方處山體地表是否出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象,同時(shí),在地表埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),加強(qiáng)觀測(cè)。如出現(xiàn)塌陷或裂縫,應(yīng)及時(shí)噴射混凝土,封閉地表裂縫,防止地表水滲入。塌方里程相應(yīng)的地表位置采用圍欄進(jìn)行保護(hù),以防意外。

(2)在塌陷處沿地表走向,設(shè)置50 cm×50 cm矩形截水溝,防止地表水匯入塌方區(qū)。

4.2 洞內(nèi)影響段處理

(1)塌方加固處理段為IDK49+327～I(xiàn)DK49+337。IDK49+317～I(xiàn)DK49+327內(nèi)表面施作臨時(shí)工字鋼支撐(18號(hào)工字鋼),間距2榀/m,因其已侵入二襯界限,待塌方處理完畢后將其拆除。

(2)錨桿支護(hù)

對(duì)塌方附近未坍塌部分,及時(shí)采用錨桿支護(hù)的方法進(jìn)行加固(徑向增加25號(hào)中空錨桿,長(zhǎng)度6 m,縱橫間距為0.75 m×0.75 m)，以防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大。

(3)注漿加固

靠近塌體5 m的范圍內(nèi)徑向打入φ42 mm×5 mm的注漿小導(dǎo)管,導(dǎo)管長(zhǎng)7.0 m,環(huán)向間距100 cm,縱向間距100 cm(梅花形布置),以加固塌方段,確保塌體施工安全。

導(dǎo)管注漿體配合比：水∶水泥∶砂=1∶2∶1.86,注漿壓力0.8～2.5 MPa,注漿壓力應(yīng)該逐漸加大,當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)再注20 min,注漿長(zhǎng)度每循環(huán)4.0 m,注漿擴(kuò)散半徑1.5 m,注漿按自下而上最后注拱部以上的順序進(jìn)行。注漿厚度應(yīng)保證洞內(nèi)圍巖從設(shè)計(jì)拱頂高程以上3.0 m的松散體全部固結(jié)。小導(dǎo)管尾端和增設(shè)的臨時(shí)鋼拱架焊接牢固。

4.3 塌方段處理

塌方處理采用環(huán)形開挖留核心土法進(jìn)行處理,具體施工工藝如下。

(1)將掌子面注漿封閉。對(duì)塌方掌子面噴C25混凝土防護(hù),噴射厚度20 cm。對(duì)塌方體按1 m×1 m打入φ42 mm小導(dǎo)管,打入深度2 m,對(duì)掌子面進(jìn)行注漿封閉。漿液采用水灰比為1∶1～1∶0.6的水泥漿。注漿壓力為0.2～0.5 MPa。

(2)對(duì)塌方體采用雙排φ42 mm的超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù),小導(dǎo)管傾角分別采用10°和30°,長(zhǎng)度4.5 m,每排環(huán)向間距40 cm,兩種不同傾角小導(dǎo)管縱向間距0.5 m(一榀鋼架),同一傾角的小導(dǎo)管縱向間距2 m(4榀鋼架),小導(dǎo)管環(huán)向范圍為拱部120°。當(dāng)施工塌方位置拱頂部分發(fā)現(xiàn)松散軟弱層時(shí),將該位置系統(tǒng)錨桿改為φ42 mm徑向注漿錨管加固地層。

超前小導(dǎo)管注漿材料根據(jù)水量大小選擇采用水泥-水玻璃雙液漿,具體措施及雙液漿的配合比等根據(jù)開挖后實(shí)際情況試驗(yàn)確定。

(3)注漿結(jié)束12 h后,對(duì)坍方體施工,采用環(huán)形開挖留核心土法,支護(hù)參數(shù)調(diào)整為：初期支護(hù)采用I20b型鋼鋼架支護(hù),鋼架的落腳處應(yīng)采用鎖腳錨管進(jìn)行加固,必要時(shí)可采用墊加鋼板等措施使鋼拱架基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)。隨挖隨支,間距0.5 m/榀,拱架外側(cè)設(shè)2層鋼筋網(wǎng)片,鋼架與鋼架之間拱部采用小導(dǎo)管焊接為一體,然后分層噴混凝土,噴混凝土至50 cm,同時(shí)預(yù)留注漿管。

(4)以此為底板,通過預(yù)留的注漿管注入C25混凝土,形成1.5 m厚的素混凝土拱圈,使拱部形成一個(gè)安全的護(hù)拱,然后在護(hù)拱的防護(hù)下,安全地開挖塌方體核心土。循環(huán)施工直至塌方砟體清除完畢。

(5)洞內(nèi)塌方段落通過后,塌方段二次襯砌由原來的50 cm加厚至55 cm,采用鋼筋混凝土襯砌,二次襯砌可采用簡(jiǎn)易臺(tái)車及時(shí)進(jìn)行澆筑,每次灌注長(zhǎng)度為4.0 m。

(6)開挖前施工單位應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì),并準(zhǔn)備足夠的備用材料,如沙袋、型鋼支撐、注漿設(shè)備、抽水設(shè)備等,確保安全。

(7)塌方處理完畢后,按圍巖加強(qiáng)段襯砌的開挖和支護(hù)方式向前掘進(jìn),并按設(shè)計(jì)要求施工超前支護(hù)。

(8)對(duì)于塌方段前方開挖時(shí)應(yīng)縮短開挖進(jìn)尺,嚴(yán)格控制用藥量,遵循短進(jìn)尺、弱爆破的施工原則,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)圍巖監(jiān)控,控制變形,嚴(yán)格控制工字鋼的焊接質(zhì)量和安裝精度,確保施工安全。

(9)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)工作,量測(cè)頻率每天2次以上,發(fā)現(xiàn)異常,應(yīng)引起足夠重視,必要時(shí),上報(bào)主管部門,并做好應(yīng)急準(zhǔn)備,以確保安全。當(dāng)開挖施工和初支通過該段后,可根據(jù)量測(cè)結(jié)果,適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)頻次。

(10)完善隧道的監(jiān)控量測(cè)工作,增加對(duì)塌方段的工字鋼的應(yīng)力、應(yīng)變、及地表沉降情況的量測(cè),以指導(dǎo)施工,確保施工安全。

(11)在地表鉆φ89 mm的孔到塌腔,對(duì)塌腔吹沙進(jìn)行回填。以防日后地表沉陷。

5 監(jiān)控量測(cè)

為了保證塌方處理的安全順利進(jìn)行,成立專門的塌方處理監(jiān)控量測(cè)組,加強(qiáng)并完善監(jiān)控量測(cè)工作,具體方案如下。

(1) 地表量測(cè)

①定時(shí)觀察塌方地表的異常情況,如塌陷、裂縫等,做好記錄及時(shí)反饋信息,頻率：1～2次/d；

②地表下沉 根據(jù)地表實(shí)況選擇基準(zhǔn)點(diǎn)并設(shè)置3～5處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地表沉降量測(cè),并記錄、分析數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)險(xiǎn)情。

(2)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)

①洞內(nèi)觀察 加強(qiáng)洞內(nèi)照明,并派專人輪流24 h進(jìn)行險(xiǎn)情觀察,觀察圍巖及支護(hù)的異常情況,如：塌腔落石、圍巖裂隙擴(kuò)大、初噴混凝土開裂等,做好安全記錄；

②內(nèi)空收斂位移量測(cè) 在塌方區(qū)及影響段(K10+450～K10+470),加密測(cè)點(diǎn),每5 m設(shè)一測(cè)點(diǎn),進(jìn)行拱頂下沉、周邊位移收斂的量測(cè),頻率1～2次/d,記錄并及時(shí)做好數(shù)據(jù)分析,反饋信息,指導(dǎo)施工；

③圍巖內(nèi)部位移、初支混凝土應(yīng)力量測(cè) 在塌方影響段K10+455斷面增加圍巖內(nèi)部位移和初噴混凝土應(yīng)力量測(cè),在塌方段K10+440斷面布設(shè)加強(qiáng)支護(hù)拱的應(yīng)力量測(cè),在塌方處理期間測(cè)量頻率1～2次/d,塌方處理完成后按規(guī)范進(jìn)行跟蹤量測(cè)。

6 監(jiān)控分析結(jié)果

從坍塌至塌方處理結(jié)束,地表沒有出現(xiàn)裂縫、沉降等異?，F(xiàn)象,地表沉降量所測(cè)點(diǎn)的總沉降量最大值為11 mm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許沉降量。塌方處理期間洞內(nèi)觀察圍巖較穩(wěn)定沒有發(fā)現(xiàn)塌腔內(nèi)有大的落石、圍巖裂隙擴(kuò)大、初噴混凝土開裂等現(xiàn)象。塌方及影響段各量測(cè)斷面拱頂下沉量最大值為23.8 mm,周邊收斂量累計(jì)最大值為16.5 mm,均出現(xiàn)在塌方段,小于設(shè)計(jì)安全允許值。通過圍巖內(nèi)部位移量測(cè)數(shù)據(jù)分析判斷圍巖松動(dòng)圈為4 m,影響段補(bǔ)打6 m錨桿,用7 m小導(dǎo)管注漿處理是安全合理的。塌方影響段的初支均為壓應(yīng)力,最大壓應(yīng)力313.54 kPa,出現(xiàn)在左拱腳處。

7 處理效果及評(píng)價(jià)

由于塌方時(shí)間較久,塌方段圍巖處于相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài),且所形成的自然拱具有一定的自穩(wěn)承載力,本次塌方處理充分發(fā)揮了圍巖的自承能力,并且在塌腔下施做了安全棚架,在安全棚架下循環(huán)作業(yè),保障了施工安全,塌方處理比較順利,沒有出現(xiàn)二次塌方或較大落石現(xiàn)象。從監(jiān)控分析可以看出,處理方法是合理、安全、有效的。在塌方處理后一段時(shí)間內(nèi),對(duì)塌方段進(jìn)行跟蹤監(jiān)控量測(cè),坍方段處理完后沒有發(fā)生任何有害變形、下沉、開裂等現(xiàn)象,應(yīng)力已經(jīng)趨于穩(wěn)定,說明圍巖和結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài),完全達(dá)到了預(yù)期“安全、穩(wěn)妥、便捷、保質(zhì)、經(jīng)濟(jì)”的目的,處理方法安全,可靠度較高。

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