公路隧道淺埋軟弱地質(zhì)段塌方冒頂處理技術(shù)

黃 剛, 劉湘君

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概述

成簡(jiǎn)快速路第二標(biāo)段位于成都市龍泉驛區(qū)的柏合鎮(zhèn)、山泉鎮(zhèn)和茶點(diǎn)鎮(zhèn)境內(nèi),穿越龍泉山。龍泉山 2#隧道橫穿龍泉山山脈中段,隧道進(jìn)口位于成都市龍泉驛區(qū)長(zhǎng)松寺墓東北側(cè)溝谷內(nèi),出口位于夏家溝右岸紅花村十三組北側(cè) 100 m附近。該隧道為分離式隧道,左線隧道起點(diǎn) Z K 4+619,終點(diǎn)Z K 6+943,長(zhǎng) 2 324 m。右線隧道起點(diǎn) Y K 4+618,終點(diǎn) Y K 6+938,長(zhǎng) 2 320 m。隧道凈空斷面10.5 m×5.0 m,左側(cè)隧道最大埋深 322 m,右側(cè)隧道最大埋深約 320.6 m。隧道進(jìn)口 ～中部 ～出口的線間距為 17.218 m～26.5 m～13.83 m。隧道進(jìn)、出口為Ⅴ類圍巖,覆蓋層薄。洞身圍巖為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖,主要以泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖為主。

2 隧道工程地質(zhì)情況

(1)隧道進(jìn)口工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)。

隧道進(jìn)口位于蘆溪河右側(cè)支溝內(nèi),該溝谷呈東西向發(fā)育,與路線走向近于一致,地表基巖均裸露,地面坡度為 45°,地表坡面即巖層層理面,巖性為蓬萊鎮(zhèn)組厚層狀中粒砂巖,巖體完整,節(jié)理不發(fā)育,隧道軸線與巖層走向近于垂直,利于邊坡穩(wěn)定。

(2)隧道出口工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)。

隧道出口位于湯家河支溝夏家溝右岸,溝谷由北向東發(fā)育,沿溝谷橫向支溝發(fā)育,位于夏家溝右岸與其右岸支溝交匯處一突出小山脊坡腳附近,洞口附近地表多為坡積土掩蓋,僅小山脊中部見基巖出露。隧道出口位置地表均被坡殘積粘土覆蓋,根據(jù)鉆探揭示,斜坡地段坡殘積粘土層厚0～3 m,坡腳緩坡地帶厚 4～6 m,隧道左側(cè)夏家溝及出口橫向支溝谷內(nèi)分布沖洪積粘土,厚 0～3 m,下伏基巖為侏羅系遂寧組泥質(zhì)砂巖,左線隧道出口地面坡度 15°～25°,右線隧道出口段地面坡度 25°～40°,隧道出口地段巖層傾向夏家溝,傾角 5°～10°,路線右側(cè)存在順層現(xiàn)象,隧道走向與巖層走向呈小角度相交,不利于邊坡穩(wěn)定。

3 塌方經(jīng)過(guò)

2009年7月30日 12∶35,該隧道出口右線Y K 6+918～Y K 6+916上半洞開挖爆破散煙后,約在 12∶35,施工人員準(zhǔn)備進(jìn)洞出渣時(shí)發(fā)現(xiàn)在Y K 6+918～Y K 6+916新爆破成型的洞頂部位有少量塊石掉落,為安全起見,施工人員退至洞口繼續(xù)觀察巖石掉落情況。在 13∶00左右,掉塊加劇并隨之出現(xiàn)大量坍塌,連續(xù)垮塌過(guò)程大約持續(xù)了1.5 min,直至塌方段頂部全部垮塌完,造成 Y K 6+923～6+916段冒頂?？逅斐?Y K 6+923～6+920段初期支護(hù)的 4榀工字鋼折斷或壓彎變形,頂拱部位約 10根管棚被拔出折斷。塌方形成的坑成漏斗狀,在 Y K 6+923～6+916段頂拱形成了一個(gè)約 8 m×8 m的天窗,下部由于渣體掩埋,當(dāng)時(shí)無(wú)法探明具體的垮塌范圍。待處理完成后發(fā)現(xiàn),掌子面約 2 m范圍內(nèi)同樣受冒頂影響成凹形。

4 塌方原因分析

分析后認(rèn)為主要有以下幾方面原因引起塌方:

(1)從天氣情況看,近期長(zhǎng)期下雨,致使巖土含水率飽和,洞口泥巖遇水后軟化,自身穩(wěn)定性下降。

(2)從地質(zhì)情況看,塌方處正好處于土石分界線,可能存在一定的滑移面,且洞口段邊坡主要為泥巖,自穩(wěn)能力差。

(3)從支護(hù)情況看,根據(jù)事故處理后的原始照片,超前大管棚支護(hù)、灌漿效果滿足設(shè)計(jì)要求,但開挖段已有 20 m,已開挖至管棚尾部,且管棚端部處于軟弱圍巖或土體中,無(wú)法承受上部過(guò)大的壓力,同時(shí),對(duì)上次爆破后預(yù)留的鉆孔空間進(jìn)行了素噴支護(hù),而未進(jìn)行型鋼支護(hù),進(jìn)而造成管棚承受壓力過(guò)大。

初步認(rèn)定上述三種原因疊加造成了該段塌方事故的發(fā)生。

5 處理方案比較

針對(duì)該段塌方,項(xiàng)目部先后建議并采取了三個(gè)處理方案。

方案 1。從塌方處上口由上向下按 1∶0.5～1∶0.75的坡度進(jìn)行削坡并與邊坡臨時(shí)支護(hù)同步進(jìn)行,每次削坡高 3 m,立即在成型的邊坡打設(shè) 3 m長(zhǎng)、間排距 1 m(梅花型布置)的自進(jìn)式錨桿,掛φ 8@15 cm×15 cm的掛網(wǎng)鋼筋,然后噴護(hù) 10 cm厚的混凝土;上部臨時(shí)支護(hù)完成后,再進(jìn)行下一層3 m的削坡及相應(yīng)的錨噴支護(hù)施工,直至坍塌坑四周邊坡全部支護(hù)完成。坍塌坑邊坡臨時(shí)支護(hù)完成后,將洞內(nèi)塌方體全部挖除,并將破壞的鋼支撐及管棚全部拆除,然后以 50 cm的間距按照設(shè)計(jì)邊線安設(shè) 18#工字鋼支撐,并用 φ 25鋼筋@1 m將鋼支撐連接成一整體,加固好后,在鋼支撐外緣鋪設(shè) φ 8@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片,沿鋼支撐內(nèi)緣鋪設(shè)模板,進(jìn)行 C 20混凝土模噴支護(hù) 20 cm。待噴混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后,采用 20#工字鋼在噴混凝土上方約 50 cm、空腔體下部設(shè)置縱橫工字鋼梁架,間距為 1 m,然后澆筑1.5 m厚 C 20混凝土;在噴混凝土和澆筑混凝土?xí)r,埋設(shè) 5根排水管至洞內(nèi)。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,對(duì)坍塌坑人工分層進(jìn)行夯實(shí)至原坡面。采用上述方法處理施工完成后,在開挖掌子面進(jìn)行超前支護(hù),具體方法是:重新進(jìn)行管棚施工,管棚長(zhǎng) 15 m,待管棚施工完成后,再按臺(tái)階法進(jìn)行開挖施工,施工按弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的原則進(jìn)行。

上述方案為項(xiàng)目部參加事故分析及方案討論四方會(huì)議時(shí)的建議方案,因未達(dá)成一致,暫未按該方案施工。

方案 2。先用彩條布或防雨布將塌方范圍遮蓋,在塌方體范圍外人工修排水溝,將外部地表水引排至塌方體漏斗空腔體外,待塌方邊坡穩(wěn)定后,對(duì)塌方漏斗空腔體邊坡以及裸露邊坡進(jìn)行 C 20混凝土噴護(hù),厚度為 10 cm。待空腔體封閉完成后,采用小導(dǎo)管管棚超前支護(hù)處理塌方段,具體施工程序?yàn)?

(1)為保障施工人員安全,先對(duì)洞內(nèi)堆積體表面進(jìn)行素噴 C 20混凝土,厚 10 cm,隨后在現(xiàn)有已破壞工字鋼樁號(hào)后退 1～2 m(樁號(hào)約 6+925)處,架立 1榀 I 18工字鋼導(dǎo)向鋼架與原有鋼架聯(lián)結(jié)牢固,鋼架設(shè)為城門洞型,外弧半徑為 6 m,在導(dǎo)向鋼架上進(jìn)行小導(dǎo)管施工,小導(dǎo)管采用 φ 50無(wú)縫鋼花管,長(zhǎng)度為4.5 m,壁厚 3.5 mm,環(huán)向間距20 cm,按拱部 120°范圍布置。具體布置情況見圖1。小導(dǎo)管管壁鉆注漿孔,孔徑為 6～8 mm,孔間距 15 cm,安裝超前小導(dǎo)管并與鋼架連接固定,外插角 15°,小導(dǎo)管與鋼架安裝順序以及小導(dǎo)管外插角根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。采用 Y T-28手風(fēng)鉆鉆孔,用灌漿泵進(jìn)行灌漿作業(yè),灌漿壓力為 2～3 M P a;灌漿材料:水泥漿的水灰比為 0.8∶1。第一排小導(dǎo)管注漿完成后,清理塌方體至導(dǎo)向鋼架 1.6 m處,進(jìn)行第二榀導(dǎo)向鋼架的架設(shè),隨即進(jìn)行第二排小導(dǎo)管施工,施工方法同第一榀。兩環(huán)搭接長(zhǎng)度不小于 2.5 m。

圖2 塌方段小導(dǎo)管橫向布置圖

(2)第二排小導(dǎo)管施工完成后,割除已破壞的頂部大管棚和最近的一榀已破壞的工字鋼拱架,采用機(jī)械清理短距離塌方體后恢復(fù) 1榀已破壞的支護(hù)拱架,并按照設(shè)計(jì)圖紙恢復(fù)初期支護(hù),之后,繼續(xù)采用機(jī)械清理短距離塌方體,割除最近一榀已破壞的工字鋼并恢復(fù)工字鋼拱架,然后進(jìn)行第三排小導(dǎo)管施工。利用已經(jīng)架立好的工字鋼作為導(dǎo)向鋼架進(jìn)行第三排小導(dǎo)管施工,初期支護(hù)工字鋼間距縮小為 40 cm,其余初期支護(hù)按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工。

(3)依此循環(huán)推進(jìn),直至順利通過(guò)塌方地段。采用上述方法施工處理完成后,拆除導(dǎo)向鋼拱架以及占據(jù)二襯斷面的小導(dǎo)管。開挖掌子面,繼續(xù)采用小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù),按照臺(tái)階法進(jìn)行開挖施工,施工采取弱爆破、短進(jìn)尺、初期支護(hù)緊跟作業(yè)面的方式。

該方案為四方會(huì)議后的修正方案。8月1～3日,按該方案在組織材料進(jìn)場(chǎng)和人員施工時(shí),因初期支護(hù)中大管棚及工字鋼等結(jié)構(gòu)物密布,且塌方體為松散堆積物和強(qiáng)風(fēng)化泥巖混合體,導(dǎo)致鉆孔及小導(dǎo)管跟進(jìn)等工序進(jìn)行的很困難,致使小導(dǎo)管不能達(dá)到預(yù)期效果,從而停止了該方案的實(shí)施。

方案 3。先用架管、鐵絲、彩條布或防雨布對(duì)塌方范圍進(jìn)行遮蓋,在塌方體范圍外用人工修排水溝,將外部地表水引排至塌方體漏斗空腔體外。待塌方邊坡基本穩(wěn)定后,采用人工從上至下清理塌方漏斗空腔體邊坡以及裸露邊坡的危石及松散體,隨后,對(duì)不穩(wěn)定部分采用錨噴網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。在人工清理、順坡施工時(shí)派專職安全員 24 h觀測(cè)及監(jiān)督邊坡變化情況。待坍塌邊坡危險(xiǎn)排除后,將洞內(nèi)塌方體全部挖除,并將破壞的鋼支撐及管棚全部拆除,然后以 40 cm的間距按照設(shè)計(jì)邊線安設(shè) 20#工字鋼支撐,并用∠63 mm×5 mm等邊角鋼剪刀撐將鋼支撐連接成一整體,工字鋼底部采用混凝土找平,用槽鋼通條布置以增加底部基礎(chǔ)承載力。另外,每榀拱架增加4根 φ 28鎖腳錨桿,長(zhǎng)度按照設(shè)計(jì)圖紙長(zhǎng)度保持不變,在鋼支撐外緣鋪設(shè) φ 8@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片,沿鋼支撐內(nèi)緣鋪設(shè)模板,進(jìn)行 C 20混凝土模噴支護(hù) 24 cm。待噴混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后,采用 20#工字鋼在噴混凝土上方約 30 cm、空腔體下部設(shè)置縱橫工字鋼梁架,間距為 1 m,兩端頭緊靠?jī)蓚?cè)巖體,并用φ 28砂漿錨桿錨入巖體并與工字鋼連接,巖體錨入深度為3.5 m,與工字鋼焊接聯(lián)成整體,焊接長(zhǎng)度為 0.5 m,然后澆筑 1.5 m厚 C 20混凝土,混凝土采用強(qiáng)制性攪拌機(jī)攪拌,采用混凝土輸送泵入倉(cāng)澆筑。在噴混凝土和澆筑混凝土?xí)r,縱向設(shè)置一排 φ 50鋼管作為排水孔,排距為 1 m,L=2 m,與二襯時(shí)的排水管相結(jié)合。按照上述方法處理施工完成后,將掌子面破壞的大管棚進(jìn)行割除,在開挖掌子面采用小導(dǎo)管超前支護(hù),采用臺(tái)階法開挖施工,施工時(shí)采取弱爆破、短進(jìn)尺、支護(hù)緊跟的方式。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度、開挖一段距離后,將防雨棚揭開,采用卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝提升軌道,利用洞渣對(duì)空腔體回填,人工分層進(jìn)行夯實(shí)至原坡面,隨后采用錨噴網(wǎng)進(jìn)行整面封閉,錨桿為 φ 22砂漿錨桿,L=2.5 m,鋼筋網(wǎng) φ 8@20 cm×20 cm,混凝土標(biāo)號(hào)為C20,厚度為 15 cm,具體布置情況見圖2、3。

圖2 塌方段處理橫向布置示意圖

圖3 塌方段處理縱向布置示意圖

從 8月4日起,項(xiàng)目部按第三套方案組織施工。8月4～5日,完成了冒頂漏斗范圍內(nèi)的支護(hù),8月6～7日,完成了洞內(nèi)塌方渣料的出渣,8月8～15日,完成了該段邊頂拱的襯砌。完成該段處理共計(jì)用時(shí) 12 d。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于公路隧洞淺埋軟弱地質(zhì)段冒頂,在塌方量不大、小導(dǎo)管成孔比較困難的情況下,采用先支護(hù)冒頂邊坡,后出渣,再支護(hù)塌方段邊頂拱并進(jìn)行回填的方法是可行的,具有一定的借鑒意義。