玉希莫勒蓋隧道塌方分析及治理

炊鵬飛,李 輝,張宏剛,孫錦家

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安710055;2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院,陜西西安 710048;3.陜西元?jiǎng)?chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司,陜西西安 710075)

0 引 言

我國是一個(gè)多山的國家[1],為縮短交通里程和提高公路等級,山區(qū)公路建設(shè)需要修建大量隧道,而隧道工程所遇到的地質(zhì)條件千變?nèi)f化,圍巖與支護(hù)相互作用十分復(fù)雜,特別是隧道穿越軟弱地質(zhì)層部分。因此,監(jiān)控量測對于隧道工程設(shè)計(jì)施工顯得尤為重要。隧道塌方事故在隧道修筑過程中頻繁出現(xiàn),隧道穿過斷層等軟弱地質(zhì)層時(shí)尤甚,國內(nèi)一些專家學(xué)者在這方面做了大量的研究[2～4]。及時(shí)準(zhǔn)確的分析隧道塌方原因,提出合理的施工方法,對隧道的后續(xù)施工和我國隧道施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)顯得尤為重要。

1 工程概況

玉希莫勒蓋隧道位于新疆G217線上,全長1 943 m。G217線是一條溝通南北疆的大通道,是新疆“二縱三橫”公路主骨架中的一縱,同時(shí)又是國家國防公路網(wǎng)絡(luò)中的一條重要組成路線,在新疆公路網(wǎng)中占據(jù)著最重要的地位。而其中喬爾瑪至那拉堤段需翻越天山玉希莫勒蓋達(dá)坂,是其中重要的一段。為使車輛安全運(yùn)行,同時(shí)縮短交通里程,修建了玉希莫勒蓋隧道。隧道進(jìn)出口里程K722+095～K724+038。隧道進(jìn)口高程約為3 200m,出口高程約為3 230 m,隧道在出口段穿越斷層,斷層分布在玉希莫勒蓋達(dá)坂頂部偏南,長度大于60 km,斷層總體走向N49°W,傾向 NE,局部略有曲折,傾角80°～85°,與線路在K723+750(設(shè)計(jì)樁號)處斜交,斷層破碎帶寬度150 m～200 m,其主要為因強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓變質(zhì)作用形成的綠泥石片巖及絹云母片巖,巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=178.5。隧道洞身于K723+600～K724+038通過該斷層破碎帶,受斷裂構(gòu)造影響,圍巖巖體極為破碎,易產(chǎn)生透水、坍塌等不良地質(zhì)問題。

隧道斷層帶最初設(shè)計(jì)支護(hù)方式參見表1。

隧道穿越斷層及其破碎帶部分采用三臺階超短臺階法施工,上、中臺階長5m,仰拱距下臺階10 m～15 m,二次襯砌距仰拱端頭不大于50 m,各施工工序間距如圖1所示。

表1 隧道斷層帶支護(hù)參數(shù)

圖1 斷層帶施工工序

2 監(jiān)控量測點(diǎn)布設(shè)情況及量測結(jié)果

2.1 監(jiān)控量測點(diǎn)的布設(shè)

量測點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)盡快進(jìn)行[5,6],以盡量及早獲得靠近推進(jìn)工作面的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),一般規(guī)定,應(yīng)測項(xiàng)目測點(diǎn)的初讀數(shù),應(yīng)在爆破后24 h內(nèi),并在下一循環(huán)爆破前取得。量測初始值時(shí),測點(diǎn)位置距離開挖工作面距離不應(yīng)超過2 m,實(shí)際上有的測點(diǎn)已經(jīng)安設(shè)在距離開挖掌子面0.5 m左右的斷面上(拱頂沉降測點(diǎn)、凈空位移測點(diǎn)一般焊接在拱架上),觀測效果更佳,但需加強(qiáng)測點(diǎn)保護(hù)。

在隧道出口端斷層帶沿隧道縱向每隔5 m布置測點(diǎn)分別對初次支護(hù)拱頂下沉、凈空位移(拱腳水平收斂及墻腰水平收斂和二次襯砌的收斂)等進(jìn)行量測。監(jiān)測儀器分別使用DSZ2水準(zhǔn)儀(配測微器)和JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì),測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

2.2 量測結(jié)果

拱頂沉降和周邊收斂是圍巖及支護(hù)應(yīng)力形態(tài)變化最直觀的反映,能為地下洞室穩(wěn)定性提供可靠直接的信息,且易測取[7]。

本文主要對塌方段K723+911～K723+919之間的K723+915橫斷面上所布監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果予以研究。K723+915斷面監(jiān)測結(jié)果見表2,監(jiān)測項(xiàng)目曲線如圖3和圖4所示。

表2 K723+915斷面拱頂沉降和拱腳水平收斂(2-3)實(shí)測值

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析及信息反饋

3.1 拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從圖3、圖4可以看出,量測第8 d～9 d出現(xiàn)沉降速率增大的情況,沉降速率均值超過了10 mm/d,說明沉降不正常,需要對支護(hù)結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)。通過采取加長超前小導(dǎo)管、中空注漿錨桿的長度,以及豎立臨時(shí)中隔墻(工字鋼)支撐的方法,從而使累計(jì)沉降曲線和沉降速率曲線回歸正常變化方式。而從第11 d開始,沉降速率又迅速增大。在量測的第13 d時(shí),沉降速率突然增大為33 mm/d,累積沉降值達(dá)到121 mm,是預(yù)留變形量的4倍,從而使車輛建筑界限達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 K723+915拱頂沉降和水平收斂累計(jì)時(shí)程曲線

3.2 周邊收斂監(jiān)測結(jié)果分析

從圖3、圖4可以看出,拱腳水平收斂量測數(shù)據(jù)變化情況和拱頂沉降相似,收斂速率也在量測的第10 d出現(xiàn)速率大于10 mm/d的情況。只不過在采取支護(hù)加強(qiáng)措施后累計(jì)水平收斂值仍然變化較大,收斂速率在加強(qiáng)支護(hù)后的2 d出現(xiàn)較小的下降,但收斂速率最小也有6.1 mm/d,而從第 11 d又繼續(xù)迅速增長。量測的第14d速率增大到31.01 mm/d,累積收斂值達(dá)到128.93 mm。

圖4 K723+915拱頂沉降和水平收斂速率曲線

3.3 綜合分析及塌方過程描述

4 塌方原因分析

7月29日早晨9點(diǎn)鐘塌方處出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象,圍巖碎屑伴隨著水流一起擁下來。在塌方處理過程中發(fā)現(xiàn)隧道上方右側(cè)的空洞區(qū)面積遠(yuǎn)大于左側(cè),同時(shí)測量數(shù)據(jù)顯示隧道右側(cè)(1-3)收斂值為負(fù),說明隧道右側(cè)的測點(diǎn)沉降值相對拱頂沉降值要大,說明存在偏壓。綜合考慮隧道塌方的原因,主要從以下幾個(gè)方面來分析:

(1)巖石性質(zhì)因素。該段是斷層破碎帶,主要為綠泥石片巖及絹云母片巖,通常力學(xué)強(qiáng)度低、松散、整體性差、遇水軟化、崩解等。

(2)水的影響。在無地下水的情況下,隧道通過斷層破碎帶時(shí)圍巖的穩(wěn)定性總是較好的或危害比較輕微且易于克服的,當(dāng)存在地下水時(shí),情況就要復(fù)雜的多。而該斷層屬于中等富水?dāng)鄬?單位洞身涌水量為16.42 m3/d。地下水可產(chǎn)生三方面的作用:帶走細(xì)小顆粒、軟化結(jié)構(gòu)面、產(chǎn)生空隙水壓力,這些作用可使圍巖由局部變形失穩(wěn)發(fā)展到整體失穩(wěn)。此外,頻繁降雨是塌方的誘因,平均每3 d就有一次降雨,降雨次數(shù)多且時(shí)間間隔短。雨水的入侵導(dǎo)致了圍巖的重量增加,巖體間的膠結(jié)性降低,從而使強(qiáng)度和自穩(wěn)能力都降低,加劇了隧洞圍巖的失穩(wěn)和坍塌。

(3)施工過程對隧洞穩(wěn)定性的影響。隧道施工中斷層破碎帶段的爆破沒有采取相應(yīng)的控制爆破措施,從而使巖體受到較大的擾動(dòng),加速了圍巖的失穩(wěn)。另一方面,應(yīng)急措施方案不徹底、不及時(shí)、相關(guān)人員重視程度不夠。

5 塌方后的綜合處理方案

變?nèi)_階超短臺階法施工為CRD法施工,開挖過程中嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺長度,開挖方式主要為人工配合風(fēng)鎬挖掘。施工總體思路和施工工序:首先施作超前注漿小導(dǎo)管對洞室四周塌方體進(jìn)行超前注漿加固,防止開挖過程中發(fā)生坍塌;接著開挖左、右上導(dǎo)洞巖體,施作初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱和臨時(shí)支撐。最后開挖左、右下導(dǎo)洞部分巖體,施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐。隧道支護(hù)參數(shù)基本上同表1,拱部120°范圍內(nèi)的超前小導(dǎo)管長度變?yōu)? m,加密格柵鋼架的縱向連接鋼筋φ 25,環(huán)向間距50 cm,其余支護(hù)參數(shù)都不變。塌方后隧道橫斷面施工步驟和支護(hù)參數(shù)見圖5。

圖5 塌方后隧道橫斷面施工步驟及支護(hù)方式示意圖

具體施工步驟如下:Ⅰ小導(dǎo)管超前支護(hù),2開挖上部導(dǎo)洞,Ⅲ上部初期支護(hù),Ⅳ施做臨時(shí)仰拱、上部臨時(shí)鋼支撐,5開挖下部導(dǎo)洞,Ⅵ下部邊墻初期支護(hù),Ⅶ施做下部臨時(shí)鋼支撐,Ⅷ施做仰拱初期支護(hù),Ⅸ鋪設(shè)防水層、模筑二次襯砌。

6 塌方處理效果評價(jià)

6.1 塌方處理后塌方段監(jiān)測結(jié)果

塌方處理后各斷面拱頂沉降和水平收斂(2-3)隨時(shí)間變化曲線見圖6、圖7。

圖6 塌方段各斷面拱頂沉降累計(jì)時(shí)程曲線

圖7 塌方段各斷面水平收斂累計(jì)時(shí)程曲線

6.2 塌方處理后數(shù)據(jù)分析

從塌方處理后的累計(jì)拱頂沉降值和累計(jì)水平收斂值的數(shù)據(jù)分析可知,各斷面的累計(jì)沉降量和收斂量都在15 mm～25 mm之間,小于預(yù)留變形量30 mm。分別經(jīng)過7 d～10 d和8 d～11 d的變形之后,拱頂沉降速率和周邊收斂速率分別降低到1mm/d以下。由此可知,經(jīng)過塌方處理后,該段的變形是穩(wěn)定的,處理方案是可靠有效的。

7 結(jié) 論

(1)在隧道施工時(shí),建立完整的監(jiān)控量測及信息反饋系統(tǒng),對準(zhǔn)確判斷隧道的穩(wěn)定性和確保施工人員的安全是重要和必要的。

(2)該類型隧道塌方采用CRD法施工,超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、鋼筋格柵支撐、中空注漿錨桿及噴射混凝土的處理方式來處理是有效可行的,可以為類似穿越斷層及其破碎帶的隧道施工提供借鑒。

(3)隧道通過斷層破碎帶等軟弱圍壓夾層,當(dāng)采用爆破掘進(jìn)時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)的控制爆破措施。

(4)該類型隧道出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí),相關(guān)人員應(yīng)充分重視,及時(shí)采取徹底可靠的應(yīng)急處理措施,避免險(xiǎn)情進(jìn)一步擴(kuò)大而發(fā)生塌方。

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