軟弱地質(zhì)淺埋大斷面隧道地表塌陷處理研究

高 龍

(中鐵十三局集團公司 貴廣鐵路工程指揮部，廣西 賀州 542600)

新建貴廣鐵路是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點項目，設(shè)計時速為250 km的國家高速鐵路客運專線。因受地形、地質(zhì)條件限制，隧道占全線比例高達85.42%。由于隧道必須滿足高速鐵路需要，其開挖斷面面積達150 m2以上，屬鐵路大斷面隧道。建設(shè)標準高，加上位于西南山區(qū)，地質(zhì)條件惡劣、施工條件差、安全風險大、環(huán)保要求高，故在建設(shè)過程中將可能會遭遇塌方、突泥涌水以及大變形等一系列嚴重影響施工安全與進度的重大難題。

東科嶺隧道位于廣西省賀州市鐘山縣紅花鄉(xiāng)境內(nèi)，起止里程 DK553+830—DK558+710，全長4 880 m，隧道最小埋深20 m左右，最大埋深581 m。隧道進口800 m為全～強風化的花崗巖、出口600 m為灰?guī)r、中部約3 400 m為砂巖夾頁巖;隧道上覆蓋層為軟土、粉質(zhì)黏土和紅黏土。特別是DK554+195到DK554+600共405 m段，地形為小盆地狀，上為農(nóng)田，下伏向斜構(gòu)造全風化花崗巖堆積體。堆積體上部是卵石土、碎石土，局部夾黏土層形成富水層，埋深為20～41 m。地表有水田和常年流水水溝經(jīng)過隧道頂部，同時在線路左前側(cè)有一水庫和一片沼澤地，使得整個淺埋段處于飽和富水巖層，極易發(fā)生坍塌和冒頂。

1 隧道施工與高強支護及其效果

依據(jù)隧道工程施工技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)、斷面以及埋深等條件，采用“光面爆破、噴錨緊跟、監(jiān)控量測、及時反饋和修正”的新奧法施工。同時，選用快速高效的大型機械配套施工，實現(xiàn)開挖出渣機械施工作業(yè)線，噴錨機械配套作業(yè)線，襯砌臺車作業(yè)線相配合的一條龍作業(yè)。對于軟弱圍巖地段，堅持“短進尺、弱(不)爆破、快封閉、強支護、勤測量、緊襯砌”原則并及時封閉成環(huán)。

1.1 軟弱圍巖段施工方案

1)淺埋軟弱圍巖段施工。根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況及斷面設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)裝備和多年隧道施工經(jīng)驗，洞口淺埋及偏壓段采用大拱腳臺階法、CRD法或雙側(cè)壁導坑法施工。該段屬圍巖地質(zhì)條件較差地段，設(shè)計為Ⅴ級圍巖加強Ⅱ型支護。支護形式為施作超前小導管注漿進行超前支護，開挖后噴混凝土、架設(shè)鋼拱架及掛設(shè)鋼筋網(wǎng)相結(jié)合的加強型支護。

2)斷層及破碎帶施工。破碎帶內(nèi)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，容易引起掉塊和小塌方，對隧道穩(wěn)定性有一定影響。隧道地下水主要有上層滯水和孔隙潛水，溶洞水，破碎帶內(nèi)含水豐富，對隧道危害極大。施工時根據(jù)地質(zhì)雷達預報掌子面前方及圍巖情況，短進尺、弱爆破、強支護以及加快二次襯砌進度，保證仰拱距掌子面距離不超過40 m，二次襯砌距掌子面不超過90 m。

3)超前地質(zhì)預報與圍巖監(jiān)控量測。高度重視超前地質(zhì)預報工作。對DK554+221—DK554+321段進行了TSP探測，探測結(jié)果判斷基巖為灰黑、乳白、淡黃色中～粗粒似斑狀花崗巖，強風化，性軟;節(jié)理不甚發(fā)育，掌子面經(jīng)常滲水;可用鎬、鋤開挖，錘擊后可呈散粒狀，屬Ⅴ級圍巖級別，整個巖體破碎，自穩(wěn)能力差。DK554+221—DK554+235圍巖波速較低，無明顯反射界面，圍巖泊松比變化。巖體結(jié)構(gòu)破碎，巖石風化嚴重，富含地下水。

現(xiàn)場監(jiān)控量測斷面按照不超過10 m布置，重點放在對拱頂下沉、型鋼拱內(nèi)力、周邊收斂量測項目上。經(jīng)過一段時間觀測發(fā)現(xiàn)拱頂下沉量測值隨時間推移逐漸增大，并有擴張趨勢。

4)隧道防排水。洞口設(shè)置防水系統(tǒng)，做好溝渠規(guī)劃，防止雨水等下灌。對洞頂淺埋段(DK554+221—DK554+321)，在施工至該里程前在地表常年水溝內(nèi)鋪設(shè)雙層防水塑料布，防止水流下滲引起塌陷。掘進過程中防水措施還采取地質(zhì)預報，超前探測前方破碎帶，再利用超前注漿改善圍巖的滲透性，從而確保開挖掘進過程中的安全。

1.2 軟弱圍巖段施工方案效果分析

隧道進口于2009年3月12日開工，采用上、下臺階開挖386 m，仰拱完成360 m，二次襯砌329 m。隧道出口于2009年4月17日開工，共完成掌子面掘進673 m。東科嶺進口2010年1月19日下午16時30分突然發(fā)生突泥突水，至2010年1月26日17時40分，連續(xù)突水突泥7次，累計突水突泥達9 100 m3，并由此發(fā)生隧道頂部地表塌陷(見圖1)。

圖1 突泥突水后地表塌陷

鑒于東科嶺隧道地質(zhì)條件極差、埋深淺且必須開挖出大斷面高標準隧道等因素，在采用最為保守的施工方法并進行最高級別的高強度支護后，仍然不可避免地出現(xiàn)了隧道突泥突水、塌方并引起地表塌陷等事故。由此影響了工程的安全和質(zhì)量，并造成工程停滯不前等極為嚴重的后果。

2 工程對策及效果分析

2.1 地表排水改移

按盡量避免水流進入隧道址區(qū)范圍的原則，地表常年流水水溝改移至遠離塌陷區(qū)位置，同時在水溝內(nèi)鋪設(shè)雙層防水板，防止水流下滲引起再次塌陷。另外，用兩臺水泵晝夜抽排坑內(nèi)積水，保證坑內(nèi)無積水，防止引起次生的洞內(nèi)突水突泥。

2.2 地表塌陷區(qū)處理

首先，清除坑壁四周的碎石等松散雜物。其次，對塌坑邊坡采用錨噴網(wǎng)防護。采用長度為3 m的φ22 mm砂漿錨桿，間距1 m×1 m梅花形布置，加 φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，C25噴射混凝土10 cm厚。最后，塌坑底部采用 φ42 mm豎向鋼花管注漿，鋼花管長度為8～9 m，間距1 m×1 m梅花形布置，四周采用雙排鋼花管注漿，長度為8～12 m，間距為1 m，角度為45°至60°。在注漿的過程中采用 φ8 mm鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)塌坑底面并與鋼管連接，噴射20 cm厚混凝土以避免順管壁往地面嚴重返漿現(xiàn)象。塌陷區(qū)處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 塌陷區(qū)處理結(jié)果

2.3 旋噴樁處理

除了對塌陷區(qū)進行排水及清理與防護外，還對其進行旋噴樁加固處理。

1)旋噴樁加固處理方案。結(jié)合隧道地質(zhì)及實際情況，在DK554+195—DK554+530范圍沿隧道拱頂開挖輪廓以內(nèi)5 m范圍，固結(jié)洞頂軟弱圍巖;沿隧道開挖拱角線以外，做雙層旋噴樁帷幕止水墻。旋噴樁采用雙管工藝施工，成樁直徑≥50 cm，間距1.0 m，梅花形布置帷幕止水墻嵌入弱風化層≥1.0 m。

2)旋噴樁試驗參數(shù)。為檢驗旋噴樁實際效果，選擇卵石土覆蓋層和風化花崗巖兩個具有代表性的地質(zhì)區(qū)域進行各一組試驗。每組兩個孔，孔中心距為60 cm，深度8～10 m。參考相同和相似地質(zhì)條件所做過的高壓旋噴工程的資料和本次工程技術(shù)措施的要求，確定的施工技術(shù)參數(shù)列于表1。

表1 水泥噴漿參數(shù)

3)旋噴樁試驗及效果分析 旋噴過程中，風化花崗巖層的孔口溢漿量略大于覆蓋層的溢漿量，成樁的水泥平均耗量為270 kg/m左右。對于深8～10 m樁孔，造孔速度較慢，時間大約為4 d，其主要原因是卵石土自穩(wěn)性差，卵石土中卵石含量占30%左右，有個別大塊漂石。

為分析旋噴結(jié)果，分別對覆蓋層和花崗巖風化層各一組試驗樁進行開挖檢測，因條件所限，開挖深度僅為5 m左右。經(jīng)測量，兩組試驗樁均成形較好，樁身均勻完整，無凹凸現(xiàn)象。在覆蓋層中的樁徑達550～600 mm，兩樁搭接為2～8 cm;在花崗巖風化層中，樁徑為500～550 mm，試驗樁結(jié)果如圖3所示。

圖3 全風化巖層中試樁結(jié)果

從實際試驗結(jié)果看，在隧道兩側(cè)止水墻樁中心距在0.50 m的前提下，在風化花崗巖地層中的成樁樁徑可達500～550 mm，其效果較好。

3 工程方案優(yōu)化分析

盡管工程對策較為有力且效果較好，但為確保施工安全、質(zhì)量與工期，還須進一步對工程方案及措施進行優(yōu)化。借鑒類似工程經(jīng)驗，采用地表旋噴樁止水墻與井點降水聯(lián)合防排水的方法。

圖4 旋噴樁與井點降水結(jié)合處理方案(單位:cm)

由于地表水補充量較大，堆積向斜構(gòu)造巖體破碎極易富水。單采用降水施工周期較長，且補給源太多，效果不一定很好，故應對該段進行旋噴止水墻加固配合井點降水施工。在隧道兩側(cè)開挖線以外5 m施工旋噴樁帷幕止水墻，按照間隔1.0 m梅花形雙排布置旋噴樁，每隔50～100 m再施工一道隧道橫向旋噴帷幕止水墻。降水井沿隧道兩側(cè)按照間隔10 m一個布置，隧道橫向沿旋噴帷幕止水墻按照6 m一個布置(見圖4)。處理范圍為DK554+196—DK554+600。

4 結(jié)論

1)對于軟弱地質(zhì)、大斷面以及淺埋隧道，即使采用“短進尺、弱(不)爆破、快封閉、強支護”進行施工，也會出現(xiàn)突泥突水、塌方和地表塌陷等事故并造成嚴重后果，在建設(shè)中必須高度重視。

2)地表水移離塌陷區(qū)能防止水流下滲引起再次塌陷。按先清理、掛網(wǎng)噴漿支護，再注漿防護的工藝進行地表塌陷區(qū)處理，可保證坑內(nèi)不積水并防止次生的洞內(nèi)突水突泥。

3)由施工結(jié)果及檢測數(shù)據(jù)表明，隧道兩側(cè)止水墻高壓旋噴樁中心距0.50 m時，旋噴樁加固處理后在風化花崗巖地層中的成樁樁徑可達500～550 mm，其效果較好，此方法可行。

4)為確保施工安全、質(zhì)量與工期，還須進一步對諸如地表旋噴樁止水墻加井點降水聯(lián)合防排水工程進行優(yōu)化，并對其效果進一步研究。

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