余震及強(qiáng)降雨條件下千枚巖隧道施工塌方預(yù)防

孔祥菊

在我國(guó)西南地區(qū)隧道的修建中，圍巖種類、性能及水文情況等的差異及變化較大，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。在四川理縣薛城隧道施工中出現(xiàn)了千枚巖。千枚巖是隧道施工中并不多見(jiàn)的一種巖石，為軟巖，它除了具有軟巖的共性外，更具有它本身性能多變和遇水易泥化、膨脹的特殊性能;另外本隧址區(qū)位于5·12地震震區(qū)，今年降雨量處于歷史較高水平，圍巖本身的特殊性和外界復(fù)雜的誘因，給本地區(qū)隧道的施工帶來(lái)了較大的困難。因此通過(guò)分析千枚巖的工程力學(xué)性能，為今后在類似條件下的千枚巖地段施工提供有價(jià)值的參考。

1 千枚巖力學(xué)性能分析

千枚巖是一種具千枚狀構(gòu)造的巖石，屬于區(qū)域變質(zhì)、淺變質(zhì)帶巖之一，由粘土巖或火山凝灰?guī)r等變質(zhì)而成。礦物成分以絹云母為主，多呈微粒狀或片狀;有時(shí)含有綠泥石、黑云母、石榴石或十字石等。主要特征是被剝成葉片狀的薄片，表面呈顯著的絲絹光澤，質(zhì)地軟，遇水易軟化或泥化，整體穩(wěn)定性較差，圍巖干燥松散光滑，無(wú)自穩(wěn)能力。

通過(guò)對(duì)千枚巖取樣(對(duì)風(fēng)化程度相對(duì)較弱的Ⅳ級(jí)圍巖取樣，風(fēng)化程度較嚴(yán)重的Ⅴ級(jí)圍巖過(guò)于破碎，試件無(wú)法切割成型)進(jìn)行了含水率、吸水性、密度、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸飽和抗壓強(qiáng)度和三軸壓縮強(qiáng)度等試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果分析能夠得出千枚巖具有以下性能:1)千枚巖的天然含水率和吸水率極低;

2)千枚巖在天然狀態(tài)下強(qiáng)度不高，在飽水狀態(tài)下比天然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度下降61.4%，遇水極易軟化;

3)千枚巖飽水后的粘聚力是天然狀態(tài)下的44%，遇水后粘聚力降低較大。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論:

千枚巖天然狀態(tài)下含水率極低，抗壓強(qiáng)度不高，吸水率極低，在遇水之后少量吸水即達(dá)到飽和而軟化，導(dǎo)致巖石單軸抗壓強(qiáng)度和粘聚力迅速降低。

2 千枚巖隧道在余震、強(qiáng)降雨等諸多不利因素條件下施工塌方的預(yù)防

支護(hù)方法、支護(hù)參數(shù)、施工方法和施工質(zhì)量等對(duì)隧道的圍巖穩(wěn)定起著決定性的作用。為了預(yù)防塌方，需要在全面了解了千枚巖特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮本施工區(qū)域余震及強(qiáng)降雨的影響，采取一系列工程措施，確定正確的支護(hù)方法、支護(hù)參數(shù)和施工方法，確保施工質(zhì)量，方能防止施工塌方的發(fā)生。

2.1 本隧道的特殊性

1)圍巖的特殊性。本隧道屬于千枚巖隧道，千枚巖本身強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育、完整性差、性能多變和遇水易泥化、膨脹的特點(diǎn)從根本上決定了本隧道的特殊性。

2)隧址區(qū)域的特殊性。隧址區(qū)地處5·12汶川大地震震中汶川約30 km，5·12地震本身對(duì)隧道圍巖的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響，使得圍巖裂隙變大，結(jié)構(gòu)更加松散和復(fù)雜，裂隙水更加發(fā)育，加之在施工期間余震不斷，對(duì)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)擾動(dòng)，對(duì)隧道支護(hù)極其不利。

3)水文條件的特殊性。隧址區(qū)2010年春夏期間當(dāng)?shù)赜晁渑?，降雨量為歷史罕見(jiàn)。

2.2 可能造成千枚巖隧道在類似條件下塌方的原因

1)千枚巖小斷層發(fā)育，一經(jīng)開(kāi)挖，潛在應(yīng)力釋放、承壓快，圍巖易失穩(wěn)而坍塌。2)千枚巖薄層狀在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下形成的小褶曲、錯(cuò)動(dòng)發(fā)育，施工中常常發(fā)生滑層和坍塌。3)開(kāi)挖后在水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用下易使巖體失穩(wěn)和坍塌。4)余震對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)擾動(dòng)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)而發(fā)生坍塌。5)隧址區(qū)域內(nèi)山體覆蓋層薄，大部分暴露在外，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育。充沛的雨水使隧道圍巖裂隙水發(fā)育，圍巖吸水而軟化、膨脹，導(dǎo)致已施工地段圍巖荷載增加，應(yīng)力變大，易導(dǎo)致塌方發(fā)生。6)施工方法不當(dāng)、施工質(zhì)量得不到保證。a.施工方法選擇不當(dāng)或工序間距安排不合理。各工序間距拉的過(guò)長(zhǎng)，巖層暴露時(shí)間過(guò)久，引起圍巖松動(dòng)、風(fēng)化，導(dǎo)致坍塌。b.噴錨不及時(shí)，或噴射混凝土質(zhì)量、厚度不符合要求，未及時(shí)進(jìn)行掌子面素噴封閉。c.采用鋼架時(shí)，鋼架架設(shè)質(zhì)量欠佳，鋼架與圍巖不密貼，兩者間的空隙填塞不密實(shí)，或連接不夠牢固，不能滿足圍巖壓力所需要的強(qiáng)度要求。d.爆破作業(yè)不當(dāng)，裝藥量過(guò)多。e.有超前時(shí)，超前導(dǎo)管及錨桿未按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行打設(shè)。

2.3 千枚巖隧道在不利因素條件下施工塌方的預(yù)防措施

隧道塌方以“預(yù)防為主”，尤其是在諸多不利因素條件下的本隧道。施工前應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙和地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)分析，充分掌握各方面情況，弄清楚施工難點(diǎn)和重點(diǎn)，確定正確的施工方法和施工工序。同時(shí)根據(jù)本隧道的特點(diǎn)，提前制定相應(yīng)的預(yù)防塌方措施并準(zhǔn)備有關(guān)的機(jī)具和材料。在施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“地質(zhì)超前、引排地下水、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支撐、勤量測(cè)、早封閉”的原則，步步為營(yíng)，穩(wěn)扎穩(wěn)打，穩(wěn)中求快，工序緊跟，嚴(yán)禁單工序突進(jìn)。針對(duì)于本隧道不利條件，施工塌方的主要預(yù)防措施如下:

1)充分考慮千枚巖的特點(diǎn)，做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和掌子面觀察工作。

隧道設(shè)計(jì)圖紙地質(zhì)資料受地質(zhì)勘探孔數(shù)量的限制，在很大程度上與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有一定的出入。我們?cè)诔浞至私饬饲稁r的特點(diǎn)后，要切實(shí)做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，摸清將要施工段落地質(zhì)、水文情況，結(jié)合施工掌子面的觀察和描述，充分考慮千枚巖的特點(diǎn)，認(rèn)真分析原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)不能滿足千枚巖地質(zhì)在當(dāng)前水文條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行變更加強(qiáng)，提前確定正確的支護(hù)方法、支護(hù)參數(shù)和施工方法。

2)充分考慮本地區(qū)余震的影響，加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

因?yàn)榈卣饘?duì)結(jié)構(gòu)的影響主要是擾動(dòng)而失穩(wěn)，預(yù)防措施主要是在當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)整體性和穩(wěn)定性，加強(qiáng)的方式有:

a.錨桿型號(hào)和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整加強(qiáng);b.加密型鋼間連接筋間距，加強(qiáng)聯(lián)結(jié);c.加密錨噴鋼筋網(wǎng)間距、增加錨噴厚度。

3)充分考慮本地區(qū)雨水對(duì)千枚巖隧道的影響，做好防排水措施。

施工前對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的水文調(diào)查，分析地下水來(lái)源及其活動(dòng)對(duì)塌方有無(wú)影響及影響程度，制定防排水措施進(jìn)行防排水。

a.對(duì)地表水進(jìn)行系統(tǒng)處理，引排出影響隧道范圍;b.采用超前鉆孔探水和排水;c.在工作面附近采用井點(diǎn)法降水，然后再進(jìn)行排水;d.在已支護(hù)段拱部邊墻打設(shè)排水孔;e.規(guī)劃好洞內(nèi)兩側(cè)排水溝，排水溝要采用塑料薄膜鋪底，砂漿抹溝，防止排水溝內(nèi)水滲透浸泡拱腳。

4)綜合考慮，制定正確的施工方案并嚴(yán)格執(zhí)行，水文、地質(zhì)發(fā)生變化后及時(shí)變更和調(diào)整施工方案，采用正確的施工工藝。重點(diǎn)控制以下幾點(diǎn):

a.開(kāi)挖方法選擇要恰當(dāng);b.合理安排工序，各工序緊密銜接，各工序間距合理，尤其確保二襯與掌子面間距不超標(biāo);c.合理使用爆破、控制開(kāi)挖進(jìn)尺。能采用機(jī)械開(kāi)挖時(shí)盡量采用機(jī)械開(kāi)挖，不能采用機(jī)械開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)格按照鉆爆方案施工，多打眼，少裝藥或隔眼裝藥，降低爆破擾動(dòng);d.及時(shí)進(jìn)行落底，確保型鋼腳底墊實(shí)、杜絕懸空;e.重視鎖腳錨桿的作用，每個(gè)臺(tái)階均要設(shè)置。

5)確保施工質(zhì)量，杜絕人為因素造成的塌方隱患，良好的施工質(zhì)量是預(yù)防塌方的有力保證，重點(diǎn)控制以下幾點(diǎn):

a.開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行素噴，并保證素噴混凝土厚度和質(zhì)量;b.確保錨桿有效長(zhǎng)度和錨固效果;c.加強(qiáng)型鋼螺栓聯(lián)結(jié)和縱向聯(lián)結(jié)，確保初期支護(hù)的整體性受力;d.超挖部分采用同級(jí)噴射混凝土回填或留孔吹砂注漿，嚴(yán)禁出現(xiàn)空洞或采用其他材料填充。

6)加大監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位和量測(cè)頻率，及時(shí)報(bào)警監(jiān)控量測(cè)可以有效地指導(dǎo)開(kāi)挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)采取有效措施調(diào)整施工參數(shù)。出現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，及時(shí)采取臨時(shí)支撐等有效措施進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，防止變形的進(jìn)一步擴(kuò)展。

［1］ 葉少敏.哈大客運(yùn)專線淺埋超大斷面隧道塌方處理工法［J］.山西建筑，2010，36(9):337-338.