某城市交通隧道地表塌陷原因分析及處理技術(shù)

李 輝，劉洪震，姜永濤

(1.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471009;2.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

我國(guó)砂卵石分布面積廣、厚度大、成因復(fù)雜。在富水砂卵石地層中修建隧道工程，極易發(fā)生涌砂，引起隧道和地表坍塌。目前在關(guān)于砂卵石地層隧道坍塌的原因分析和處理技術(shù)方面的研究中:文獻(xiàn)［1-2］闡述了在近距離下穿污水管線施工時(shí)為保護(hù)管線和施工安全采用的地面處理、施工沉降控制、超前地層加固等施工技術(shù);文獻(xiàn)［3-6］分析了部分隧道地表坍塌的原因，提出了地表加固和洞內(nèi)預(yù)支護(hù)的綜合處置方案;文獻(xiàn)［7-8］總結(jié)分析了旋噴樁止水帷幕的施工工藝及應(yīng)用技術(shù);文獻(xiàn)［9］介紹了旋噴樁技術(shù)加固砂層的施工工藝及方法;文獻(xiàn)［10］總結(jié)了降水在砂土地層隧道中的應(yīng)用技術(shù);文獻(xiàn)［11］詳細(xì)介紹了隧道穿越富水砂層的施工技術(shù)。本文以某城市交通隧道工程建設(shè)為例，分析砂卵石地層隧道發(fā)生地表塌陷的原因，闡述管線對(duì)地表注漿加固的影響，并對(duì)下一階段處理技術(shù)做優(yōu)化研究，重點(diǎn)提出以“水的處理”為主的原則。

1 工程概況

某城市交通隧道工程包括南北2條主隧道、匝道及連結(jié)通道。其中東岸隧道位于交通繁忙的主干道下，隧道埋深約20 m。東岸1#豎井往陸域方向隧道中下部處于強(qiáng)風(fēng)化板巖及強(qiáng)風(fēng)化礫巖中，拱部主要位于⑦號(hào)圓礫層中，最大厚度6.5 m，個(gè)別地段位于⑥號(hào)粉細(xì)砂、⑤粉土層或③號(hào)淤泥層中，圓礫層向上依次為粉質(zhì)黏土層、雜填土層。本地段地下水主要有孔隙水和基巖裂隙水，孔隙潛水主要賦存于表層人工填土層中，受大氣降水和周邊生產(chǎn)生活用水補(bǔ)給，含水層透水性差，水量小?？紫冻袎核饕x存于粉細(xì)砂、圓礫層中，水量較豐富，并具有承壓性，基巖裂隙水賦存于基巖各風(fēng)化帶中，隨著深度增加，水量逐漸增強(qiáng)。

該段隧道上方及附近地下管線較多，主要有污水管、煤氣管、電信管、下水管、給水管等，隧道周邊無(wú)高層建筑，隧道北側(cè)有2棟2層樓房和2棟3層樓房，南側(cè)有2棟2層樓房和1棟8層樓房，最近水平距離為24.11m。

施工前期，為加固地層和隧道開(kāi)挖時(shí)阻止地下水流入隧道，在2條隧道周邊地表進(jìn)行了旋噴止水帷幕，并對(duì)隧道頂部地層進(jìn)行袖閥管注漿加固。注漿加固平面圖如圖1所示。地表加固平面范圍為隧道外輪廓6 m，加固深度到隧道底以下不小于4 m，但由于該工程工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變，眾多原因造成施工措施不到位，故在隧道開(kāi)挖至SK2+301時(shí)，工作面涌水涌砂，造成地面坍塌。經(jīng)奮力搶險(xiǎn)，并采取了有效措施后，工程順利通過(guò)了富水砂卵石段。

圖1 注漿加固平面圖Fig.1 Plan of grouting

2 塌陷情況及處理過(guò)程

2.1 塌陷情況

2010年11月29日11:40，隧道南主線SK2+301工作面施作超前支護(hù)時(shí)，從拱頂右側(cè)出現(xiàn)少量涌水涌砂，現(xiàn)場(chǎng)立即采用沙袋、方木、袋裝水泥等應(yīng)急物資進(jìn)行封堵并采用噴射混凝土進(jìn)行掌子面封閉。當(dāng)右側(cè)掌子面封閉一半時(shí)，發(fā)生突泥涌砂約400m3。13:10，開(kāi)始利用裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸汽車(chē)堆土進(jìn)行反壓，至14:00時(shí)掌子面再次突水突泥，沖垮反壓土堆，直至18:30共計(jì)涌出泥砂約2 670 m3。掌子面正上方地面出現(xiàn)塌陷，塌陷坑直徑約15 m，深8 m(見(jiàn)圖2)，并導(dǎo)致路中間1根直徑1.5 m的排污管斷裂。

2.2 處理過(guò)程

險(xiǎn)情發(fā)生后，本著“防止險(xiǎn)情擴(kuò)大、預(yù)防次生災(zāi)害的發(fā)生”的原則進(jìn)行搶險(xiǎn)工作。

1)對(duì)坍塌路段實(shí)行臨時(shí)交通管制，禁止車(chē)輛和行人過(guò)往。

圖2 地表塌陷實(shí)況Fig.2 Picture of ground surface collapse

2)立即用沙袋、方木、袋裝水泥等應(yīng)急物資進(jìn)行封堵，利用裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸汽車(chē)堆土進(jìn)行反壓，并采用噴射混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉。

3)地面塌陷坑采取回填混凝土方式處理，至11月30日16:00，共回填C15混凝土1 300 m3，回填高度至路面下1.5 m，路面下1.5 m采用棄渣回填。棄渣回填結(jié)束后，洞內(nèi)涌水由突水初期的500 m3/h減小至100 m3/h，水變清，未再出現(xiàn)流砂流泥現(xiàn)象。

4)在回填混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)基坑邊采取了掛網(wǎng)噴混凝土(厚10 cm)防護(hù)，防止基坑兩側(cè)的土體垮塌;并在陷坑周邊修筑30 cm高的擋墻，防止雨水回灌入塌坑內(nèi)。

5)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)塌陷區(qū)域周邊進(jìn)行了2次探測(cè)，第1次沿坍陷坑周邊布設(shè)4條側(cè)線，第2次在塌坑周邊50 m范圍布設(shè)24條側(cè)線。探測(cè)成果為:坍陷坑周邊地下未發(fā)現(xiàn)隱伏空洞存在，距塌坑中心15 m以內(nèi)地下3 m以下，距塌坑中心15 m以外地下6 m以下，地層含水量豐富(特別是塌坑南側(cè)及東側(cè))。

6)加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)。加密塌陷周邊建筑物和地表監(jiān)測(cè)密度和頻率。

3 塌陷原因分析

3.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)復(fù)雜多變

該地段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況異常復(fù)雜，洞身處于強(qiáng)風(fēng)化板巖及強(qiáng)風(fēng)化礫巖之中，緊貼洞頂為圓礫層及砂礫層，砂礫層以上為不規(guī)則分布的粉細(xì)砂層及淤泥層。頂層為雜填土層及路面層。地層含水量豐富，特別是塌坑南側(cè)及東側(cè)，動(dòng)水頭壓力較高，砂卵石為強(qiáng)透水層，掌子面容易形成涌水涌泥地質(zhì)災(zāi)害，是造成洞內(nèi)突水突泥繼而引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害事件的主要原因。

3.2 周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)地表處置影響很大

隧道與地下管線關(guān)系如圖3所示。旋噴止水帷幕不易施作，有的部位根本沒(méi)有條件施作，造成局部止水帷幕效果不佳;同時(shí)，地下陳舊排水管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，不明地下水來(lái)源較多，而且與周邊地下水連通性較強(qiáng);隧道處于交通主干道路下，車(chē)流量較大，動(dòng)荷載對(duì)隧道施工有較大影響。

圖3 隧道與地下管線剖面關(guān)系圖Fig.3 Relationship between tunnel and utility pipelines

3.3 施工中措施未完全到位

3.3.1 注漿盲區(qū)的存在

由于該地段地下管線較多，地表注漿加固時(shí)，需要對(duì)各種管線進(jìn)行保護(hù)，故管線附近注漿壓力不能過(guò)大，管線附近地層未得到很好的加固;管線距離隧道拱頂較遠(yuǎn)，無(wú)法通過(guò)隧道內(nèi)注漿，尤其是管線下方土體，存在注漿盲區(qū)。所以，管線下方土體容易被水沖走，管底墊層也會(huì)隨土層流失下沉而產(chǎn)生不均勻沉降，造成與污水管相連的承插口逐步脫離，污水不斷滲入隧道上方土體中，形成水囊。隧道開(kāi)挖時(shí)，巖壁厚度減弱，地層中的水通過(guò)薄弱縫隙滲入隧道，地層的逐漸損失導(dǎo)致縫隙擴(kuò)大，從而產(chǎn)生了涌水涌泥險(xiǎn)情。

3.3.2 袖閥管注漿加固未達(dá)到預(yù)期效果

由于隧道上方道路交通繁忙，隧道頂部地表袖閥管注漿不能長(zhǎng)時(shí)間占道施工，故地表注漿未全部完成，這是造成地表加固未能達(dá)到預(yù)期效果的主要原因;同時(shí)，由于該段地下水豐富、來(lái)源復(fù)雜造成袖閥管注漿局部效果可能較差，這是造成地表加固未能達(dá)到預(yù)期效果的次要原因。

3.4 開(kāi)挖過(guò)程中未重視水的處理

由于地表袖閥管注漿加固和旋噴止水帷幕未能達(dá)到預(yù)期效果，隧道開(kāi)挖時(shí)未及時(shí)對(duì)地下水進(jìn)行封堵和引排，隧道滲漏水比較嚴(yán)重，隧道開(kāi)挖是帶水施工的;地下水滲漏過(guò)程中帶走地層中的細(xì)砂，造成局部空洞，在隧道上方車(chē)輛動(dòng)荷載的作用下，容易造成地表坍塌。

4 處理技術(shù)

處理技術(shù)按照以“水的處理”為主的原則，地表采取雙排直徑850間距600 mm三管旋噴樁止水帷幕、帷幕內(nèi)三管旋噴和洞內(nèi)水平旋噴的加固堵水方案以及地表和洞內(nèi)聯(lián)合降水方案。隧道采用4部CRD的開(kāi)挖方法。

4.1 旋噴樁止水帷幕

為了阻止地下水進(jìn)入隧道，在北主線NK2+370～+554與南主線SK2+269～+443段，長(zhǎng)174 m段，寬32.4～31.8 m范圍內(nèi)，周邊采用雙排直徑850間距600 mm三管旋噴樁止水帷幕，共計(jì)1 278根，深為地面下3 m至隧道底板下4 m。旋噴樁施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 旋噴樁施工參數(shù)表Table 1 Parameters of jet grouting columns

在施作旋噴樁止水帷幕過(guò)程中，控制好各層壓力。上層地表附近地下管線較多，且上層地下水很少，壓力可以小些;下層基本都是砂卵石地層，地下水豐富，且沒(méi)有地下管線，壓力可以大些，以提高止水帷幕咬合薄弱部位的止水作用。總的原則是既要噴好，又要防止地表壓力過(guò)大造成沉隆，破壞管線。旋噴樁止水帷幕施作完成后，在旋噴樁中間取芯1個(gè)，通過(guò)芯樣觀察，加固效果良好，所有芯樣基本呈柱狀(見(jiàn)圖4)。在旋噴咬合薄弱部位取芯2個(gè)，通過(guò)芯樣觀察，雜填土及粉質(zhì)黏土加固效果很好，芯樣完整，圓礫層呈膠化狀，芯樣呈塊狀(見(jiàn)圖5)。2010年12月31日對(duì)檢查孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，根據(jù)公式計(jì)算得出滲透系數(shù)為0.42×10-7m/s，止水效果較好。

圖4 旋噴樁中間部位取芯圖Fig.4 Picture of cores taken in the middle of the jet grouting columns

圖5 旋噴樁咬合部位取芯圖Fig.5 Picture of cores taken at the interlocking positions of the jet grouting columns

4.2 地表旋噴樁加固

由于原施工地表袖閥管注漿加固效果不佳，采用封鎖交通對(duì)地層進(jìn)行旋噴樁加固，間距1 m×1 m，加固范圍為圓礫層，進(jìn)入板巖1 m，并保證加固后拱頂不少于3 m的加固區(qū)。地表旋噴樁加固如圖6所示。

圖6 旋噴樁加固平面圖Fig.6 Plan of consolidation by jet grouting columns

4.3 地表降水

為了使隧道開(kāi)挖處于無(wú)水狀態(tài)，在旋噴樁止水帷幕內(nèi)施作降水井進(jìn)行降水，地下水位降到隧道底板以下再開(kāi)挖。降水井沿路縱向、在分離隧道之間布設(shè)，其間距為10～15 m，深度到隧道開(kāi)挖底以下2 m。降水井布置如圖7所示。

4.4 洞內(nèi)水平旋噴加固

由于隧道上臺(tái)階拱腳板全部處于⑦號(hào)圓礫層中，開(kāi)挖時(shí)工作面極易引起坍塌，對(duì)此段進(jìn)行洞內(nèi)水平旋噴注漿以穩(wěn)定工作面，旋噴樁直徑600間距1 300 mm，單根長(zhǎng)度為15 m。水平旋噴樁加固橫斷面圖見(jiàn)圖8。

圖7 降水井布置圖(單位:m)Fig.7 Layout of dewatering wells(m)

圖8 水平旋噴樁加固橫斷面圖(單位:mm)Fig.8 Layout of horizontal jet grouting columns(mm)

4.5 水平降水孔

有些地段，單靠地表降水井無(wú)法把地下水降到隧道底板以下，在隧道拱頂下2 m范圍存在砂層段隧道內(nèi)打設(shè)30 m長(zhǎng)泄水管，用直徑108 mm鉆桿，配直徑120 mm左右導(dǎo)向鉆頭預(yù)先鉆孔，打入直徑89×4 mm鋼管頂入孔中，直至設(shè)計(jì)深度。

4.6 開(kāi)挖方法

地下水降到隧道底板以下后，采用CRD工法開(kāi)挖，使隧道始終處于無(wú)水的開(kāi)挖狀態(tài)。同一層左右兩側(cè)開(kāi)挖工作面相距不大于15 m，同側(cè)上下層開(kāi)挖工作面相距3～5 m。后行洞最前方工作面距先行洞全環(huán)封閉處不小于15 m。

CRD工法步序如圖9所示。1)上層①③部施工方法。開(kāi)挖前施作超前注漿小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5 m，環(huán)間距30 cm，縱間距1.5 m。①③部高3.5 m，采用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺50 cm，預(yù)留核心土，開(kāi)挖時(shí)步步成環(huán)，及時(shí)施作臨時(shí)仰拱。2)下層②④部施工方法。②④部高6.45 m，每部分2臺(tái)階施工，臺(tái)階長(zhǎng)2.0 m，由于下層基本位于風(fēng)化板巖層內(nèi)，開(kāi)挖采用弱爆破或風(fēng)鎬，每循環(huán)進(jìn)尺50 cm，PC60挖掘機(jī)扒碴裝碴，自卸汽車(chē)運(yùn)輸，初期支護(hù)鋼材利用自卸汽車(chē)運(yùn)至掌子面，噴漿與上層同步，自卸汽車(chē)運(yùn)料。

4.7 監(jiān)控量測(cè)

4.7.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為地表管線隆沉、拱頂下沉及邊墻收斂等。地表、管線每5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，隧道內(nèi)拱頂下沉、邊墻收斂每5 m布置一組測(cè)點(diǎn)，周?chē)ㄖ镆暰唧w情況布設(shè)。

4.7.2 監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)控量測(cè)貫穿于隧道加固處理全過(guò)程，地面旋噴加固過(guò)程中4次/d，隧道開(kāi)挖過(guò)程中3次/d;地面建(構(gòu))筑物監(jiān)測(cè)2次/d，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)增加至4次/d，并由技術(shù)人員經(jīng)常進(jìn)行洞內(nèi)及地表外觀巡視且做好巡視記錄。

圖9 4部CRD工法工序橫斷面圖(單位:mm)Fig.9 4-step CRD excavation method(mm)

5 處理效果

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)處理技術(shù)和地表與洞內(nèi)聯(lián)合降水后，隧道內(nèi)干燥無(wú)水(見(jiàn)圖10)。在后續(xù)施工過(guò)程中，地表沉降最大值為10.5mm、拱頂下沉最大值為6.8mm、水平收斂位移為7.7 mm。各項(xiàng)量測(cè)數(shù)據(jù)顯示:施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小，隧道變形較小，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，施工對(duì)沿線附近的建筑物、地下管線無(wú)影響。表明采取的處理措施比較合理，保證了施工的安全。

6 結(jié)論與討論

1)對(duì)隧道進(jìn)行地表加固時(shí)，為保護(hù)管線，管線附近注漿壓力不能過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)加固盲區(qū)，應(yīng)采取合適的措施，避免加固盲區(qū)出現(xiàn)。

2)隧道開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)加固地層進(jìn)行鉆探取樣，檢查加固效果是否滿足開(kāi)挖要求，若加固效果不佳，不能開(kāi)挖，以防工程事故發(fā)生。

3)在富水砂卵石地層中施工，受地下水影響較大，地下水的存在容易引起涌砂涌泥，首要前提是對(duì)水的處理，應(yīng)使隧道開(kāi)挖處于無(wú)水條件，決不帶水施工。本文提出的三管旋噴樁止水帷幕、帷幕內(nèi)三管旋噴和洞內(nèi)水平旋噴的加固堵水方案以及地表和洞內(nèi)聯(lián)合降水方案，對(duì)類(lèi)似地層工程有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

4)在塌方處理時(shí)，對(duì)塌方體的保護(hù)及采取恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖工法，是保證塌方處理成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本工程采用了4部CRD開(kāi)挖工法，嚴(yán)格控制開(kāi)挖步序和掌子面之間的距離，安全順利地通過(guò)了坍塌地段。

5)富水砂卵石層隧道無(wú)膠結(jié)性，自穩(wěn)定能力差，遇水易坍塌。在地下水滲流作用下富水砂卵石層隧道開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)形成機(jī)制，漸進(jìn)性破壞演化機(jī)制及其滲透性變化規(guī)律應(yīng)進(jìn)一步深入開(kāi)展科學(xué)技術(shù)研究，為富水砂卵石層隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工提供有力依據(jù)。

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