鐵路隧道塌方治理方案

楊遠(yuǎn)超

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建三院，四川成都610031)

1 隧道塌方事故概況

2008年7月26日，龍煙鐵路蓬萊隧道已完成初期支護(hù)施工的DK44+500～+533段發(fā)生了塌方，塌體數(shù)量巨大，導(dǎo)致該段近1/3隧道洞體全斷面塌滿(mǎn)。為避免險(xiǎn)情擴(kuò)大，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況對(duì)坍塌面(段)前方段進(jìn)行了應(yīng)急處理:即對(duì)DK44+530～+542段設(shè)型鋼支撐，對(duì)DK44+530～+555范圍段初支打設(shè)注漿錨桿注漿加固，將DK44+530～+540段塌方體注漿固結(jié)。待塌方情況基本穩(wěn)定，方繼續(xù)對(duì)塌方段進(jìn)行下一步的處理。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，該段隧道主要巖土成分為風(fēng)化石伴裂隙土(圍巖級(jí)別:Ⅴ級(jí))，滲水性強(qiáng)。由于隧道的開(kāi)挖、擾動(dòng)使地質(zhì)整體形態(tài)發(fā)生了改變，連日下雨地表匯水通過(guò)石隙浸蝕、滲漏，削弱了巖土結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度而造成本段隧道塌方的發(fā)生。

在采取應(yīng)急措施的同時(shí)，我們很快制定出按上下導(dǎo)坑、預(yù)留核心土的方式掘進(jìn)，噴射混凝土型鋼鋼架作為初期支護(hù)受力主體，上導(dǎo)坑作臨時(shí)仰拱形成封閉，并利用臨時(shí)仰拱在下導(dǎo)坑開(kāi)挖過(guò)程中起強(qiáng)支撐作用的施工方案。

2 塌方處理方案

2.1 超前探孔

隧道塌方后DK44+500～+533段上方形成一定范圍的空洞(塌腔)。為探測(cè)上部塌腔具體位置及覆蓋層厚度，在DK44+532拱部上方，采用YT28氣腿式鑿巖機(jī)打設(shè)6個(gè)孔進(jìn)行鉆探，以便為塌腔填充提供相應(yīng)參數(shù)。

2.2 塌腔注漿(混凝土)

此次塌方的主要特點(diǎn)是范圍大、塌腔縱向長(zhǎng)(圖1、圖2)，一次性封堵無(wú)法完成，故采取隨上臺(tái)階掘進(jìn)分段進(jìn)行封堵的方式及時(shí)灌注。塌腔處理采用“控灌結(jié)合”的方式進(jìn)行，在鉆探孔能夠打入較大塌腔的情況下，用人工護(hù)孔的方法打設(shè)6根5 m長(zhǎng)的150鋼管伸入塌腔，利用此管路向塌腔內(nèi)泵送C15混凝土，對(duì)塌腔進(jìn)行填充;若探孔不能伸入塌腔，則采用超前注漿導(dǎo)管支護(hù)的方式直接向前進(jìn)行掘進(jìn)，采用注漿的方式加固隧道輪廓線外側(cè)巖體，直至飽和溢漿為止。

圖1 塌方縱斷面

圖2 塌方橫斷面

2.3 上導(dǎo)坑雙排超前注漿導(dǎo)管注漿

為確保對(duì)塌體縫隙進(jìn)行有效填充，保證隧道輪廓線位置土體密實(shí)，并有一定的強(qiáng)度，在開(kāi)挖上導(dǎo)坑過(guò)程中，自DK44+533向小里程方向，使用YT28鉆機(jī)依次布置42雙排注漿導(dǎo)管，環(huán)向間距25 cm沿開(kāi)挖輪廓線范圍分布，導(dǎo)管長(zhǎng)度3.5 m，每環(huán)設(shè)2排，縱向間距2.0 m，搭接1.5 m;然后采用注水泥－水玻璃(硅酸鈉)雙液漿以加快凝結(jié)速度對(duì)松散塌體進(jìn)行固結(jié)?？紤]到隧道左側(cè)存在未完全坍塌的圍巖和部分格柵鋼架，因此對(duì)該部分未坍塌的隧道邊墻按打設(shè)單排超前注漿小導(dǎo)管注漿加固。

2.4 注漿固結(jié)工作面

為保證在開(kāi)挖作業(yè)中工作面的穩(wěn)定，還對(duì)工作面塌方體也進(jìn)行了水泥漿注漿加固。注漿管采用42、長(zhǎng)度4.0 m的鋼管，縱橫向間距1.0 m;為防止?jié){液流失，在塌渣外露面預(yù)先噴10cm厚C20混凝土止?jié){墻，每4 m為一循環(huán)，共計(jì)8個(gè)循環(huán)。漿液量控制在既能穩(wěn)定核心土、又不對(duì)圍巖增加太大強(qiáng)度而造成開(kāi)挖困難為原則。

2.5 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土

為避免塌體擾動(dòng)，上臺(tái)階采用風(fēng)鎬人工開(kāi)挖，人工手推車(chē)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行，下臺(tái)階采用機(jī)械開(kāi)挖運(yùn)輸。塌方后，圍巖變得軟弱，為防止變形過(guò)大造成初支結(jié)構(gòu)侵入襯砌凈空，在開(kāi)挖中預(yù)留20 cm的下沉量，即拱頂上挖20 cm，進(jìn)尺控制每環(huán)0.5m，預(yù)留核心土長(zhǎng)2.0m、寬3.0m、高2.5 m，降低開(kāi)挖面臨空高度，減緩開(kāi)挖面的坡面角度，抵抗開(kāi)挖面的下滑和再次塌方。左右兩側(cè)開(kāi)挖時(shí)分時(shí)開(kāi)挖，在半側(cè)圍巖支護(hù)完畢后再行施工另一半側(cè)。

2.6 安裝型鋼鋼架

自DK44+533向小里程方向，初期支護(hù)鋼架采用Ⅰ20工字鋼彎出弧度安裝，以利于初期支護(hù)及早受力。購(gòu)置液壓型鋼彎弧裝置一臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)制作型鋼鋼架部件，洞內(nèi)組裝。鋼架間距50 cm，并與超前小導(dǎo)管焊接;縱向連接采用22鋼筋，環(huán)向間距0.8 m;單層鋼筋網(wǎng)用8的鋼筋，網(wǎng)格為20 cm×20 cm;每榀鋼架拱腳底部每側(cè)各施打向下45°角的4根4 m長(zhǎng)注漿小導(dǎo)管鎖腳;噴射30 cm厚混凝土后形成整體受力體系，以支撐軟弱圍巖。

在型鋼鋼架安裝過(guò)程中，先開(kāi)挖上臺(tái)階左半側(cè)部分，支設(shè)左側(cè)半榀型鋼鋼架后，沿隧道中線核心土上設(shè)置300鋼管，頂住鋼架作為鋼架的臨時(shí)支撐;后開(kāi)挖上臺(tái)階右半側(cè)部分，支設(shè)右側(cè)型鋼鋼架;進(jìn)尺2.0 m后，開(kāi)挖推進(jìn)并同步去除核心土，安裝上臺(tái)階臨時(shí)仰拱型鋼鋼架和拆除核心土上的臨時(shí)支撐。

2.7 臨時(shí)仰拱

開(kāi)挖面為松散塌體，為達(dá)到上臺(tái)階支護(hù)形成封閉結(jié)構(gòu)目的，并避免在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程發(fā)生變形，故在上臺(tái)階設(shè)臨時(shí)仰拱。臨時(shí)仰拱采用Ⅰ20工字鋼，規(guī)格與初支相同，鋼架間距50 cm，縱向采用22鋼筋連接，環(huán)向間距0.5 m，臨時(shí)仰拱與型鋼鋼架焊接;雙層鋼筋網(wǎng)用8的鋼筋，網(wǎng)格為20 cm×20 cm，噴射30 cm厚混凝土。

2.8 徑向小導(dǎo)管注漿

考慮到超前小導(dǎo)管安裝角度小，難以對(duì)隧道輪廓線外塌方松散體進(jìn)行有效注漿固結(jié)處理，噴射混凝土完畢后應(yīng)采用40，L=4.0 m注漿鋼管對(duì)圍巖進(jìn)行注漿固結(jié)，以保證隧道輪廓線外3～5 m圍巖具有一定強(qiáng)度，達(dá)到形成受力輪廓、與鋼架共同受力的目的。注漿導(dǎo)管沿鋼架位置布置，徑向于隧道輪廓線打設(shè)，間距為0.4 m、0.5 m一環(huán)(圖3、圖4)，注水泥－水玻璃(硅酸鈉)雙液漿。采用徑向小導(dǎo)管注漿前先將掌子面圍巖進(jìn)行了封閉，目的是防止?jié){液滲漏或?qū)φ谱用鎳鷰r形成壓力造成再次坍塌。

圖3 注漿橫斷面布置

2.9 下臺(tái)階開(kāi)挖

下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，保留臨時(shí)仰拱做橫向支撐。采用挖掘機(jī)開(kāi)挖，先開(kāi)挖下臺(tái)階左半側(cè)部分，支設(shè)左側(cè)半榀型鋼鋼架后，后開(kāi)挖下臺(tái)階右半側(cè)部分，支設(shè)右側(cè)型鋼鋼架，并同步安裝隧底型鋼鋼架。下臺(tái)階邊墻巖體注漿與上臺(tái)階方式相同。

圖4 注漿縱斷面布置

2.10 仰拱混凝土澆筑

初期支護(hù)完成后，仰拱緊跟施作，每4.0 m整體澆筑一段仰拱，及時(shí)封閉成環(huán)。

2.11 監(jiān)控量測(cè)

加強(qiáng)對(duì)塌方體開(kāi)挖的監(jiān)控量測(cè)，對(duì)隧道頂、邊墻進(jìn)行定時(shí)、定位的觀測(cè)，隨時(shí)掌握圍巖變形動(dòng)向，并及時(shí)反饋進(jìn)行分析，修正和完善塌方處理方案，提供補(bǔ)救措施。

2.12 二次襯砌施工

二次襯砌調(diào)整為鋼筋混凝土。襯砌臺(tái)車(chē)組裝工作在該段塌方處理過(guò)程中同步進(jìn)行，以盡量減小工序間的時(shí)間間隔?？紤]到圍巖加固后外露的注漿管頭較多，因此在施工中取消了防水板的設(shè)置，施作防水混凝土以解決隧道防水問(wèn)題。在襯砌作業(yè)前根據(jù)沉降收斂數(shù)據(jù)情況對(duì)臨時(shí)仰拱進(jìn)行分段拆除，拆除一段，澆筑一段襯砌混凝土。

3 施工技術(shù)保障

鉆孔機(jī)械:配備XY－28－300電動(dòng)鉆機(jī)，鉆進(jìn)并頂進(jìn)長(zhǎng)管棚。

注漿機(jī)械:BW－250/50型注漿泵2臺(tái)。

施工中選擇水玻璃濃度(波美度)為35°Be，采用的水泥～水玻璃(硅酸鈉)體積比為1∶0.5，水玻璃模數(shù)2.4;水泥漿水灰比為1∶1，注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa;終壓2.0 MPa。必要時(shí)在孔口設(shè)置止?jié){塞。

在塌方治理過(guò)程中，嚴(yán)格按照治理方案及工藝要求精心組織、精心施工，嚴(yán)格遵循“探鉆結(jié)合、管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則，使該段隧道的塌方整治工作得以安全、順利地完成。

襯砌通過(guò)后，堅(jiān)持對(duì)圍巖沉降收斂的測(cè)頻率(先期監(jiān)控周期為2 h，待變形基本控制后每天測(cè)報(bào)1次)，目的是希冀從洞體的微小改變對(duì)圍巖的變化情況作出正確判斷。經(jīng)過(guò)近三年的變形監(jiān)測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯位移或變形，施工質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在隧道施工過(guò)程中，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，大力提倡超前預(yù)報(bào)更是十分必要的，這樣就可以根據(jù)地質(zhì)的具體情況和其復(fù)雜程度、采取相對(duì)合理的預(yù)防或加強(qiáng)措施來(lái)避免、減少塌方事故的發(fā)生。這樣既能保證安全，還節(jié)省了費(fèi)用、保證了工期，因此值得提倡。

而當(dāng)隧道塌方事故發(fā)生后，在保證安全的前提下，根據(jù)不同的地質(zhì)和施工條件來(lái)制定出科學(xué)、合理(節(jié)約)的塌方整治方案就極為重要了。綜合利用各種塌方整治技術(shù)的長(zhǎng)處，期翼在隧道施工及隧道塌方整治過(guò)程中從安全、合理、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面均能收到良好的效果。本隧道塌方整治方案的初衷即在于此，并將其指導(dǎo)思想貫穿于施工中的過(guò)程每一個(gè)環(huán)節(jié)。

[1]TB 10204－2002 J163－2002 鐵路隧道施工規(guī)范[S]

[2]TZ 204－2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S]

[3]TB 10210－2001 J118－2001鐵路混凝土與砌體工程施工規(guī)范[S]

[4]GB 50119－2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S]

[5]GB 50086－2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]

[6]TB 10417－2003鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S]