復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道塌方處治分析

祝云華

(內(nèi)江師范學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院,四川內(nèi)江641112)

隧道塌方是目前隧道工程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題,隧道中的巖石在開(kāi)挖后,原有的巖體結(jié)構(gòu)和受力平衡被破壞,巖體在自重的作用下,應(yīng)力重新分布,構(gòu)成新的受力平衡體系,在施工的過(guò)程中存在著許多的不確定因素,很容易因各種原因而造成塌方[1-2]。因此,如何采取有效措施預(yù)防和治理塌方,將塌方造成的危害降至最低,是隧道施工中最關(guān)鍵的問(wèn)題。本文結(jié)合在建某復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程,對(duì)其在施工過(guò)程中塌方處治技術(shù)進(jìn)行較為深入研究,以便為今后軟弱圍巖隧道塌方的處治提供參考資料。

1 工程概況

杭州至蘭州高速公路某隧道為一座上、下行分離的四車(chē)道特長(zhǎng)隧道,隧道位于重慶市巫山縣龍井鄉(xiāng)白水村至金雞村之間,呈近東西向展布,巫山端洞口位于龍井鄉(xiāng)白水村,奉節(jié)端洞口位于龍井鄉(xiāng)金雞村。隧道最大埋深約305 m,隧道右線(xiàn)巫山端洞口位于平曲線(xiàn)上,曲線(xiàn)半徑為R=2 700 m。右線(xiàn)奉節(jié)端洞口位于直線(xiàn)上。隧道左線(xiàn)縱坡為2.4%的單向坡,右線(xiàn)縱坡為2.4%和1.8%的單向坡。

隧道區(qū)內(nèi)主要褶皺為齊躍山背斜,巫山向斜,隧道區(qū)處在齊躍山背斜南翼。出露地層為三迭系中統(tǒng)巴車(chē)組(T2b)及第四系殘坡積碎石土(Qel+dl)。巖層產(chǎn)狀陡、變化大,基巖傾向南西～北東,傾角28°～78°,淺部巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體完整性較差,深部節(jié)理裂隙不發(fā)育～較發(fā)育,節(jié)理裂隙對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。隧道區(qū)基巖絕大部分為碳酸鹽類(lèi)巖石,裂隙巖溶水較豐富,除右線(xiàn)出口外,其余進(jìn)出口為泥質(zhì)粉砂巖,含風(fēng)化裂隙水,地下水接受大氣降水入滲補(bǔ)給;隧道水文地質(zhì)條件屬較復(fù)雜類(lèi)型;隧道洞室具滲流現(xiàn)象,地下水對(duì)隧道施工影響較大,隧道圍巖塌方破壞都發(fā)生在泥巖地段。

2 隧道塌方主要原因及特點(diǎn)

2.1 塌方原因分析

2.1.1 工程地質(zhì)因素

隧道YK34+620～YK34+680段距進(jìn)口620 m～680 m,埋深約100m,不同基巖巖性之間及不同風(fēng)化程度之間存在一定電性差異及密度差異,存在一定程度的斷層及構(gòu)造破碎帶,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散,層間結(jié)合力較低;圍巖為強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)膠結(jié)泥巖,自承能力差自穩(wěn)時(shí)間短,遇水后易軟化膨脹;該段的初期支護(hù)強(qiáng)度又明顯不夠,不能有效的阻止軟弱圍巖的流變,加之軟巖流變性突出,圍巖異常變形速率大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),巖體蠕變現(xiàn)象突出,使得圍巖松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大,以致初期支護(hù)無(wú)法承受擴(kuò)大后的松散巖體自身的圍壓,最終隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而塌方。

2.1.2 地下水造成的塌方因素

隧道塌方段圍巖基本上為鈣質(zhì)泥巖,遇水后易發(fā)生軟化和泥化現(xiàn)象,使得開(kāi)挖巖體強(qiáng)度及自穩(wěn)能力大大降低;且隨水的入滲,地表位移逐漸增加,隧道塌方前,地表位移增加趨勢(shì)明顯;同時(shí)隧道粘土礦物的存在又使得泥巖遇水膨脹,進(jìn)而產(chǎn)生大量的微孔隙,這些微孔隙的出現(xiàn)及其吸附效應(yīng)的影響[3],將破壞泥巖的天然內(nèi)部結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致巖體顆粒的碎裂解體;粘土礦物遇水后的溶蝕、次生作用,可使泥巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降;強(qiáng)大的地下水靜壓力和動(dòng)壓力,又大大增大了隧道初期支護(hù)負(fù)荷,使隧道施工存在較大的安全隱患[4-5],因此,水對(duì)此次塌方事故的發(fā)生起到了“催化劑”作用。

2.1.3 施工因素

隧道塌方發(fā)生時(shí),二次襯砌與開(kāi)挖掌子面距離約為95 m處,遠(yuǎn)大于三倍的隧道開(kāi)挖洞徑,此時(shí)的掌子面“空間效應(yīng)”的影響完全消失,而初期支護(hù)抗力小于圍巖的滑移力,圍巖異常變形急劇增加,施工方又沒(méi)有能及時(shí)采取有效措施來(lái)阻止險(xiǎn)情,最終導(dǎo)致塌方事故的發(fā)生。由于工程地質(zhì)條件極差,極易誘發(fā)塌方,現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)有出入,設(shè)計(jì)圍巖類(lèi)別為Ⅲ～I(xiàn)V級(jí),而根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況判斷為Ⅴ級(jí),沒(méi)有遵循“巖變我變”的原則及時(shí)變更開(kāi)挖方式和支護(hù)加固參數(shù)[6-7],依然沿用以前的施工方法和加固措施,初期支護(hù)嚴(yán)重偏弱是導(dǎo)致變形得不到有效的抑制,最終導(dǎo)致塌方事故發(fā)生。

2.2 塌方段工程特點(diǎn)

(1)隧道塌方段YK34+620～YK34+680渣體含碎石、巖屑、孤石,最大孤石有15 m3～20 m3,傳統(tǒng)灌漿管不宜成孔,很難采用超前錨桿管棚法等傳統(tǒng)方法進(jìn)行處理。

(2)由于塌方堆積體體積較大,塌方里程確定在YK34+645.5～YK34+670.5段,長(zhǎng)度25 m,處理起來(lái)在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。不僅如此,該堆積體受開(kāi)挖干擾產(chǎn)生移動(dòng)或引發(fā)隧洞再次塌方。

(3)由于塌方初期支護(hù)出現(xiàn)較大變形,并集中于右側(cè)拱頂至拱角部位,受內(nèi)擠壓力而壓壞鋼拱架,證明該部位的側(cè)向壓力很大,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱頂至拱角部位側(cè)向進(jìn)行超前預(yù)注漿和固結(jié)注漿施工措施,使掌子面上方進(jìn)一步形成一個(gè)比較厚的穩(wěn)定保護(hù)殼體。

3 塌方處治技術(shù)

通過(guò)對(duì)塌方地段的特征和原因的研究分析,結(jié)合其他隧道施工經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為較為合理的施工方法是采用超前支護(hù)措施:先采用小導(dǎo)管超前注漿,并結(jié)合超前錨桿對(duì)塌方段進(jìn)行固結(jié)處理,再進(jìn)行開(kāi)挖。加固掘進(jìn)后,如遇IV級(jí)圍巖破碎,應(yīng)及時(shí)采用超前錨桿加固,以保證洞身施工的順利進(jìn)行。

3.1 注漿小導(dǎo)管施工

注漿小導(dǎo)管必須嚴(yán)格遵循施工原則,布孔應(yīng)使?jié){液擴(kuò)散范圍相互重疊,避免出現(xiàn)“盲區(qū)”。在隧道開(kāi)挖前,采用風(fēng)鉆鉆孔、高壓風(fēng)清孔之后,將小導(dǎo)管放入孔內(nèi),沿隧道開(kāi)挖輪廓外排列,管內(nèi)注入水泥漿液。注漿小導(dǎo)管施工技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1,將預(yù)先彎制好的工字鋼支墊于小導(dǎo)管之下,并在拱腳處用鎖腳錨桿鎖定。人工配合風(fēng)鎬開(kāi)挖上導(dǎo)坑,開(kāi)挖完成后及時(shí)將臨空面初噴混凝土封閉,然后打系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、安裝工字鋼格柵、噴射混凝土封閉。待上導(dǎo)坑掘進(jìn)一段距離后,下導(dǎo)坑拉中槽、錯(cuò)槽開(kāi)馬口,并將臨空面及時(shí)初噴混凝土后安裝系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、安放邊墻工字鋼并與拱部工字鋼連接后噴射混凝土封閉。這樣注漿小導(dǎo)管與工字鋼共同組成預(yù)支護(hù)系統(tǒng),支撐和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖,噴射的混凝土將不連續(xù)的巖層層面膠結(jié)起來(lái),并產(chǎn)生楔形效應(yīng)而增加巖塊間的摩擦系數(shù),防止巖塊沿軟弱面滑移。圖2為導(dǎo)管布置及注漿范圍示意圖。

圖1 小導(dǎo)管注漿技術(shù)路線(xiàn)圖

圖2 導(dǎo)管布置及注漿范圍示意圖

3.2 超前注漿錨桿

對(duì)隧道塌方Y(jié)K34+645.5～YK34+670.5長(zhǎng)約25 m段,進(jìn)行超前注漿錨桿加固。本隧道中錨桿采用Φ 76 mm自進(jìn)式錨桿,環(huán)向間距30 cm,注雙液漿,以定量注漿為結(jié)束注漿標(biāo)準(zhǔn),漿液加固圈范圍定為1.0 m。

施工時(shí)應(yīng)根據(jù)巖體節(jié)理面產(chǎn)狀來(lái)確定錨桿的最佳方向,為加強(qiáng)共同支護(hù)作用,要求將超前錨桿尾端焊接在鋼支撐的腹部,采用藥卷材料作為粘接材料,每排超前錨桿縱向搭接不少于1.0 m。隧道塌方段超前錨桿布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 超前錨桿布置圖

3.3 排水措施

由于地下水對(duì)隧道塌方有著非常重要的影響作用,它能使軟化系數(shù)大的巖石強(qiáng)度降低,使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度減小,導(dǎo)致塌方。所以,在塌方處理過(guò)程中要有效處理好地下水,以保證塌體處理中不存在安全隱患。

本隧道排水的具體措施為:在上臺(tái)階開(kāi)挖完成后,沿開(kāi)挖段通長(zhǎng)設(shè)置Φ 159型鋼管,將隧道原掌子面處涌水抽出并排到洞外;當(dāng)開(kāi)挖面滲漏面積和水量較大時(shí),在滲漏處用鉆機(jī)鉆孔,找出滲漏水的主要裂隙,由鉆孔引流,將面上的滲漏水變?yōu)辄c(diǎn)上的滲漏水;在初期支護(hù)與二襯之間則設(shè)置環(huán)向排水管若干,間距為2m～3 m,橫向排水管每5m設(shè)置一道,與中央水管相連。

3.4 塌空腔處理措施

隧道坍塌段開(kāi)挖完成后,加固措施采用Φ 42小導(dǎo)管注水泥漿,小導(dǎo)管長(zhǎng)度3 m～4 m,間距1.0 m;同時(shí)對(duì)整個(gè)坍塌區(qū)拱部120°范圍內(nèi)的松散體進(jìn)行注漿固結(jié),固結(jié)層厚度為鋼支撐背后3.0 m,開(kāi)挖到Y(jié)K34+634～YK34+680段時(shí),及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施作跟進(jìn),按照V級(jí)圍巖襯砌斷面進(jìn)行施工,襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);塌方段襯砌施工完后,對(duì)設(shè)置套拱段施設(shè)小導(dǎo)管注漿錨桿進(jìn)行加固,待穩(wěn)固后對(duì)套拱進(jìn)行拆換,其開(kāi)挖支護(hù)方案仍按照V級(jí)圍巖進(jìn)行施工。塌方段處理各施工工序見(jiàn)圖4。

圖4 塌方體開(kāi)挖工序圖

4 塌方處治效果評(píng)價(jià)

為保證施工安全及檢查超前預(yù)支護(hù)施工的實(shí)施效果,根據(jù)塌方處理過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)塌方Y(jié)K34+660典型斷面曲墻收斂、拱頂沉降數(shù)據(jù)的分析,得到了該斷面的沉降和收斂變形速率和平均變形速率與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn),見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 沉降速率時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖6 收斂速率時(shí)程曲線(xiàn)圖

從圖5、圖6中可以看出:在洞身塌體段開(kāi)挖初期,隧道拱頂沉降和周邊收斂變形速率較大,但當(dāng)處治措施完成后,曲線(xiàn)變形很快就呈下降趨勢(shì),平均變形速率逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定,初始最大收斂速率為3.58 mm/d,經(jīng)過(guò)50余天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),表明其周邊收斂速率已小于1.5 mm/d,而拱頂沉降速率已基本穩(wěn)定在1.0 mm/d,符合規(guī)范要求,且其遠(yuǎn)小于該隧道其它正常斷面的變形速率,施工處于安全狀態(tài),也充分說(shuō)明了超前小導(dǎo)管、錨桿超前支護(hù)措施對(duì)防止圍巖惡化,控制隧道變形和預(yù)防塌方作用顯著。

5 結(jié) 論

(1)工程地質(zhì)條件、地下水、施工措施以及支護(hù)條件是誘發(fā)軟弱圍巖隧道塌方的主要因素。

(2)復(fù)雜條件下軟弱圍巖隧道塌方災(zāi)害施工處治關(guān)鍵在于弄清隧道塌方機(jī)理及類(lèi)型,切實(shí)做好各種預(yù)防坍塌措施。要針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況,找出其塌方原因及特點(diǎn),并采用合理的施工方法和支護(hù)參數(shù)。

(3)該隧道在掘進(jìn)施工中采取以上措施,有效地控制了塌方事故,整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生安全事故,而且質(zhì)量均在控制要求范圍內(nèi),表明軟弱圍巖采用的塌方災(zāi)害施工處治措施是成功的,可為今后類(lèi)似工程提供借鑒與參考。

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