海中洲隧道擴(kuò)建中原隧道塌方的處理技術(shù)

徐學(xué)深

(寧波順和路橋設(shè)計(jì)有限公司，浙江寧波 315105)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，交通量在迅猛增長，早期修建的城市隧道已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代交通的需求，改建或擴(kuò)建既有老隧道已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。由于受城市路網(wǎng)布局和建筑物等制約因素的影響，在盡量減少新增建筑用地，不改變?cè)新肪W(wǎng)布局和少拆遷建筑物等有利條件下，對(duì)既有隧道進(jìn)行擴(kuò)建是一種較為可行的優(yōu)先選擇方案。

如果既有隧道曾發(fā)生過坍塌或存在較大空洞，拓寬改建施工就會(huì)面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)。陳七林［1］在福州金雞山隧道拓寬工程研究中認(rèn)為，擴(kuò)建既有隧道的襯砌拆除施工會(huì)影響原坍塌面的穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)新的圍巖掉塊、坍塌甚至冒頂?shù)入U(xiǎn)情。對(duì)于隧道塌方處理方案上，蔡偉明［2］分析了福建甘芳隧道塌方原因，并提出從塌陷區(qū)地表處理、塌腔回填加固、塌區(qū)開挖支護(hù)及洞內(nèi)輔助施工等塌方處理技術(shù)。林貽森等［3］詳細(xì)介紹了贛龍鐵路新黃龍隧道施工過程中洞內(nèi)拱頂大面積塌方的處理方案和技術(shù)措施，主要有對(duì)塌陷范圍進(jìn)行注漿、初期支護(hù)采用工字鋼架和長管棚、超前小導(dǎo)管注漿、隧道塌方段采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法掘進(jìn)等措施。在塌腔處理上，郭艷偉［4］在奉云高速公路財(cái)神梁隧道塌方中采用護(hù)拱加回填處理技術(shù)。

相對(duì)于施工過程中的塌方，改擴(kuò)建工程碰到原塌方的處理難度會(huì)更大，未知的控制因素會(huì)更多［5］。目前國內(nèi)的隧道塌方處理大多發(fā)生在施工過程中的坍塌，而對(duì)于改擴(kuò)建工程碰到原塌方的處理案例和相關(guān)的研究文獻(xiàn)很少，類似海中洲隧道淺埋、大跨度、周邊環(huán)境復(fù)雜同時(shí)又有老塌方的城市隧道擴(kuò)建工程案例為國內(nèi)之罕見。本文主要闡述海中洲隧道擴(kuò)建過程中對(duì)原塌方的系統(tǒng)處理方案以及設(shè)計(jì)中采用的地表砂漿錨桿加固、塌腔處理、塌腔回填、爆破控制、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)等一系列有效措施。

1 工程概況

海中洲隧道是浙江省舟山市沈家門城區(qū)主干道上的一條短隧道，于1986年9月竣工，全長184.5 m，隧道凈寬為9.5m，凈高為4.5m，為雙向2車道隧道。原隧道拱圈洞身地段為40 cm厚混凝土襯砌，洞口段為40 cm厚鋼筋混凝土襯砌。隧道兩側(cè)直墻為50 cm厚漿砌塊石。隧道施工時(shí)出洞口段處曾發(fā)生塌方，塌方情況無施工記錄記載。與一般公路隧道相比，該隧道周邊環(huán)境十分復(fù)雜，制約因素諸多，有如下5個(gè)顯著特點(diǎn):

1)隧道埋深淺、地質(zhì)條件差。隧道洞頂最大高程為36.5m，最大埋深約29.5m，整座隧道都屬于淺埋。

2)隧道跨度大。由于地處沈家門市中心的主干路，兩側(cè)接線為雙向4車道，要求改建后的隧道盡可能增大斷面，提高通行能力。結(jié)合周邊地形、地物及道路等控制因素，采用隧道建筑限界凈寬為16 m、凈高為5 m、隧道兩拱腳寬度為17.04 m的大斷面，拱頂最大高度為8 m。

3)隧道周邊建筑物密集。與一般公路隧道不同的是，該隧道周圍建筑物密集，特別是隧道進(jìn)口明洞頂正上方有1幢5層磚混結(jié)構(gòu)的住宅樓。隧道正上方地表有建筑物(為沈家門醫(yī)院)，有1幢7層和1幢3層的混凝土樓房(見圖1和圖2)。

圖1 擴(kuò)建前隧洞洞門圖Fig.1 Haizhongzhou tunnel before rehabilitation

圖2 擴(kuò)建后隧道平面布置圖Fig.2 Plan layout of Haizhongzhou tunnel after rehabilitation

4)原隧道有塌方未處理。施工過程中在隧道出口約30 m處，由于地質(zhì)差曾發(fā)生大塌方，但未產(chǎn)生冒頂。限于當(dāng)時(shí)技術(shù)和資金上的制約，塌方未處理。

5)設(shè)計(jì)和施工控制參數(shù)要求高。設(shè)計(jì)和施工中同時(shí)要考慮2個(gè)方面的因素:①隧道施工期間要保證醫(yī)院的正常運(yùn)營和周邊建筑物的結(jié)構(gòu)安全;②保證隧道本身的結(jié)構(gòu)安全和耐久性，對(duì)精確的沉降計(jì)算和變形控制提出了極高的要求。

2 地形、地貌及水文、地質(zhì)

2.1 地形、地貌情況

海中洲隧道位于沈家門地區(qū)中部，為低矮丘陵區(qū)。區(qū)內(nèi)地形北部高，南部及東西兩側(cè)低，低矮丘陵的山脊線呈近南北向延展，最高處海拔為49.3 m，最低處海拔為3.2 m，地形坡度為31～33°，呈凸面坡形態(tài)。隧道頂部中軸線處高程為11.3～36.5 m。隧道頂部地面，其西部為沈家門人民醫(yī)院住宅區(qū)、實(shí)驗(yàn)樓及蓄水池，地形較平坦;其東側(cè)為零星分布的林區(qū)、墳?zāi)辜安说?，有較多人工開挖形成的陡坎(高1～3m)，地形高差變化較大。

2.2 水文、地質(zhì)情況

工作區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。地表無水庫等較大的水體和井、泉出露，也無常年性地表徑流，大氣降水呈短暫性地表徑流，沿山坡流向南側(cè)低處后，垂直滲透作用很弱，基巖裂隙富水性差。原塌方處頂部為坡積、洪積層，厚0.5～5.8 m，一般為1 m左右，含砂礫黏土。圍巖以強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化凝灰?guī)r為主，裂隙發(fā)育，并有強(qiáng)風(fēng)化鉀長花崗巖脈穿插，巖石破碎，穩(wěn)定性較差。隧道地質(zhì)縱斷面見圖3。

圖3 隧道地質(zhì)縱斷面圖Fig.3 Longitudinal profile of geological conditions of Haizhongzhou tunnel

3 原隧道塌方情況和塌方處理方案

3.1 原隧道塌方情況

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察揭示，K0+224～+231段為原隧道塌方區(qū)，形成沿隧道縱向長約7 m、橫向?qū)捈s9.8 m的空洞，塌方最高處與原隧道襯砌拱背距離為8.7 m，塌方最低處與原隧道襯砌拱背距離為1.3 m，塌方空腔體積約360 m3。該段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，巖層走向與隧道走向成近90°交角，有滑層和層間夾泥。原襯砌拱背上堆積原塌方渣體約50 m3。塌方區(qū)空腔頂?shù)乇砀采w層(強(qiáng)風(fēng)化的土夾碎石)厚度不一，最厚處約為20 m，最薄處為8 m左右。塌方處理橫斷面見圖4。

圖4 塌方處理橫斷面示意圖Fig.4 Sketch of collapse treatment

3.2 設(shè)計(jì)塌方處理方案

由于該塌方處理制約因素多，新老隧道橫斷面處于交叉的不利位置，塌方處理稍有不慎，便會(huì)波及地表，導(dǎo)致冒頂，影響洞頂上方建筑物的安全，后果不堪設(shè)想［6］。為順利通過塌方體，并避免產(chǎn)生新的塌方，設(shè)計(jì)中采用了地表砂漿錨桿加固、塌腔處理、塌腔回填、爆破控制、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)等一系列有效措施。

3.2.1 地表注漿錨桿加固

由于塌腔體面積大，塌腔體覆蓋層厚度薄且厚薄不均勻，為減少施工擾動(dòng)引起新的坍塌，開挖前需對(duì)地表進(jìn)行加固。首先考慮采用地表注漿對(duì)地層進(jìn)行加固，但在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)效果不佳，后改為地表注漿錨桿加固［7］。

處理加固樁號(hào)為K0+221～+234，縱、橫向在塌腔輪廓線外3 m范圍內(nèi)，輪廓線外錨桿要嵌入基巖地層，以保證塌腔壁的穩(wěn)定。注漿漿液采用水泥－水玻璃雙液漿，體積配合比為1∶0.5。注漿初始?jí)毫?.5～1 MPa，終壓為2～2.5MPa。達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)，延續(xù)20～30 min即可結(jié)束注漿。注漿鉆孔直徑為89 mm，注漿管采用φ60 mm鋼管(壁厚4 mm)，注漿管鉆花孔，鉆孔直徑為1 cm，間距為40 cm，梅花形布置。注漿鋼管橫向間距為100 cm，縱向間距為120 cm，梅花形布置。注漿順序?yàn)?橫向先兩側(cè)后中間，縱向先兩頭后中間。注漿結(jié)束后，在φ60 mm注漿鋼管內(nèi)中插入3根φ22 mm鋼筋束，鋼筋束端部與鋼管內(nèi)壁焊接。

為減少地表水下滲進(jìn)入塌腔體，對(duì)砂漿錨桿加固區(qū)范圍內(nèi)的地表采用C20的噴射混凝土封閉，厚度為5 cm。噴射混凝土中設(shè)置φ6.5 mm的鋼筋網(wǎng)，間距為20 cm×20 cm，注漿鋼管尾部與鋼筋網(wǎng)焊接。地表注漿錨桿加固見圖5。

3.2.2 塌腔處理

為控制塌方范圍的擴(kuò)大和保證施工過程中的安全，對(duì)塌腔壁采用噴、網(wǎng)、錨、撐相結(jié)合的方法進(jìn)行加固，塌腔內(nèi)用混凝土或其他材料回填密實(shí)。塌腔的處理原則是“穩(wěn)固既有坍塌面，快速處理封閉成環(huán)”。塌腔內(nèi)施工順序?yàn)?短進(jìn)尺拆除老隧道襯砌—進(jìn)入塌腔、初噴混凝土—立初期支護(hù)鋼拱架、掛網(wǎng)、噴混凝土—鋼管垂直立撐及縱、橫向連接—掛鋼筋網(wǎng)、復(fù)噴—初期支護(hù)護(hù)拱澆筑—初期支護(hù)臨時(shí)垂直支撐及縱向連接—新、老隧道之間空腔回填—初期支護(hù)—塌腔回填。

3.2.2.1 拆除老隧道襯砌

老隧道襯砌猶如護(hù)拱，起著防護(hù)作用，對(duì)施工作業(yè)人員的安全尤為重要［8］。老隧道采用礦山法施工，拱圈與巖面之間有20～50 cm的脫空，老隧道洞身段為40 cm的素混凝土襯砌，開挖時(shí)采用人工風(fēng)鎬作業(yè)，以減少震動(dòng)。初期支護(hù)緊跟，與老隧道襯砌之間的距離控制在50 cm左右，一旦發(fā)生新的大規(guī)模塌方時(shí)可減少塌渣落入隧道內(nèi)，提高施工作業(yè)的安全性。

3.2.2.2 塌腔初噴混凝土

當(dāng)隧道施工至K0+222坍塌面時(shí)，施工機(jī)具和人員已經(jīng)有足夠空間進(jìn)入塌腔。利用較矮的坍塌面為掩體，作業(yè)人員可以站立在老隧道襯砌上進(jìn)行施工:1)對(duì)坍塌面初噴5 cm厚的C25混凝土。為提高噴射混凝土的強(qiáng)度，在每m3混凝土中摻入5kg聚酯纖維。2)搭設(shè)腳手架。對(duì)坍塌面打設(shè)長3.5 m的φ22 mm砂漿錨桿，錨桿間距為1 m×1 m，鋪設(shè)φ6.5 mm的鋼筋網(wǎng)，間距為15 cm×15 cm。3)噴射5 cm厚的C25混凝土。噴射混凝土厚度達(dá)到10 cm。

3.2.2.3 立初期支護(hù)鋼拱架、掛網(wǎng)、噴混凝土

當(dāng)塌腔臨時(shí)穩(wěn)定時(shí)，按設(shè)計(jì)輪廓線立即施作上半斷面初期支護(hù)，安裝拱架內(nèi)側(cè)木模、噴射混凝土、立拱架掛網(wǎng)。初期支護(hù)參數(shù)為:30 cm厚的C20噴射混凝土;拱架采用I22b工字鋼，拱架間距為0.5 m/榀，拱架縱向采用φ22 mm的螺紋鋼連接，間距為0.5 m;φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，間距為20cm×20cm。初期支護(hù)每循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。

3.2.2.4 鋼管垂直支撐及縱、橫向連接

初期支護(hù)完成后，采用φ127 mm×6 mm的無縫鋼管徑向?qū)⑻媾c初期支護(hù)連接起來，將坍塌面圍巖的部分荷載轉(zhuǎn)移至初期支護(hù)，使之形成共同受力體。為增大鋼管的受力面積，鋼管兩端焊接200 mm×200 mm×4 mm的鋼板，鋼管沿拱架環(huán)向和縱向間距均為0.5 m。鋼管垂直支撐安裝完成后，采用φ25 mm的螺紋鋼將垂直支撐進(jìn)行縱、橫向連接，連接徑向間距為2 m;然后在坍塌面復(fù)噴10 cm厚的C25混凝土，將垂直支撐端部固定，在初期支護(hù)外表面澆筑護(hù)拱，護(hù)拱采用C30混凝土，厚度為30 cm。

3.2.2.5 初期支護(hù)臨時(shí)垂直支撐及縱向連接

由于隧道跨度大，為減少初期支護(hù)的承載力，在拱頂與拱腳1/2處，用垂直支撐將拱架與地面徑向連接。每榀臨時(shí)垂直支撐采用2根I18a工字鋼焊接而成，沿隧道縱向布置，間距為0.5 m，每榀垂直支撐用12號(hào)槽鋼縱向焊接，槽鋼徑向間距為2m。至此，塌腔基本穩(wěn)定。

3.2.2.6 新隧道與老隧道之間空腔回填

在塌方處，設(shè)計(jì)上將原來的隧道平面轉(zhuǎn)彎半徑由35 m增大至110 m，新、老隧道之間在橫斷面上是交叉關(guān)系，兩者之間約有18 m2空腔，按照J(rèn)TG F60—2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》［9］要求，需將該空腔回填密實(shí)?；靥畈牧喜捎肅10片石混凝土。

3.2.3 塌腔回填

塌腔經(jīng)穩(wěn)固處理后，塌方最高處與護(hù)拱之間的距離由原來的8.7 m降低到7 m左右，塌方空腔體積由原來的360 m3縮小到約280 m3。由于塌方區(qū)隧道埋深淺，最小埋深為8 m，而地表又有醫(yī)院、水池等建筑物，同時(shí)考慮運(yùn)營過程中隧道的耐久性和結(jié)構(gòu)安全等因素，決定將塌腔全部回填。回填時(shí)機(jī)選擇在初期支護(hù)仰拱封閉后，二次襯砌模筑混凝土澆筑之前［10］?；靥畈襟E為:1)在塌方最高處下面的初期支護(hù)上各打設(shè)1根混凝土泵送管和檢查管，第1次泵送C15混凝土總厚度為1.5m，泵送壓力控制在0.5 ～1.0MPa，為防止一次泵送量過大對(duì)初期支護(hù)產(chǎn)生較大影響，采用間歇泵送，待混凝土達(dá)到初凝強(qiáng)度后方可進(jìn)行下一次泵送，單次泵送量控制在10 m3以內(nèi)。2)回填混凝土上部空腔采用輕型材料，材料選用粉煤灰和普通硅酸鹽水泥混合物，水灰體積比為1∶1;水泥－粉煤灰質(zhì)量比為1∶7。經(jīng)試驗(yàn)，膠凝時(shí)間為7 h，分2次泵送至坍塌頂面。

3.3 塌方處理工程數(shù)量匯總表

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)修正，塌方處理工程數(shù)量見表1。

4 處理效果

自2007年2月5日進(jìn)入原塌方區(qū)至順利通過用時(shí)約25 d，經(jīng)過勘察設(shè)計(jì)階段對(duì)方案的認(rèn)真研究，施工過程中加強(qiáng)了系統(tǒng)處理方案的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，既保證了對(duì)原坍塌體安全可靠的處理，又確保了醫(yī)院的安全正常運(yùn)營和周邊建筑物的安全。本隧道于2011年9月通過竣工驗(yàn)收，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)都處于設(shè)計(jì)控制安全值以內(nèi)。

表1 塌方處理工程數(shù)量匯總表Table 1 Working quantity of collapse cave treatment

5 體會(huì)

1)對(duì)于老隧道改擴(kuò)建工程，首先應(yīng)仔細(xì)查閱原設(shè)計(jì)、勘察、竣工等資料，熟悉老隧道情況，必要時(shí)可通過走訪參與本項(xiàng)目的原建設(shè)人員，了解相關(guān)信息;其次應(yīng)通過地質(zhì)鉆探、地表探槽、地質(zhì)雷達(dá)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等多種手段做詳細(xì)的地質(zhì)勘察，為系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方案提供充分的依據(jù)。

2)對(duì)于波及地表的土質(zhì)淺埋隧道塌方的處理，應(yīng)針對(duì)具體情況采用綜合處理的方法。考慮水、地表穩(wěn)定、穩(wěn)固塌腔體、開挖與支護(hù)、腔體回填等因素及相互關(guān)系，采用全面系統(tǒng)的整治方案。除考慮施工階段的各項(xiàng)安全工作外，還需考慮運(yùn)營階段隧道的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

3)當(dāng)塌腔體面積大、覆蓋層薄，應(yīng)對(duì)地表進(jìn)行加固處理。若采用地表注漿對(duì)地層進(jìn)行加固效果不佳時(shí)，可采用地表注漿錨桿加固，以提高加固體的自成拱能力。

4)拆除擴(kuò)建既有隧道的襯砌，應(yīng)謹(jǐn)慎采用爆破拆除的方法，尤其臨近原坍塌區(qū)，盡量以人工拆除為主。

5)塌腔壁采用噴、網(wǎng)、錨、撐相結(jié)合的方法進(jìn)行加固，“穩(wěn)固既有坍塌面，快速處理封閉成環(huán)”是防止塌方規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵。

6)在塌腔回填中，為減少和緩和回填混凝土對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，回填應(yīng)堅(jiān)持少量、多次、間隔的原則。

［1］ 陳七林.金雞山隧道拓寬改造方案研究［J］.隧道建設(shè)，2011，31(5):577 － 582，592.(CHEN Qilin.Case study on widening options of Jinjishan tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31(5):577 －582，592.(in Chinese))

［2］ 蔡偉明.甘芳隧道的塌方處理技術(shù)［J］.公路與汽運(yùn)，2009(4):244－247.

［3］ 林貽森，李德發(fā)，鄒華.新黃龍隧道塌方處理技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(8):84－85.

［4］ 郭艷偉.護(hù)拱在處理隧道塌方中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(S1):239－241.

［5］ 錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008(4):6－12.(QIAN Qihu，RONG Xiaoli.State，issues and relevant recommendations for security risk management of China’s underground engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(4):6 －12.(in Chinese))

［6］ 關(guān)寶樹.隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003:1－33.

［7］ 萬明富，曹繼偉，張冠華，等.隧道穿越崩塌體的設(shè)計(jì)施工技術(shù)［C］//2001年全國公路隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.福建:中國公路學(xué)會(huì)隧道工程分會(huì)，2001:217－222.

［8］ 李佳翰，朱晃葵，卓孟慧，等.既有隧道擴(kuò)挖及改建技術(shù)探討［J］.隧道建設(shè)，2011(S1):366 －372.(LEE Chiahan，CHU Huangkuei，CHO Menghui，et al.Study on enlarging and reconstruction technology of existing tunnel［J］.Tunnel Construction，2011(S1):366 －372.(in Chinese))

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［10］ 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003:1－17.