東掌隧道塌方的成因及處理辦法

萬(wàn)民晶

(山西省交通建設(shè)開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

山西高平—河南新鄉(xiāng)山西段(高陵)高速公路起于高平市河西鎮(zhèn)常樂(lè)村，止于陵川縣古郊鄉(xiāng)營(yíng)盤村，全長(zhǎng)62.945 km，是山西省“三縱十一橫十一環(huán)”高速公路規(guī)劃網(wǎng)中的第十橫，與河南境內(nèi)在建的新鄉(xiāng)至高平高速公路連接，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km。

高陵高速公路的東掌隧道，是一座上下行分離的四車道高速公路隧道，位于陵川縣潞城鄉(xiāng)東掌村西側(cè)，隧道右幅全長(zhǎng)421 m，最大埋深為46.4 m。進(jìn)出口洞門均為削竹式。隧道單洞最大開(kāi)挖寬度達(dá)12.3 m，在洞口淺埋段及Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)軟弱圍巖地段采取的超前支護(hù)措施包括超前長(zhǎng)管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿及超前錨桿等。洞身襯砌采取復(fù)合式襯砌形式。

2 隧道地質(zhì)條件及圍巖類別判定

東掌隧道右幅K39+035～K39+218段原設(shè)計(jì)描述洞體埋深15.0 m～42.2 m，圍巖由奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(Q2S)灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，弱～微風(fēng)化，隧道洞身均為灰?guī)r，泥灰?guī)r位于洞體以上10 m～15 m，巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈中厚層狀，地下水出水狀態(tài)為潮濕，灰?guī)r Rc=50 MPa～60 MPa，Kv=0.6～0.65，BQ=390～433，地下水修正系數(shù) K1=0.1，[BQ]=380～423，綜合評(píng)定圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

通過(guò)在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)前采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)K39+049～K39+079段30 m洞室開(kāi)挖巖土工程地質(zhì)條件發(fā)現(xiàn)，K39+060～K39+079段雷達(dá)反射波稍強(qiáng)，預(yù)計(jì)其范圍內(nèi)圍巖特征節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊～塊碎狀結(jié)構(gòu)，局部較破碎，且有弱夾層，整體性稍差，建議本段圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

3 隧道塌方成因分析

隧道開(kāi)挖掘進(jìn)施工采取上下兩層導(dǎo)坑法施工，Ⅳ級(jí)圍巖初期支護(hù)采?、?4工字鋼加工的鋼拱架，縱向間距1 m，拱頂環(huán)向布設(shè)間距為40 cm，長(zhǎng)度為5.2 m的φ25砂漿超前錨桿，徑向在拱部1/3采用長(zhǎng)度2.5 m的φ25砂漿錨桿，間距100 cm×120 cm梅花形布置，拱部1/3以外部位采用長(zhǎng)度2.5 m的φ22早強(qiáng)藥卷錨桿，間距100 cm×120 cm梅花形布置，并沿拱架設(shè)置25 cm×25 cm的φ8鋼筋網(wǎng)片后噴射21 cm厚C25混凝土完成初期支護(hù)。

當(dāng)右幅掌子面施工掘進(jìn)至里程K39+065.2～K39+067.2段時(shí)，于2009年8月24日下午17:40發(fā)生大規(guī)模坍塌，拱頂坍塌最深約4.5 m。

從坍塌后的巖層顯示(見(jiàn)圖1)，上導(dǎo)坑掌子面下部圍巖為中厚層結(jié)構(gòu)，石頭呈塊狀，層厚約1.0 m～1.5 m，石塊間夾泥層，泥層厚度約5 cm，巖體穩(wěn)定性一般。上導(dǎo)坑掌子面上部圍巖也為層狀結(jié)構(gòu)，層厚約0.6 m，石塊間夾泥層，泥層厚度約10 cm，巖體不穩(wěn)定。拱頂圍巖仍為層狀、塊狀結(jié)構(gòu)，石塊最大粒徑約1.0 m，石塊最小粒徑約0.4 m，最薄層厚度約0.3 m。拱頂裂隙發(fā)育，最大約4 cm，石塊間夾粘性土泥層，泥層厚度最大約10 cm。拱頂坍塌嚴(yán)重，最深約4 m，最大面積約20 m2，塌落的石塊最重約200 kg，巖體極不穩(wěn)定。地下水出水狀態(tài)為潮濕，使石塊間的泥層被水浸濕呈糊狀稀泥，并沿縫隙跌落，嚴(yán)重破壞石塊與石塊的粘結(jié)力，最終使石塊之間無(wú)粘結(jié)力，導(dǎo)致巖體嚴(yán)重坍塌。

圖1 東掌隧道塌方斷面圖

綜合分析，巖體呈大塊破碎狀，圍巖自穩(wěn)性很差，塌方體荷載遠(yuǎn)大于超前錨桿的錨固承載力，導(dǎo)致超前支護(hù)時(shí)超前錨桿無(wú)法承受拱頂巖體的壓力，這是引起此次塌方的主要原因。

4 工程處治方法

4.1 排險(xiǎn)與支護(hù)

K39+065.2～K39+067.2段坍塌后，通過(guò)一段時(shí)間的靜置觀測(cè)，拱頂再未坍塌，在充分調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，先進(jìn)行了出渣，及時(shí)清理封閉掌子面，隨后按照變更支護(hù)方案進(jìn)行了支護(hù)，并對(duì)后續(xù)掘進(jìn)施工方案進(jìn)行了調(diào)整。

4.2 初支方案的確定

按照塌落的最大石塊直徑為1 m，重量為200 kg計(jì)算，如果不發(fā)生混凝土沖切破壞，通過(guò)公式d≥kG/RLu計(jì)算得出噴射混凝土厚度必須大于20 cm(其中，G為由危石重量引起的作用力;u為危石底面周長(zhǎng);RL為噴射混凝土計(jì)算抗拉強(qiáng)度;k為安全系數(shù)，可取3～5，此處取4;d為噴射混凝土厚度)，查原設(shè)計(jì)厚度為21 cm，能滿足支護(hù)強(qiáng)度要求，但針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)坍塌體以及現(xiàn)場(chǎng)超前錨桿的受力狀況分析(見(jiàn)圖1)，認(rèn)為φ25砂漿錨桿無(wú)法確保圍巖穩(wěn)定，支護(hù)安全系數(shù)偏低，另外，通過(guò)綜合坍塌段巖體的工程地質(zhì)狀況分析以及應(yīng)力計(jì)算，認(rèn)為原設(shè)計(jì)采取初期支護(hù)時(shí)Ⅰ14鋼拱架無(wú)法承受拱頂圍巖塌落及下沉的巖體自重力。為此，在工程施工中，針對(duì)坍塌地段采取埋設(shè)注漿導(dǎo)管進(jìn)行拱頂注漿觀測(cè)，待坍塌加固區(qū)域拱頂不下沉，收斂趨于穩(wěn)定，及時(shí)進(jìn)行采取掌子面的初期支護(hù)，初期支護(hù)類型仍為Ⅳ級(jí)襯砌結(jié)構(gòu)，但在支護(hù)中采用Ⅰ18鋼拱架、雙排φ42超前注漿小導(dǎo)管加強(qiáng)掌子面，確保了該區(qū)域的圍巖及初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.3 調(diào)整的掘進(jìn)方案

為避免后續(xù)段落出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)坍塌的情況發(fā)生，在掘進(jìn)施工中，如果按照先前的上下兩層導(dǎo)坑法施工，在上導(dǎo)坑開(kāi)挖施工，尤其在下導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)，爆破會(huì)對(duì)山體圍巖進(jìn)行二次擾動(dòng)形成拱圈受力，使支護(hù)變形、下沉，造成大塌方。因此，在后續(xù)施工中，采取了“弱爆破、少擾動(dòng)、早支護(hù)、勤量測(cè)、緊封閉”的措施(見(jiàn)圖2)，一方面把上導(dǎo)坑開(kāi)挖法變更為三層臺(tái)階法施工，另一方面為達(dá)到減振效果，本隧道后續(xù)段落Ⅳ級(jí)圍巖在雷管段數(shù)足夠的情況下采用了中心軸不對(duì)稱起爆法，相當(dāng)于將爆破網(wǎng)絡(luò)中的用藥量較大的一圈掘進(jìn)眼分成了兩次起爆，減少了每段的用藥量。在后續(xù)施工中做到了掌子面少擾動(dòng)，進(jìn)一步控制了圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，確保了較破碎、整體性稍差地段的安全掘進(jìn)施工，為施工不留任何安全隱患奠定了基礎(chǔ)，至此后未出現(xiàn)任何安全事故。

施工順序：測(cè)量→超前錨桿→上部打掘進(jìn)眼→裝藥→起爆，通風(fēng)→清幫、找頂→初噴混凝土→出渣→設(shè)置錨桿→復(fù)噴混凝土→下一循環(huán)測(cè)量→下部打掘進(jìn)眼→裝藥→起爆，通風(fēng)→出渣→初噴混凝土→設(shè)置錨桿→復(fù)噴混凝土→下一循環(huán)測(cè)量→仰拱開(kāi)挖，出渣→澆筑仰拱混凝土→鋪設(shè)防排水系統(tǒng)及二襯混凝土→下一循環(huán)

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)高速公路發(fā)展迅速，特別是山區(qū)高速公路越來(lái)越多，每年開(kāi)工和在建的隧道也隨之大增。隧道工程因?qū)匐[蔽工程，地質(zhì)變化情況難以準(zhǔn)確探測(cè)，施工中塌方事故屢見(jiàn)不鮮。希望本文能對(duì)以后的隧道塌方處理提供些許經(jīng)驗(yàn)或者提示。

[1] JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 高平至新鄉(xiāng)高速公路高平至陵川段路基第七合同段兩階段施工圖設(shè)計(jì)(隧道)[Z].山西省交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2009.

[4] 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.