吳坑隧道特殊巖性段塌方原因分析及處理方案

作者：陳少虎

一、工程概況

吳坑隧道位于龍廈鐵路龍巖至漳州區(qū)間南靖縣境內(nèi)，隧道所處位置低山、丘陵較陡峻，山體自然坡度15～40°，植被較為發(fā)育，起訖里程為DK52+067～DK54+040，全長1973m，其中明洞29m，設(shè)計(jì)Ⅴ級圍巖254m，Ⅳ級圍巖299m，Ⅲ級圍巖216m，Ⅱ級圍巖1175m。

二、工程措施

在施工過程中，參建四方現(xiàn)場判定出露巖層主要為強(qiáng)～全風(fēng)化黑云母花崗巖，呈灰色，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，節(jié)理層間充填有全風(fēng)化軟弱夾層，厚度5～20mm，手捏呈泥狀、濕滑，拱部掉塊嚴(yán)重，圍巖級較設(shè)計(jì)圍巖差，多處發(fā)生變更。其中DK53+485～DK53+405段巖由Ⅱ級變更為IV級圍巖；DK53+485～DK53+680段由Ⅱ級變更為IV級圍巖。變更后，隧道支護(hù)措施如下：

1．DK53+680～DK53+485段按IV級圍巖施工，采用φ25超前注漿錨桿，環(huán)向間距40cm，初期支護(hù)采用150×150格柵鋼架，間距1.0m/榀；

2.K53+485～DK53+405段按IV級偏壓施工，采用φ42超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，環(huán)向間距40cm，初期支護(hù)采用I18型鋼鋼架，間距0.8m/榀；

3.隧道開挖工法采用臺階法施工。

三、隧道塌方狀況及原因分析

1．隧道塌方狀況

（1）2008年6月17日，吳坑隧道出口發(fā)現(xiàn)DK53+690～DK53+712線路右側(cè)邊墻初期支護(hù)發(fā)生開裂、滑塌，隨后拱部及邊墻滲水，塌方范圍不斷擴(kuò)大，拱頂及兩側(cè)頻繁掉塊；至6月26日，拱頂右側(cè)塌方最大高度超過15m，寬度約12m；至7月1日，塌方段地表發(fā)生塌陷（此處隧道埋深58米），形成錐形塌陷坑，沿線路方向塌陷范圍DK53+694～DK53+722，縱向長28m，隧道中線左側(cè)寬15m，隧道右側(cè)寬9m，深度8m。

（2）2009年2月27日，隧道掌子面施工里程為DK53+405，二襯里程施工為DK53+557，仰拱里程施工為DK53+492。檢查時發(fā)現(xiàn)DK53+424～DK53+486m段拱頂下沉，初期支護(hù)變形開裂，裂縫走向?yàn)榄h(huán)向，寬度約1cm，個別處所噴射砼脫落，工字鋼架拱腰處發(fā)生扭曲變形，圍巖累計(jì)變形量大、侵限值達(dá)10～53cm。

（3）2009年5月18日，DK53+405～DK53+486m初支換拱完成后仍然發(fā)生較大變形，最大變形量達(dá)28.7cm，I20工字鋼臨時橫支撐和斜支撐受力變形，最終引發(fā)塌方。本次塌方地段DK53+405～DK53+426換拱已經(jīng)完成，掌子面距仰拱步距為15米，二襯步距為21米。DK53+405～DK53+426段線路左側(cè)初期支護(hù)邊墻部位出現(xiàn)滲水，導(dǎo)致DK53+405～DK53+426段拱部、邊墻初期支護(hù)破壞，發(fā)生坍塌，地表DK53+410～DK53+424范圍出現(xiàn)長15m，寬7m、深約6m的塌陷坑。實(shí)測塌陷范圍隧道埋深52m～58m。

2. 塌方原因分析

隧道先后發(fā)生了三次塌方變形，前兩次塌方變形參建四方判斷認(rèn)為有以下幾個原因：

（1）塌方段圍巖巖性為黑云母花崗巖，肉紅色，弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部成“X”型貫通微強(qiáng)節(jié)理，將圍巖分割成塊狀, 圍巖破碎，節(jié)理面之間多充填全風(fēng)化軟弱夾層，厚度5～15mm，手捏呈泥狀、濕滑，巖塊間粘結(jié)力較小,圍巖整體性差；

（2）設(shè)計(jì)支護(hù)措施偏弱，初支成環(huán)時間慢，未能發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力；

（3）因降雨造成地表水富積，地表水下滲造成強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化花崗巖軟化，是塌頂現(xiàn)象的發(fā)生的誘因。

第一、二次塌方分析起初認(rèn)為隧道的塌方變形是因?yàn)閲鷰r軟弱、設(shè)計(jì)支護(hù)措施偏弱、初支成環(huán)施工滯后，二襯、仰拱未能緊跟等原因而引起。此外，還猜想本段圍巖巖性可能有一定的特殊性，存在地應(yīng)力，但沒有真正地對巖性進(jìn)一步進(jìn)行研究，對圍巖的性質(zhì)有誤判，現(xiàn)場判定巖性為弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖，隧道實(shí)際的巖性為輝綠巖夾花崗巖。直到第三次發(fā)生塌方后，因初支破環(huán)、I20工字鋼臨時橫支撐和斜支撐受力變形、監(jiān)控量測變形量大等現(xiàn)象，才意識到本段地質(zhì)巖層可能存在特殊性，按常規(guī)地段進(jìn)行施工有較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，邀請了福州大學(xué)有關(guān)地質(zhì)人員對隧道的巖性進(jìn)行判定、試驗(yàn)分析。

3．土工試驗(yàn)分析

在現(xiàn)場選取全風(fēng)化輝綠巖脈典型巖樣進(jìn)行土類、顆粒級配、自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換測試，巖樣試驗(yàn)表明：

（1）自由膨脹率平均為84%，在60~90之間，屬中等膨脹；蒙脫石的含量平均為10.1%，在工作中7~17之間，屬弱膨脹；陽離子交換平均182，在170~260之間，屬弱膨脹。

（2）現(xiàn)場對圍巖進(jìn)行取芯無法取得完整的芯樣，可判定巖體單軸搞壓強(qiáng)度小于5mpa；

（3）現(xiàn)場觀察，巖樣具光滑擠壓擦痕，硬塑時易沿微裂隙面散裂，吸水膨脹、失水干縮，巖樣放入水中很快崩解。綜合分析，DK53+405～DK53+426段為弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，其間充填厚度不等的全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖巖脈。具絲絹光澤，手摸有滑膩感。隧道圍巖巖性具有一般和典型膨脹巖物理力學(xué)特性。

4. 隧道受力分析

圍巖與初支間接觸應(yīng)力及工字鋼拱架應(yīng)力分析

為掌握輝綠巖巖脈分布段圍巖壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時間、工序變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀況、穩(wěn)定性等進(jìn)行深入分析，特在隧道出口端輝綠巖巖脈分布的典型地段選取測試斷面對圍巖壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

（1）測點(diǎn)布置

初期支護(hù)鋼拱架的應(yīng)力用振弦式應(yīng)變計(jì)量測，初期支護(hù)背后土壓力用振弦式雙膜土壓力盒進(jìn)行量測，測點(diǎn)布置如圖。測試斷面布設(shè)在DK53+359.2m，應(yīng)變計(jì)布置在鋼拱架靠近內(nèi)翼板一側(cè)（臨空面）的腹板上，土壓力盒布置在鋼拱架外側(cè)。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

①從量測的數(shù)據(jù)看，圍巖與初期支護(hù)間最大接觸應(yīng)力為900.5kPa，出現(xiàn)在右邊墻（40850，面向小里程）；鋼拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂（47819），已達(dá)材料屈服應(yīng)力(fy=360MPa)，鋼拱架拱頂右側(cè)測點(diǎn)(編號：30836)的最大應(yīng)力也已達(dá)材料的屈服應(yīng)力，且應(yīng)變?nèi)栽谠鲩L。

②圍巖與初期支護(hù)間接觸應(yīng)力最大增長值（29.8kPa）出現(xiàn)在拱頂（30900，面向小里程），增長速率為29.8kPa/d；鋼拱架應(yīng)力最大增長值（14.0MPa）出現(xiàn)在右拱腰(18591，面向小里程)，增長速率為14.0MPa/d。

從應(yīng)力測試情況看，鋼拱架拱頂處的最大應(yīng)力已達(dá)材料的屈服應(yīng)力。由于鋼材為理想彈塑性材料，應(yīng)力最大點(diǎn)(H型鋼翼板外側(cè))達(dá)到屈服應(yīng)力后，如果圍巖壓力繼續(xù)增長，屈服區(qū)域?qū)⒅饾u由H型鋼翼板向腹板擴(kuò)展，由拱頂向拱腰擴(kuò)展。從測試結(jié)果看，鋼拱架屈服區(qū)域正由拱頂向右拱腰擴(kuò)展，鋼拱架拱頂至右拱腰(傳感器編號：47819～30836段)屈服區(qū)域已經(jīng)連通。測試結(jié)果表明，隧道右側(cè)圍巖與初期支護(hù)間接觸應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力均較大，應(yīng)加強(qiáng)對右側(cè)圍巖的支護(hù)。

5. 隧道受力分析

根據(jù)現(xiàn)場輝綠巖脈的厚度、分布及產(chǎn)狀、應(yīng)力情況分析，繪制出隧道受力圖。圖中隧道右側(cè)的應(yīng)力是朝向臨空面的，可見隧道的拱部及右側(cè)拱肩、拱腰處在不利的受力位置。

四、隧道塌方處理方案

隧道塌方后，對DK53+405～DK53+442、DK53+442～DK53+486初支變形侵限段進(jìn)行了換拱處理；對塌方冒頂段DK53+690-717及DK53+405-426制定了方案進(jìn)行加固，此兩段的塌方加固方案大同小異，這里僅選DK53+405-426一例進(jìn)行闡述。

1.洞外加固措施

針對塌方情況,采取了“洞內(nèi)加固為主、洞外適當(dāng)加固”的原則。

（1）地表防排水：塌陷坑及周邊一定范圍內(nèi)的地表進(jìn)行平整、遮蓋，塌陷坑周邊設(shè)置50cm寬，30cm深梯形截水溝，防止地表水滲入隧道。

（2）地表壓漿：在地表縱向里程DK53+380～DK53+440長60m，橫向?qū)?0m范圍打入φ89鋼管，長度50m（開挖輪廓線以上15m采用鋼花管），壓注1：1水泥漿，地表壓漿固結(jié)范圍為塌方段拱部以上15m高度范圍，鋼管間距2.5×2.5m梅花型布置（見圖4-1）。通過地表壓注水泥漿固結(jié)塌方松散體，改善塌方松散體物理力學(xué)性質(zhì)，確保隧道內(nèi)施工安全和運(yùn)營安全。

2.洞內(nèi)加固措施

（1）待隧道內(nèi)塌方穩(wěn)定，在DK53+426～DK53+438段對塌方體進(jìn)行反壓回填，松碴體底腳采用砂袋堆碼抗滑墻，墻厚2.0m，高2.5m；松碴體表面掛Φ8鋼筋網(wǎng)片噴射C25混凝土厚20cm封閉，再在松碴面打入Φ42小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長4.0m，壓注水泥漿固結(jié)，防止松碴體進(jìn)一步滑動。

（2）洞內(nèi)以長管棚加固為主，小導(dǎo)管加固為輔，對開挖輪廓線以外的松碴體進(jìn)行固結(jié)，在預(yù)加固措施的保護(hù)下進(jìn)行塌方段開挖及支護(hù)。

（3）洞內(nèi)長管棚施工。首先在DK53+425里程拱部180度范圍打設(shè)1環(huán)超前注漿小導(dǎo)管，壓注水泥漿固結(jié)開挖輪廓周圍松散體，以便長管棚的打設(shè)；其次，在開挖輪廓外打設(shè)φ108×9mm長管棚，加固范圍：縱向?yàn)镈K53+405～DK53+426，環(huán)向?yàn)楣安?20度，鋼管環(huán)向間距中至中為40cm，每環(huán)鋼管長度約為10m，注漿采用1：1水泥漿。

（4）在長管棚間套打小導(dǎo)管，壓注1：1水泥漿。

（5）采用三臺階臨時仰拱法進(jìn)行開挖，一次進(jìn)尺一榀鋼架間距，邊挖邊護(hù)。

五、穿越膨脹性輝綠巖地段的施工措施

根據(jù)已施工地段監(jiān)控量測、土工試驗(yàn)情況及應(yīng)力分析，研究了兩種穿越膨脹性輝綠巖地段施工措施：一種為采用雙層鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，先用有柔性的格柵鋼架支護(hù)，釋放一部份應(yīng)力后再用I20鋼架強(qiáng)支護(hù)；另一種為采用大截面的工字鋼架進(jìn)行支護(hù)，同時加強(qiáng)系統(tǒng)錨桿和超前支護(hù)；前種施工方法優(yōu)點(diǎn)是對施工安全比較有保證，缺點(diǎn)是不容易施工。因此決定采用后一種施工方法施做30米長的試驗(yàn)段，再推廣應(yīng)用（膨脹性圍巖全長約210米），隧道的初期支護(hù)、超前支護(hù)、二次襯砌參數(shù)如下：

（1）初期支護(hù)采用HW175型鋼，縱向間距0.6m/榀，提高初期支護(hù)剛度。

（2）采用鋼纖維噴射混凝土支護(hù)。本段屬于軟巖隧道，不允許圍巖有較大的變形，必須采用韌性適度的高強(qiáng)度和高剛度的預(yù)支護(hù)。噴射混凝土摻加鋼纖維是上策，鋼纖維能限制或滯后砼基體裂縫的發(fā)展，具有較高的阻裂效應(yīng)。

（3）系統(tǒng)錨桿采用5m長中空注漿錨桿，環(huán)縱向間距為0.8m×0.6m，加大對松動圈半徑范圍的加固，形成成拱效應(yīng),隧道右側(cè)受力較大，打設(shè)錨桿時右側(cè)適當(dāng)加密。

（4）超前支護(hù)采用4.5m長小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.3m,縱向2.4m/循環(huán)，通過注漿提高圍巖的抗壓強(qiáng)度，激發(fā)圍巖的自承能力，提高巖石接縫或不連續(xù)處的剪切強(qiáng)度，加固松散巖塊，防止地下水浸泡松動圈的圍巖。

（5）二次襯砌厚度由55cm加大為70cm，鋼筋加強(qiáng)，外輪廓采用圓形或接近圓形斷面，內(nèi)輪廓保持原狀不變，改善二襯的受力效果。

（6）鋼架采用H175型鋼，改善受力效果，拱腳處左右側(cè)各設(shè)置2根4m長的鎖腳錨桿，接腿時鋼架腳墊鋼板，減小隧道的變形量。

（7）預(yù)留變形量按30cm考慮，開挖工法采用三臺階法，同時加強(qiáng)監(jiān)控量測，嚴(yán)格按照規(guī)范布點(diǎn)和分析。

（8）A、B單元連接受力較大，噴射混凝土出現(xiàn)開裂、鼓出現(xiàn)象，該處采用直徑較大的連接螺栓，增加剛度。

施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行“快挖、快支、快襯”的理念，加強(qiáng)工序管理，仰拱、二襯距掌子面距離不得超過30m和45m。從監(jiān)控量測情況來看，雖然變形量仍然較大，但在初期支護(hù)閉合成環(huán)后，受力結(jié)構(gòu)得到明顯的改善，隧道變形量拱頂下沉由45mm減小為21mm，水平收斂由64mm減小為38mm，且收斂能在較短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，經(jīng)觀察噴射混凝土未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，實(shí)踐證明用上述的支護(hù)措施和施工方法穿越膨脹性輝綠巖地段方案可行，之后，在DK53+247～DK53+372段進(jìn)行推廣應(yīng)用。

結(jié)束語

在鐵路工程建設(shè)中，隧道發(fā)生塌方，究其原因是多方面的：設(shè)計(jì)方面，因初期地質(zhì)勘察的局限性，不能完全揭露隧址區(qū)地質(zhì)情況，常通過工程類比法確定支護(hù)參數(shù)和施工工藝，預(yù)設(shè)計(jì)支護(hù)存在一定的盲目性。

施工方面，監(jiān)控量測未做到位，未能正確指導(dǎo)施工；初期支護(hù)成環(huán)、仰拱緊跟滯后，塌方處理不及時，導(dǎo)致初期支護(hù)受圍巖形變壓力的能力減弱，沒能發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。

最后，對隧道的塌方原因一定要深入進(jìn)行分析，找出塌方的主要原因。在這三次塌方變形發(fā)生過程中，前兩次分析主要認(rèn)為是施工因素造成的，相關(guān)人員對地質(zhì)情況的識別能力有限，對巖性判別不準(zhǔn)確，沒有充分認(rèn)識到輝綠巖的膨脹性所帶來的危害，所制定的支護(hù)措施偏弱，方案不合理，導(dǎo)致隧道一塌再塌，損失慘重。

[1]劉志剛趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù). 中國鐵道出版社,2001年12月第1版.

[2]鐵路工程施工技術(shù)手冊.隧道. 中國鐵道出版社,1999年10月第2版.

[3]鐵路工程施工技術(shù)指南.客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南.鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院發(fā)布,2005年12月第1版.

[4]龍廈鐵路施工圖吳坑隧道.中鐵第四勘測設(shè)計(jì)院，2007年5月.

[5]劉成禹.吳坑隧道巖性分析資料.福州大學(xué),2009年8月

[6]劉成禹.吳坑隧道圍巖與初支間接觸應(yīng)力及工字鋼拱架應(yīng)力檢測資料.福州大學(xué),2009年10月