強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖隧道塌方處理方法及效果分析

武文秀，李余生，田彩霞

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059）

1 引言

在青藏高原地區(qū)，由于海拔高，冰凍期長(zhǎng)，路面結(jié)冰嚴(yán)重影響交通安全，為繞避冰雪路段需要在渾厚的山體中修建長(zhǎng)大隧道。在公路隧道施工過程中很容易引起塌方，不僅會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)嚴(yán)重影響施工安全和施工進(jìn)度。導(dǎo)致隧道塌方的一個(gè)主要原因是隧道屬于地下隱蔽性工程，在巖體中開挖隧道，由于原來的受力結(jié)構(gòu)平衡體系受到破壞，引起了圍巖的應(yīng)力重分布［1－2]。隧道塌方往往出現(xiàn)在圍巖的地質(zhì)條件較差地段，因此，若處理不當(dāng)，會(huì)給后期留下諸多安全隱患而且處理難度極大，所以一旦遇到隧道塌方，必須采取合理措施處理，杜絕后患。國內(nèi)在青藏高原高寒高海拔強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖地區(qū)對(duì)隧道塌方的處理與分析的研究少有提出，本文旨在闡明該類地區(qū)隧道塌方處理及其效果分析的方法，并提出個(gè)人的認(rèn)識(shí)和體會(huì)，以供參考借鑒。

2 工程概況

隧址區(qū)地質(zhì)情況：

國道318線東俄洛至海子山段公路改建工程某隧道位于甘孜州理塘縣境內(nèi)，距理塘縣城約3 k m，根據(jù)設(shè)計(jì)，進(jìn)洞里程樁號(hào)為K208＋424，出洞里程樁號(hào)為K211＋255，全長(zhǎng)2 831 m。隧址區(qū)絕對(duì)高程4 092～4 333 m，高差約241 m，屬于高海拔高寒山區(qū)隧道。工程區(qū)屬川西高原高山區(qū)，橫斷山脈中段的大雪山脈與沙魯里山脈之間，屬于構(gòu)造侵蝕高山地貌，地勢(shì)起伏較大。隧址區(qū)鄰近甘孜－理塘斷裂帶，隧道出口端距斷裂最近距離約2 k m，該段動(dòng)力變質(zhì)作用較強(qiáng)，巖層次級(jí)褶皺發(fā)育，地層產(chǎn)狀變化較大，隧址區(qū)巖層總體產(chǎn)狀為104°～170°∠66°～71°。

3 塌方段地質(zhì)特征與塌方情況

3.1 塌方段工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

塌方段隧道設(shè)計(jì)高程為4 101.00 m，地表高程為4 154.51 m，隧道埋深為53.51 m。隧址具體構(gòu)造部位位于松潘－甘孜地槽褶皺系雅江冒地槽褶皺帶婁隆背斜范圍內(nèi)，隧道軸線穿越婁隆背斜。塌方處隧道掌子面幾乎全部為變質(zhì)砂巖，僅有少量泥質(zhì)板巖夾層出現(xiàn)。由于巖體處于斷裂帶邊緣，次級(jí)褶皺發(fā)育，地質(zhì)活動(dòng)頻繁，裂隙極為發(fā)育，有利于地下水的侵蝕，加之在高寒高海拔地區(qū)，以凍結(jié)風(fēng)化為主，造成巖體破碎，變質(zhì)砂巖風(fēng)化強(qiáng)烈。

基巖裂隙水為本段最重要的地下水類型，分布廣泛，主要為構(gòu)造裂隙水，其富水程度與巖性密切相關(guān)，板巖和砂巖的強(qiáng)風(fēng)化層，裂隙較發(fā)育，與地表殘坡積層水力聯(lián)系緊密，裂隙水發(fā)育且相對(duì)豐富，而中－微風(fēng)化板巖，巖體完整性好，少見地下水活動(dòng)的痕跡，構(gòu)成相對(duì)隔水層。中－微風(fēng)化的砂巖相對(duì)而言屬脆性巖體，其裂隙張開度較好，裂隙面浸染痕跡顯著，地下水貯藏較為豐富?；鶐r裂隙水主要賦存在基巖的裂隙中，受大氣降水和松散層孔隙水下滲補(bǔ)給，變質(zhì)砂巖的透水性較好，工程區(qū)內(nèi)巖層揉皺強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，故該類地下水量較豐富。

3.2 塌方情況及其原因

隧道掘進(jìn)到里程為K211＋005處，掌子面開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，偶爾有較大石塊滑落，當(dāng)隧道掘進(jìn)到里程為K211＋000時(shí)，突然從拱頂出現(xiàn)連續(xù)性塌方，已建好的初期支護(hù)里程為K211＋003.5，塌方縱向約3～3.5 m橫向自進(jìn)洞左側(cè)55°至右側(cè)36°范圍，坍腔高度約4.83 m（圖1，圖2）。

圖1 K211＋000塌方處橫斷面圖Fig.1 Cross section of the collapse at K211＋000

圖2 K211＋000塌方處縱斷面圖Fig.2 Longitudinal section of the collapse at K211＋000

掌子面為嚴(yán)重風(fēng)化變質(zhì)砂巖，受地下水浸泡影響巖石呈砂土狀用手可輕易掰碎（圖3）。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的定性判斷掌子面巖體應(yīng)屬于V級(jí)圍巖［3]。

圖3 K211＋000掌子面地質(zhì)素描Fig.3 Geology of the working face at K211＋000

根據(jù)前期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，推斷在里程K211＋004～K210＋993范圍內(nèi)圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，且掌子面正前方存在較豐富的地下水。由此可知，隧道拱頂強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖在受到地下水侵蝕的影響和自身重力作用下產(chǎn)生坍落是隧道塌方的主要因素。在塌方前期施工時(shí)，隧道掌子面沒有及時(shí)噴射混凝土封閉掌子面，使地下水不斷的侵蝕掌子面；而鋼拱架和錨桿沒有跟進(jìn)到掌子面前，存在空頂現(xiàn)象，造成軟巖在無支撐的情況下進(jìn)一步松動(dòng)、坍落進(jìn)而形成惡性循環(huán)。因此，圍巖失穩(wěn)前支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供及時(shí)有效的支護(hù)是造成塌方的促成因素［4]。

4 塌方處理方法

由超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供的塌方處掌子面附近的地質(zhì)信息為在里程K211＋004～K210＋993范圍內(nèi)圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，且掌子面正前方存在較豐富的地下水。塌方發(fā)生后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察后提出隧道采用工字鋼架＋錨桿＋掛網(wǎng)噴射20 cm厚C20混凝土的支護(hù)體系，并對(duì)掌子面軟巖增加輔助超前支護(hù)手段即超前小導(dǎo)管注漿［5－7]。為防止后續(xù)的塌方，初步提出利用鋼拱架支撐結(jié)合超前小導(dǎo)管預(yù)注漿法和長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)兩種處理方法，兩種處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示［8－9]。

表1 超前小導(dǎo)管注漿法和長(zhǎng)大管棚法方案優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Advanced s mall pipe grouting vs.long and large pipe shedding

長(zhǎng)期以來，在處理隧道塌方實(shí)踐中，總結(jié)出“治坍先治水，治坍先加強(qiáng)，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為贏”的原則。為了防止塌方繼續(xù)發(fā)展，影響已施做初期支護(hù)段，確保施工人員的安全，首先在K211＋003.5～K211＋008.5段初期支護(hù)內(nèi)側(cè)設(shè)置臨時(shí)鋼拱架，鋼架型號(hào)為118型鋼鋼架＠80 cm，共設(shè)置6榀；其次封閉坍腔壁，在塌腔壁噴射一層C20混凝土，厚10 cm；然后搭設(shè)臨時(shí)腳手架采用方木支撐坍腔面，同時(shí)對(duì)坍腔進(jìn)行錨桿、掛網(wǎng)噴漿支護(hù)，保證坍腔壁穩(wěn)定。再從K211＋003.5起，架設(shè)I18型鋼鋼架，鋼架間距50 cm，鋼架間設(shè)φ22連接筋＠100 cm，每榀鋼架設(shè)置8根長(zhǎng)3.5 m的鎖腳錨桿，共設(shè)置8榀型鋼鋼架，同時(shí)用錨桿錨固然后布設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)＠20×20 cm，噴射混凝土厚24 cm，坍腔位置初期支護(hù)上預(yù)埋長(zhǎng)度3.5 m的3根200鋼管，泵送C20混凝土至拱頂上方2.0 m，并同時(shí)預(yù)埋3根φ50排氣鋼管（兼作排水管，該排氣管高度應(yīng)高于混凝土頂面至少10 cm，以免被堵塞），施做防水工程時(shí)，該排水管用50 HDPE單壁無孔波紋管直接引排至邊墻背后縱向排水盲管。待該段二次襯砌施做完畢后，再通過200鋼管泵送1 m厚的混凝土，設(shè)置緩沖層，防止上部繼續(xù)掉石塊影響結(jié)構(gòu)物。

5 隧道塌方區(qū)處理效果分析

當(dāng)前國內(nèi)公路隧道絕大多數(shù)采用新奧法施工，隧道監(jiān)控量測(cè)是新奧法施工中的重要組成部分。監(jiān)控量測(cè)結(jié)果不僅可以用來指導(dǎo)隧道動(dòng)態(tài)施工，同時(shí)也可以用來檢測(cè)塌方區(qū)的加固效果［10]。為保證隧道施工安全和圍巖穩(wěn)定，新奧法監(jiān)控量測(cè)工作的目的主要是利用量測(cè)結(jié)果修改設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與必要的計(jì)算和判斷后，作出預(yù)測(cè)與反饋［11]。為觀察塌方處理效果，及時(shí)掌握隧道塌方處初期支護(hù)的收斂位移變化，在塌方處布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別是K211＋003和K211＋001，前半月每天監(jiān)測(cè)兩次，以后每天監(jiān)測(cè)一次，共監(jiān)測(cè)60 d，分別量測(cè)隧道拱頂下沉量和洞周收斂位移值如圖4所示 （因只開挖了上臺(tái)階，故E、F、D測(cè)線未布置）。

圖4 隧道周邊位移和拱頂下沉測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Locations for measuring periphery displacement and vault settlement

圖5 K211＋003斷面累計(jì)收斂值時(shí)態(tài)曲線Fig.5 Constringency value variation with time for the section at K211＋003

圖6 K211＋003斷面累計(jì)拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線Fig.6 Vault settlement variation with time for the section at K211＋003

圖5、圖6分別是K211＋003斷面的收斂位移和拱頂下沉量與時(shí)間的關(guān)系曲線，通過量測(cè)結(jié)果可知隧道的收斂位移值最大值為37 mm，拱頂下沉量為37 mm，因塌方段隧道設(shè)計(jì)Ⅴ襯砌，預(yù)留變形量為120 mm，根據(jù)三級(jí)位移管理（表2）［12]，U1＝37 mm，U0＝120 mm，U0＜U1／3，可得出在 K211＋003處即可正常施工，這表明加固后該斷面圍巖是穩(wěn)定的。同理，可得出K211＋000.5斷面處收斂位移值最大值為36 mm，拱頂下沉量為34 mm，即U2＝36 mm，U0＜U2／3，可得出在該斷面處圍巖是穩(wěn)定的（圖7，圖8）。因此，該塌方處圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 K211＋000.5斷面累計(jì)收斂值時(shí)態(tài)曲線Fig.7 Cumulative constringency value variation with time for the section at K211＋000.5

圖8 K211＋000.5斷面累計(jì)拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線Fig.8 Vault settlement variation with time for the section at K211＋000.5

表2 位移管理等級(jí)Table 2 Levels of displacement control

6 防止塌方規(guī)模擴(kuò)大的體會(huì)

（1）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)。根據(jù)量測(cè)得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行反饋分析，特別是結(jié)構(gòu)變形速率和結(jié)構(gòu)受力變化情況的分析，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)［13－14]。

（2）禁止在沒有有效加固圍巖前運(yùn)走塌落物。當(dāng)圍巖失穩(wěn)后，就容易造成塌方，塌方的規(guī)模跟圍巖失穩(wěn)的規(guī)模關(guān)系密切，一旦出現(xiàn)塌方，塌落物將堆積在掌子面周圍，此時(shí)塌落物的堆積體能對(duì)掌子面甚至是拱頂失穩(wěn)但還沒有塌落的巖體形成有效支撐，阻止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）及時(shí)對(duì)坍腔壁進(jìn)行支撐并封閉坍腔壁。有的塌方發(fā)生后，坍腔壁并沒有形成自然拱，即使形成自然拱仍然有再次失穩(wěn)，出現(xiàn)二次塌方。這時(shí)，在發(fā)生塌方后及時(shí)支撐坍腔壁能有效控制圍巖再次失穩(wěn)，如用方木、鋼管或者錨桿頂住坍腔壁。

（4）封閉坍腔壁并注意排水。對(duì)坍腔壁噴射混凝土，形成對(duì)坍腔壁的封閉，減弱地下水對(duì)坍腔壁的侵蝕，為處理塌方贏得時(shí)間。若地下水涌水量較大，則需在坍腔壁裂隙中安插排水管，防止水壓力過大，對(duì)軟弱巖層的浸泡，形成更大規(guī)模的塌方。

7 結(jié)論

（1）通過利用鋼支撐并結(jié)合小導(dǎo)管注漿來處理自穩(wěn)能力差而又較破碎圍巖塌方是有效的。為防止因坍腔未充填密實(shí)可能出現(xiàn)的圍巖對(duì)初期支護(hù)沖擊，坍腔充填密實(shí)尤其重要。

（2）加強(qiáng)對(duì)塌方處初期支護(hù)的監(jiān)控量測(cè)，尤其是隧道洞周收斂位移和拱頂下沉以及鋼支撐應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析結(jié)構(gòu)受力情況，及時(shí)反饋塌方處圍巖穩(wěn)定性情況。

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