板巖地層超大斷面隧道塌方處理對策

許占良

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

在鐵路隧道建設(shè)過程中，塌方是一種主要的施工災(zāi)害，尤其在板巖地層中修建超大斷面隧道時，容易發(fā)生規(guī)模較大塌方，且處理困難，處理代價高。處理塌方一方面造成了經(jīng)濟(jì)損失，另一方面嚴(yán)重影響隧道的建設(shè)工期。隧道塌方處理方案不當(dāng)，也會產(chǎn)生后果嚴(yán)重的次生災(zāi)害或給隧道未來的運營埋下隱患。結(jié)合某板巖地層超大斷面隧道塌方處理，分析了塌方原因，提出塌方處理的基本原則及處理方案，作為類似隧道工程塌方處理的參考。

1 隧道斷面情況

高標(biāo)準(zhǔn)鐵路隧道斷面需要考慮空氣動力學(xué)效應(yīng)，其斷面設(shè)計一般較大，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》要求，設(shè)計行車速度目標(biāo)值350 km/h時，雙線隧道凈空有效面積不小于100 m2［1］。圖1為隧道Ⅴ級圍巖復(fù)合式襯砌斷面，其開挖最大凈高度為14.9 m，開挖最大凈寬度12.6 m，開挖面積為152.4 m2。

2 隧道塌方情況

2.1 隧道概況

隧道進(jìn)口里程DK17+400，出口里程DK23+025，隧道全長5 625 m，為單洞雙線隧道;隧道最大埋深341 m。隧道內(nèi)縱坡為19.95‰的單面上坡。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

圖1 Ⅴ級圍巖復(fù)合式襯砌斷面(單位:cm)

隧道范圍地層主要為第四系上更新統(tǒng)殘坡積層粉質(zhì)黏土、粗角礫土、碎石土、塊石土;泥盆系中統(tǒng)泥質(zhì)灰?guī)r(D2s)、石英砂巖(D2d);奧陶系下統(tǒng)砂質(zhì)板巖(O1q2)、泥板巖(O1q1);寒武系炭質(zhì)板巖(含鈣);震旦系下統(tǒng)含礫砂質(zhì)板巖;震旦系下統(tǒng)含礫砂質(zhì)板巖(Z1c3)、含礫砂巖(Z1c3)、變質(zhì)砂巖(Z1c3)、砂質(zhì)板巖(Z1c2)、含礫砂質(zhì)板巖(Z1c1)夾層狀石英砂巖。隧道圍巖分級統(tǒng)計見表1。

表1 圍巖分級統(tǒng)計

隧道段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖相變化較大。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，隧道穿越斷層5條，其中2條為實測。隧道區(qū)整體表現(xiàn)為一平緩起伏的單斜構(gòu)造。

隧道區(qū)內(nèi)地表水主要為山間小溪及灌溉水渠，常年流水;地下水主要賦存于奧陶系、寒武系、震旦系基巖裂隙中，根據(jù)地下水賦存條件，可分為:第四系松散巖類孔隙潛水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水、斷裂構(gòu)造帶中的構(gòu)造裂隙水。

結(jié)合隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，隧道最大涌水量為32 021 m3/d，隧道正常涌水量為6 198.3 m3/d。

2.3 塌方過程

該隧道塌方前掌子面里程為DK17+999，下臺階里程DK17+964，仰拱里程DK17+945，拱墻二襯里程DK17+916。起初出現(xiàn)拱頂局部塌方，繼而塌方不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致掌子面至二次襯砌端頭83 m已完成的初期支護(hù)全部坍塌，端頭襯砌裂損嚴(yán)重，襯砌臺車損壞。

2.4 塌方規(guī)模

根據(jù)塌方后地質(zhì)補(bǔ)勘結(jié)果資料，DK17+916～DK17+999塌方段，塌腔頂板最大高程340.0 m，距地表32.2 m，距洞頂79.7 m，估計塌方總量約7.5萬m3，塌方體情況如圖2所示。

圖2 塌方體橫斷面(單位:m)

2.5 塌方前的監(jiān)控量測

對隧道DK17+930.4斷面塌方前監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)該數(shù)據(jù)分析，無論累計值及日均值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)較大變形。

3 塌方原因分析

從地質(zhì)情況來看，隧道塌方段地層為古老的奧陶系淺變質(zhì)砂質(zhì)板巖，局部發(fā)育隱性構(gòu)造節(jié)理密集帶，巖體雖呈層狀外觀，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被強(qiáng)烈切割過，隧道開挖擾動后，極易形成以層面為主導(dǎo)的不穩(wěn)定體，當(dāng)局部出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)破壞后，造成在較長地段發(fā)生牽引型連續(xù)坍塌。

從外界影響因素來看，隧道塌方前，該地區(qū)連續(xù)3個月降雨，基巖裂隙水下滲量加大，軟化圍巖及降低結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，加大圍巖容重，是塌方的一個重要誘發(fā)因素。

施工過程中，超前地質(zhì)預(yù)報和施工開挖均沒有發(fā)現(xiàn)隱伏節(jié)理帶這種特殊地質(zhì)現(xiàn)象，在施工過程中的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)也未發(fā)現(xiàn)較大的變形。由于對隱伏節(jié)理密集帶、硬質(zhì)巖體脆性、變形突變等特性認(rèn)識不足，未能對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的變化趨勢引起足夠的重視，導(dǎo)致指導(dǎo)施工的監(jiān)控量測措施未能有效指導(dǎo)施工，延誤了采取應(yīng)急措施的時機(jī)，是本次塌方的主觀因素。

4 塌方處理對策

4.1 塌方處理基本原則

4.1.1 采取先超前注漿固結(jié)松散體后開挖的原則

為保證施工安全，采用對隧道開挖輪廓內(nèi)及開挖輪廓外一定范圍內(nèi)的松散體采取超前注漿固結(jié)及加固，后開挖塌體的處理原則，以確保開挖過程中掌子面穩(wěn)定及支護(hù)措施的順利實施。松散體注漿加固范圍不小于開挖輪廓外6～8 m，隧道開挖輪廓內(nèi)松散體全斷面注漿固結(jié)，以保證隧道開挖安全及運營期間的安全。

4.1.2 注漿方式確定原則

為保證注漿的順利實施及注漿過程的安全可控，注漿采用前進(jìn)式注漿及后退式注漿相結(jié)合的方式，前進(jìn)式注漿用于輔助成孔，后退式注漿用于松散體注漿固結(jié)及加固。注漿漿液采用雙液漿及單液漿相結(jié)合的方式，前進(jìn)式注漿時采用雙液漿，后退式注漿采用單液漿。通過超前注漿，逐段固結(jié)松散體，以確保注漿固結(jié)及加固能順利實施。

4.1.3 處理工作面選擇

根據(jù)補(bǔ)勘成果資料，塌方段為DK17+916～DK17+999，塌方總量超過7.5萬m3，塌方規(guī)模巨大，預(yù)計單向施工處理時間超過6個月，因此選擇考慮2個工區(qū)進(jìn)行塌方處理，即1號斜井工區(qū)及進(jìn)口工區(qū)同時進(jìn)行塌方處理施工。

4.1.4 鉆孔及注漿機(jī)械選擇

順利處理隧道塌方段，超前對松散體注漿固結(jié)及加固是最重要環(huán)節(jié)，因此需要選擇合適的鉆孔及注漿機(jī)械，根據(jù)類似工程經(jīng)驗及結(jié)合施工單位經(jīng)驗，選用RPD-180旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機(jī)，并結(jié)合使用雙液漿及單液漿，以實現(xiàn)對塌體的鉆孔及注漿。

4.2 塌方處理主要方案

4.2.1 超前注漿整體段落劃分

塌方前，隧道上臺階掌子面里程DK17+999，下臺階掌子面里程DK17+964。對DK17+916～DK17+964，采取隧道內(nèi)塌體及開挖輪廓外分別進(jìn)行全斷面超前注漿加固及固結(jié)的措施;對DK17+964～DK17+999，采取對隧道內(nèi)上臺階塌體及開挖輪廓外分別進(jìn)行全斷面超前注漿加固及固結(jié)的措施。

4.2.2 超前注漿循環(huán)段落劃分

塌方處理段超前注漿起訖里程為DK17+916～DK19+999，注漿段落總長83 m。該塌方段落總共劃分為4個注漿循環(huán)。即每一注漿循環(huán)長度25 m，注漿巖盤厚度3.0 m，有效開挖長度22 m。

第一循環(huán)設(shè)置止?jié){墻，止?jié){墻設(shè)置位置及參數(shù)如下:

DK17+914～DK17+916段設(shè)置第一循環(huán)止?jié){墻，厚度2.0 m，采用C20混凝土灌注，兼做超前長管棚導(dǎo)向墻。

第二、三、四循環(huán)設(shè)置止?jié){巖盤，止?jié){巖盤設(shè)置位置及參數(shù)如下:

利用注漿塌體作為止?jié){巖盤，DK17+936～DK17+939、DK17+958 ～ DK17+961、DK17+980 ～ DK17+983段分別設(shè)置為第二、三、四循環(huán)設(shè)置止?jié){巖盤，止?jié){巖盤厚度為3 m，開始注漿前對上臺階掌子面進(jìn)行噴錨防護(hù)，具體參數(shù)為:噴射15 cm厚C30混凝土，φ10 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25 cm×25 cm，錨桿φ22 mm砂漿錨桿，長度5.0 m。

4.2.3 超前注漿參數(shù)

(1)注漿孔均布置于上臺階，每循環(huán)布孔47個。

(2)注漿開孔直徑110 mm，長度為3 m，設(shè)置φ108 mm壁厚5 mm孔口管;孔洞剩余部分鉆孔直徑均為91 mm。

(3)注漿范圍為隧道開挖輪廓外8 m。

(4)注漿漿液為水泥水玻璃雙液漿及水泥漿結(jié)合;輔助成孔時采用雙液漿，超前注漿加固及固結(jié)時采用單液漿。

雙液漿:32.5級普通硅酸鹽水泥，水玻璃40 Be';水泥漿水灰比=0.8～1∶1;水泥漿∶水玻璃漿液=1∶0.8。

水泥漿:32.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比=0.8～1∶1。

(5)單孔有效擴(kuò)散半徑3.0 m。

(6)隧道開挖輪廓內(nèi)地層注漿壓力0.5～1.0 MPa;隧道開挖輪廓外地層注漿壓力0.5～1.5 MPa。

4.2.4 注漿控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

①注漿壓力逐步升高至設(shè)計終壓，并穩(wěn)定10 min;

②注漿量不小于設(shè)計注漿量的80%;

③進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4。

(2)全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

①所有注漿孔均已復(fù)核單孔結(jié)束條件，無漏注現(xiàn)象;

②漿液有效注入范圍大于設(shè)計值。

(3)隧道開挖輪廓外注漿后效果檢查

①鉆孔檢查法:按總注漿孔的5% ～10%設(shè)置檢查孔，檢查孔應(yīng)在均布的原則下，結(jié)合注漿資料的分析布設(shè);檢查孔應(yīng)無涌泥、涌砂，不塌孔，滲水量應(yīng)小于0.2 L/(min·m)或小于設(shè)計涌水量，否則應(yīng)予補(bǔ)注;

②鉆孔取芯法:通過鉆孔取芯觀察地層的注漿加固效果;

③壓水試驗法:對檢查孔進(jìn)行壓水試驗，當(dāng)吸水量大于1 L/(min·m)時，必須進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

(4)隧道開挖輪廓內(nèi)注漿后效果檢查臺階法開挖時，掌子面能夠自穩(wěn)。

4.2.5 超前支護(hù)措施

超前支護(hù)采用超前長管棚及間隔超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)方案，具體參數(shù)如下。

(1)超前長管棚

管棚長度:30 m，縱向一般每22 m一環(huán)。

管棚全部采用鋼花管，鋼花管規(guī)格:熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚5 mm。每節(jié)鋼花管兩端均預(yù)加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管。

管距:管棚環(huán)向設(shè)置間距按30 cm布置。

傾角:外插角7°～9°，推薦一般情況下采用8°。

注漿材料采用水泥漿液，水泥漿液水灰比1∶1(質(zhì)量比)或根據(jù)現(xiàn)場確定;

注漿壓力:0.5～1.0 MPa或根據(jù)現(xiàn)場確定。

(2)超前小導(dǎo)管

超前導(dǎo)管規(guī)格:熱軋無縫鋼花管，外徑42 mm，壁厚3.5 mm。

小導(dǎo)管環(huán)向間距為30c m。

傾角:外插角以10°～15°為宜，可根據(jù)實際情況作適當(dāng)調(diào)整。

注漿材料為水泥漿液，水泥漿液水灰比1∶1(質(zhì)量比)或根據(jù)現(xiàn)場確定;

注漿壓力:0.5～1.0 MPa或根據(jù)現(xiàn)場確定。

小導(dǎo)管采用φ42 mm無縫熱軋鋼管制成，在前部鉆注漿孔，孔徑6～8 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于30 cm，作為不鉆孔的止?jié){段。

4.2.6 襯砌支護(hù)參數(shù)

隧道塌方段襯砌采用加強(qiáng)復(fù)合式襯砌，為提高鋼架的縱向剛度，鋼架間連接筋采用φ20 mm鋼筋，布置型式為V型。復(fù)合式襯砌具體參數(shù)見表2。

表2 加強(qiáng)復(fù)合式襯砌參數(shù)

4.2.7 隧道排水加強(qiáng)措施

隧道穿越塌體地段，采用每排水單元增加2道φ50 mm環(huán)向透水盲溝措施，加快排除襯砌背后的集水。避免襯砌背后出現(xiàn)積水，而惡化圍巖條件。

4.2.8 施工方法

采用三臺階臨時仰拱并增設(shè)臨時豎撐法施工。為滿足管棚施工條件，在加強(qiáng)初支等安全措施的保證下，局部工法可適當(dāng)調(diào)整。

4.3 塌方處理主要步驟

根據(jù)大型塌方處理的主要設(shè)計思路，塌方處理的主要施工步驟如下:

(1)施做DK17+914～+916段超前注漿操作平臺;

(2)施做DK17+914～+916段第一循環(huán)超前注漿止?jié){墻;

(3)施做第一循環(huán)超前注漿，加固及固結(jié)塌體;

(4)施做超前長管棚;

(5)塌體開挖;

(6)塌方段防排水系統(tǒng)及二次襯砌施做;

(7)施做下一循環(huán)超前注漿及超前長管棚;(8)繼續(xù)開挖及襯砌。

4.4 塌方處理效果

該隧道在采取上述處理方案后，開挖及支護(hù)體系施做順利，從掌子面看，注漿達(dá)到預(yù)期效果，從后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來看，累計最大沉降量不大于10 mm，塌方段安全、順利通過。

5 結(jié)論

超大斷面隧道較大規(guī)模塌方處理極為困難，同時存在極高的施工風(fēng)險。因此，尋求合理的的處置方案，才能夠降低施工風(fēng)險、減少工程投資增加及確保施工質(zhì)量、施工工期。通過本次大型塌方處理，得出以下幾點結(jié)論。

(1)隧道內(nèi)塌體開挖前，應(yīng)先行對塌體進(jìn)行超前全斷面注漿加固處理，以保證開挖過程中掌子面的穩(wěn)定和支護(hù)體系的順利實施。

(2)超前注漿漿液和注漿方式的選擇，應(yīng)以保證在塌方段落松散體內(nèi)順利成孔和實現(xiàn)設(shè)計注漿效果為前提。

(3)對于隧道大型塌方，注漿加固范圍應(yīng)足夠，以確保加固后的塌體圍巖具備相應(yīng)的圍巖抗力系數(shù)。

(4)合理選擇注漿鉆孔機(jī)械，是處理大型塌方的關(guān)鍵。

(5)板巖地層隧道施工時，施工過程中，對監(jiān)控量測預(yù)警指標(biāo)應(yīng)有更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，并與非板巖段落分開進(jìn)行管理與指導(dǎo)施工。

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