張涿高速公路黑山隧道塌方段處治技術(shù)

于寶勝

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司 大連 116100）

1 工程概況

張家口至涿州高速公路位于張家口市東南部。L4合同段位于涿鹿縣境內(nèi)的下井溝村附近，線路總長(zhǎng)2.4km，公路等級(jí)為高速公路－I級(jí)，計(jì)算行車速度v＝100km／h［1］。

黑山隧道是一座長(zhǎng)大隧道，是左右線分幅雙向6車道隧道。隧道凈高5m，凈寬14.25m，開(kāi)挖寬度最大達(dá)到17.06m，開(kāi)挖面積最大達(dá)到159 m2。洞口所處地貌為低山丘陵地貌，山體自然坡度為15°～18°。V 級(jí)圍巖為黃土狀土，地下水影響較小，圍巖具有濕陷性，開(kāi)挖后沉降及收斂時(shí)間長(zhǎng)不易穩(wěn)定，易坍塌。IV 級(jí)圍巖為風(fēng)化白云巖，較破碎，地下水影響較大，開(kāi)挖時(shí)易掉塊，易塌落。隧道區(qū)存在7條斷層，斷層多為張性，巖脈充填較多，少數(shù)為壓性逆向斷層。隧道左線K23＋220～K23＋720區(qū)段內(nèi)為濕陷性黃土、碎石、白云巖、f7斷層破碎帶等富集的變坡區(qū)，地下水較發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，是隧道掘進(jìn)中的一大難點(diǎn)。

塌方前，掌子面施工至K23＋636里程，仰拱施工至K23＋553，二襯混凝土施工至K23＋528。

塌方前，初期支護(hù)拱頂沉降量監(jiān)測(cè)數(shù)值反映出日沉降量速度急劇加快，為前1周內(nèi)的近5倍；初期支護(hù)裂縫寬度在持續(xù)加大；初期支護(hù)表面滲水濕潤(rùn)面積加大，個(gè)別處出現(xiàn)滴水現(xiàn)象；偶可聽(tīng)見(jiàn)初期支護(hù)“嘣嘣”的輕響。

2010年8月29日07：25，黑 山 隧 道 左 線K23＋562～K23＋568已初期支護(hù)段右上方發(fā)生塌方，現(xiàn)場(chǎng)觀察塌穴深度6 m，塌方段前方K23＋568～K23＋573及塌方段后方K23＋562～K23＋556初期支護(hù)出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫。

經(jīng)觀察，塌方體間隔20min左右間斷從塌穴開(kāi)口處（即K23＋562～K23＋568段）涌出，至8月30日16：30，塌方體下落間隔時(shí)間開(kāi)始變長(zhǎng)，約1h左右。為了防止塌方繼續(xù)擴(kuò)大，立即組織施工人員在塌方段后方搭設(shè)腳手架，準(zhǔn)備打小導(dǎo)管注漿固結(jié)渣體。

8月31日凌晨2：30左右，當(dāng)腳手架基本搭設(shè)完畢時(shí)，塌方體上方發(fā)生較大響動(dòng)，所有人員及設(shè)備立即撤離塌方段，約20min后，原塌穴口左側(cè)初期支護(hù)被大量松散石塊壓落，30 min 后，大量的滑落碎石將隧道已開(kāi)挖的全斷面封閉，緊接著塌方段前方傳出多次較大的響動(dòng)。塌方體非常松散，呈破碎狀流出狀，石塊間夾有泥，有較大的水流出。

針對(duì)塌方情況，如何安全、快速、高質(zhì)量地進(jìn)行處理，是保證高速公路工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

2 塌方處治

2.1 準(zhǔn)備工作

設(shè)計(jì)前需要充分做好以下工作：施工圖、地質(zhì)水文勘察資料、施工規(guī)范的準(zhǔn)備；施工日志、施工質(zhì)檢表格、旁站記錄、開(kāi)挖爆破記錄、地質(zhì)素描等施工原始記錄的準(zhǔn)備；沉降及收斂等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)備；類似工程塌方處理文獻(xiàn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的查閱準(zhǔn)備；從塌方發(fā)生開(kāi)始的24h監(jiān)控記錄，響動(dòng)情況、渣體滑動(dòng)情況、渣體破碎情況、水流情況等的記錄。并且聘請(qǐng)多位有經(jīng)驗(yàn)的專家教授來(lái)現(xiàn)場(chǎng)“會(huì)診”，對(duì)處理方案進(jìn)行論證，并對(duì)處理施工進(jìn)行指導(dǎo)。

2.2 技術(shù)與措施

（1）向塌方段推進(jìn)二次襯砌混凝土，確保塌方段后方的安全與穩(wěn)定。在已完成二次襯砌混凝土的前端（K23＋528）距塌方處34 m，抓緊向塌方處施作2 臺(tái)車長(zhǎng)的襯砌混凝土，共24 m（K23＋528～K23＋552），確保塌方段后方的安全與穩(wěn)定，保證搶險(xiǎn)后方作業(yè)空間的安全。

（2）對(duì)塌方段后方已支護(hù)段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。為了防止塌方向小里程擴(kuò)大給已完成初期支護(hù)造成破壞，對(duì)于塌方段后方（現(xiàn)場(chǎng)條件限制）不能施作二次襯砌混凝土的K23＋552～K23＋562已支護(hù)段進(jìn)行加固，具體措施為：

①采用I 25b工字鋼拱架臨時(shí)支撐，并增加臨時(shí)仰拱支撐成環(huán)。臨時(shí)支護(hù)鋼架間距50cm 并與原初期支護(hù)密貼，間隙用木楔頂緊，對(duì)縱向直徑25mm 螺紋鋼筋環(huán)距50cm 進(jìn)行鋼架連接，采用3.5m 長(zhǎng)、直徑42mm 的鋼管鎖腳。

②噴C25混凝土將臨時(shí)支護(hù)鋼拱架與原初期支護(hù)面間隙噴實(shí)（臨時(shí)仰拱噴C25 混凝土封閉），使之形成整體結(jié)構(gòu)。此加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在二襯混凝土澆注前拆除。

③對(duì)K23＋552～K23＋562段，采用全環(huán)徑向自進(jìn)式中空注漿錨桿注漿，對(duì)初期支護(hù)周圈較大范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固，防止坍塌。自進(jìn)式錨桿型號(hào)為直徑35mm，長(zhǎng)3.5m×2，環(huán)向間距20 cm，縱向排距2.5m，錨桿周壁按15cm 間距交錯(cuò)設(shè)置注漿孔，孔徑8mm。注漿漿液采用1∶1水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa。施工流程為：搭建腳手架→徑向施作自鉆式中空錨桿3.5 m×2→注C30水泥漿。

（3）塌方段處理設(shè)計(jì)?？紤]確保正常使用年限內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)二次病害，各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要適當(dāng)加強(qiáng)。

隧道塌方長(zhǎng)度直接決定隧道塌方處理方法，如何合理確定塌方長(zhǎng)度成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為此，采用基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)來(lái)確定塌方長(zhǎng)度。采用瑞典MALA 公司Cu III主機(jī)，25 MHz超前耦合天線和100，250及500m 屏蔽天線。確定塌方長(zhǎng)約40～50m，為長(zhǎng)大坍塌。

渣體十分松散破碎，呈流出的狀態(tài)，判斷周邊圍巖不可能自穩(wěn)二次成拱。再根據(jù)“小坍清，大坍堵”的經(jīng)驗(yàn)，不可能采用清走塌渣、施工初期支護(hù)、回填塌穴的處理方式，得向注漿固結(jié)再開(kāi)挖的思路去考慮。現(xiàn)場(chǎng)渣體破碎情況表明，渣體及周邊圍巖不易鉆孔，鉆孔后不易出鉆，成孔后易塌孔，不可能采用小導(dǎo)管或普通中空錨桿去注漿，因此，設(shè)計(jì)如下：

①塌方段后方加固處理完成后，對(duì)塌方渣體噴C25鋼纖維混凝土封閉止?jié){，厚度10cm。

②從K23＋562開(kāi)始全環(huán)采用雙排（排間距10cm）自進(jìn)式中空注漿錨桿注漿，對(duì)上方及側(cè)方松散圍巖進(jìn)行固結(jié)，以利成拱。自進(jìn)式錨桿型號(hào)為直徑35mm、長(zhǎng)3.5m×2，環(huán)向間距20cm，縱向排距2.4m（見(jiàn)圖1、圖2），錨桿周壁按15cm間距交錯(cuò)設(shè)置注漿孔，孔徑8mm。

圖1 塌方段處理斷面圖

圖2 雙排自進(jìn)式錨桿施工圖（尺寸單位：cm）

漿液采用1∶1水泥水玻璃雙液漿，雙液漿堵水的同時(shí)凝結(jié)速度快，可提高塌方處理速度，注漿壓力0.5～1.0 MPa。注漿前噴10cm 厚鋼纖維混凝土封閉掌子面止?jié){。

施工流程：以75°角施作第一排中空錨桿3.5 m×2→第一排錨桿注漿→以45°角施作第二排中空錨桿3.5m×2→第二排錨桿注漿。

③從K23＋562處開(kāi)始，以15°全環(huán)施作超前自進(jìn)式中空注漿錨桿。自進(jìn)式錨桿型號(hào)為直徑35mm、長(zhǎng)3.5m，環(huán)向間距20cm，縱向排距1.5 m（見(jiàn)圖3），錨桿周壁按15cm 間距交錯(cuò)設(shè)置注漿孔，孔徑8mm。

④對(duì)塌方體人工風(fēng)鎬開(kāi)挖，個(gè)別處輔以小藥量的松動(dòng)爆破，每次開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)尺控制在0.3m。采用三步短臺(tái)階開(kāi)挖，上臺(tái)階留核心土。

采用I 25b工字鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，并增加臨時(shí)仰拱工字鋼拱架支撐成環(huán)。工字鋼架縱向間距為30cm，采用直徑25 mm 縱向連接鋼筋，采用3.5m 長(zhǎng)、直徑42mm 鋼管鎖腳。然后掛直徑8 mm 雙層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)格間距10cm×10cm，噴C25 鋼纖維混凝土（臨時(shí)仰拱用石渣回填壓實(shí)），噴混凝土厚度為31cm。初期支護(hù)沉降預(yù)留由設(shè)計(jì)的12cm 增加至20cm。

圖3 超前錨桿施工圖（尺寸單位：cm）

⑤重復(fù)以上各步驟施工，直至塌方處理完成。

⑥二襯混凝土及時(shí)緊跟初期支護(hù)澆筑。二襯混凝土厚度由原設(shè)計(jì)的60cm 加厚至80cm，環(huán)向主筋由原設(shè)計(jì)的20cm 間距加密至10cm 間距，以承擔(dān)塌方處的較大的圍巖壓力。

（4）塌方段前方處理。因圍巖自穩(wěn)能力差，為保證安全，對(duì)塌方段前方10m 設(shè)防，加強(qiáng)方式同塌方段后方K23＋552～K23＋562段。

（5）處理工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 處理工藝流程圖

3 施工注意事項(xiàng)

（1）為了保證塌方處理能有序、安全地進(jìn)行，應(yīng)迅速成立塌方處理領(lǐng)導(dǎo)小組和安全領(lǐng)導(dǎo)小組。

（2）塌方處理的工前教育較正常施工更顯重要，必須讓一線所有施工的人員了解熟悉處理方案、安全注意事項(xiàng)等。

（3）塌方處理施工要遵循軟弱圍巖的施工原則，即要做到“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉，強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、快襯砌”［2］。

（4）通過(guò)監(jiān)控量測(cè)和實(shí)測(cè)等手段，做到動(dòng)態(tài)地調(diào)整優(yōu)化各種施工參數(shù)。本處理工程在錨桿施工至第三個(gè)循環(huán)時(shí)，根據(jù)固結(jié)效果，邊墻3排錨桿調(diào)整為45°施工的一排錨桿。

（5）錨桿端部最好與鋼拱架施以焊接，這樣可成整體。

（6）在少水或無(wú)水地段，可將雙液漿調(diào)整為單液漿來(lái)固結(jié)松散圍巖，這樣可以降低塌方處理的工程成本。

（7）為了可再利用，可將臨時(shí)仰拱工字鋼拱架的半徑加工成與仰拱永久結(jié)構(gòu)拱架的半徑相同。

（8）上臺(tái)階開(kāi)挖核心土可能失穩(wěn)時(shí)，可豎向布設(shè)自進(jìn)式錨桿注漿對(duì)其進(jìn)行加固。

（9）必須做好水的疏導(dǎo)、引排工作，防止水浸泡拱腳和臨時(shí)仰拱。要適當(dāng)加強(qiáng)永久結(jié)構(gòu)的引、排、堵水的設(shè)計(jì)。

（10）襯砌混凝土必須緊跟，不要整臺(tái)車的澆筑，要小段小段的澆筑，這樣襯砌能盡早地與初期支護(hù)、圍巖共同受力。

（11）采用GPR 檢測(cè)技術(shù)對(duì)處理后的坍塌段的治理效果進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

從2010年10月31日塌方處理施工到施工結(jié)束，2個(gè)月處理了長(zhǎng)達(dá)45.6 m 的塌方，施工過(guò)程中無(wú)一例滑塌現(xiàn)象，無(wú)一例人員傷亡事故。無(wú)論是在處理施工過(guò)程中，還是在處理后一年半的時(shí)間內(nèi)，監(jiān)控量測(cè)及處理后的檢測(cè)其各項(xiàng)數(shù)據(jù)均在合理正常的范圍內(nèi)。因此，從實(shí)施效果來(lái)看，處理方案貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，是比較成功的塌方處理實(shí)例。

［1］劉治宇.張涿高速公路L4合同段施工圖設(shè)計(jì)［Z］.沈陽(yáng)：遼寧交通勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2009.

［2］JTG F60－2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.