青峰斷裂帶軟弱圍巖坍塌處理及防塌方施工技術(shù)

趙付升

（中鐵十四局集團(tuán) 二公司，山東 泰安 271000）

西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施為我國西部地區(qū)的發(fā)展和改革開放帶來新的機(jī)遇，隨著國家對基礎(chǔ)建設(shè)投資的不斷增加，我國高速公路建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，公路隧道的建設(shè)量也越來越大。在我國西南部地區(qū)，片巖是隧道施工中遇到的主要圍巖類型，塌方也是隧道施工中最常見的事故，因此，對片巖地區(qū)隧道塌方原因分析及處理的研究是很有必要的。

1 工程概況

青峰隧道為一座高速公路分離式長隧道，該隧道進(jìn)口位于十堰市房縣青峰鎮(zhèn)棗樹埡村境內(nèi)，出口位于十堰市房縣青峰鎮(zhèn)八里匾村境內(nèi)，隧道軸線方向約270°，呈東西向展布。左幅里程樁號為ZK75+280～ZK77+222，全長1942m，最大埋深約164.2m；右幅里程樁號為YK75+280～YK77+223，全長 1943m，最大埋深約 164.7m。

該隧道地處著名地質(zhì)學(xué)家李四光命名的青峰活動斷裂帶，隧道洞身穿越3條斷層及破碎帶，總延長米達(dá)655m?；顒有詳鄬蛹捌扑閹е饕植加兄酗L(fēng)化絹云母片巖，有明顯構(gòu)造軟弱夾層，圍巖破碎，巖體完整性差，開挖自穩(wěn)能力差。地下水主要為基巖裂隙水，洞室有滲水或滴水現(xiàn)象。隧道頂部開挖易坍塌，側(cè)壁易變形。斷層走向297°近直立。

隧道洞身受青峰斷裂破碎帶的影響，巖體中構(gòu)造和小褶曲發(fā)育,施工過程中洞身開始大量出現(xiàn)片巖地質(zhì)及部分零散段落。絹云母片巖巖體的抗剪強(qiáng)度低且對振動影響很敏感，巖體扭曲、揉皺現(xiàn)象明顯，節(jié)理發(fā)育，巖體節(jié)理面光滑亮澤，往往夾雜有石英巖脈侵入體，并伴有地下水滲流。施工過程中出現(xiàn)了不同程度的初期支護(hù)變形、侵限、拆換和危及施工安全現(xiàn)象。

2 隧道塌方的基本情況

2.1 坍方情況介紹

2011年8月30日青峰隧道進(jìn)口右幅掌子面施工至YK75+476，YK75+450-YK75+468段初支施工完成后，通過監(jiān)控量測顯示，初支沉降及收斂量大，并逐步侵限，隨即停止掌子面施工，于掌子面向后施做臨時扇形支護(hù)處理。在YK75+461-YK75+462段換拱過程中，圍巖出現(xiàn)大面積滲水現(xiàn)象，于2011年9月7日6時30分YK75+461處發(fā)生坍塌，塌體將隧道掌子面全部掩埋。塌方體大部分為粉狀強(qiáng)風(fēng)化料，中間夾雜少量石塊。經(jīng)初步測算，塌方量約為500方。見圖1、圖2。

圖1 坍塌現(xiàn)場照片

圖2 塌方示意圖

2.2 塌方原因分析

塌方段圍巖屬Ⅴ級圍巖，巖層為云母片巖，云母、石英含量較高，節(jié)理發(fā)育，片理面光滑如鏡無黏著力，巖層產(chǎn)狀平緩，受青峰斷裂破碎帶影響揉皺現(xiàn)象較明顯，隧道初支侵限段層狀片巖具有一組隧道順層結(jié)構(gòu)面，該結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度較差，云母含量較重，結(jié)構(gòu)面遇水軟化，降低了力學(xué)指標(biāo)，致使圍巖整體性降低，圍巖發(fā)生層間錯動而導(dǎo)致隧道塌方。

3 處理方案

3.1 處理指導(dǎo)思想

坍塌段圍巖為娟云母片巖，片層節(jié)理蠕滑，自穩(wěn)能力差,如不及時對坍塌面進(jìn)行支護(hù)約束，坍情極易擴(kuò)大。處理時先對塌體后方初支加固(YK75+450-YK75+460段)，使坍情得到控制，后封閉坍塌面，封閉時由于YK75+462-YK75+476段已被塌體覆蓋情況不明,為確保施工安全先不進(jìn)行處理,坍體加固處理完后將侵限段進(jìn)行換拱處理，在進(jìn)行掌子面施工。

3.2 具體處理方案

3.2.1 坍方處理順序

坍體后方加固→YK75+458-YK75+462段坍體處理→YK75+450-YK75+462變形段處理→坍方段結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理→施工掌子面。

3.2.2 坍體后方加固

1）對YK75+455-YK75+460段初支段進(jìn)行加固，根據(jù)塌方前初支情況全環(huán)架設(shè)I18工字鋼，縱向間距60cm，榀榀跟進(jìn)，架立一榀噴砼一榀，護(hù)拱拱腳不得落于虛碴堆上，可在拱腳位置小范圍清理平整，為防止拱腳下沉，在拱腳下墊方木。噴射砼時將方木包裹，做成擴(kuò)大基礎(chǔ)，防止拱架沉降。

2）架立I18工字鋼護(hù)拱處，環(huán)向搭設(shè)徑向系統(tǒng)φ42注漿導(dǎo)管，并注漿加固，已穩(wěn)固初支作業(yè)面。

3）對YK75+457-YK75+460段初支面，護(hù)拱架設(shè)完成后，打設(shè)扇形支撐，并設(shè)橫向支撐，支撐采用φ150鋼管。

3.2.3 YK75+458-YK75+462段處理方案

當(dāng)大跨度公路隧道處于斷層破碎帶時，因地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖整體穩(wěn)定性差，使得當(dāng)前和后續(xù)施工的質(zhì)量和安全保證難度更大、要求更高，所以，在確定施工方案尤其坍塌處理技術(shù)方案時，必須本著“確保當(dāng)前，兼顧后續(xù)”的原則。技術(shù)方案以“逐步揭露、逐段穩(wěn)固，各種支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用”為主旨、“自穩(wěn)塌體，填實(shí)腔體，固結(jié)巖體”為步序，在實(shí)現(xiàn)順利穿越坍塌的同時，加強(qiáng)超前支護(hù)保障后續(xù)施工。

1）隧道坍塌后，不要急于擾動巖體及塌方體，因?yàn)樵摱嗡淼捞幱跀鄬悠扑閹?，各種擾動對巖體穩(wěn)定性有很大影響，大規(guī)模塌方過后隨時可能出現(xiàn)小的坍塌體。所以，要任溶穴自由坍塌一段時間直至達(dá)到自然穩(wěn)定方可進(jìn)行下步處理。

2）待塌體穩(wěn)定后，對塌體進(jìn)行全方面封閉，由內(nèi)到外，由下而上，逐段分層噴射砼,采用C20噴射砼，每層厚5厘米左右，噴砼厚度10厘米左右。

3）為保持掌子面巖體穩(wěn)定，防止繼續(xù)大規(guī)模坍塌，同時作為塌方處理的作業(yè)平臺和后續(xù)洞身臺階法施工的臺階，先用左洞的石碴在掌子面堆填8～10m左右長度的平臺，平臺頂面距離設(shè)計開挖輪廓拱頂5.5m，并在平臺范圍外做出斜坡道供機(jī)械等上下。

4）為保證后序施工安全進(jìn)行超前管棚支護(hù)，同時保證目前塌方的溶腔范圍內(nèi)進(jìn)行各種施工的安全，并作為鋼拱架施作時的支撐管架，塌體封閉后，在拱部范圍打設(shè)一環(huán)鋼管。鋼管采用φ108鋼管，環(huán)向間距40cm；長度6m、后方在已經(jīng)施作完成的初期支護(hù)內(nèi)1m左右；為保證有足夠支承力，在鋼管外端端頭施作一榀支撐鋼拱架。支撐鋼管施作示意圖見圖3所示。

圖3 鋼管棚架端頭工字鋼示意圖

為保證鋼管棚架有足夠剛度，打設(shè)完成后其內(nèi)壓入水泥漿，漿液水灰比為1∶1，注漿壓力初壓0.5-1.0MPa、終壓2.0MPa。

5）管棚施工注漿結(jié)束后，開挖渣體，每循環(huán)60cm，開挖采用人工配以風(fēng)鎬開挖，人工裝運(yùn)，小推車運(yùn)送，每循環(huán)開挖完后及時出噴C20噴射砼封閉周邊及前方塌體，后施工施做護(hù)拱I18工字鋼，間距60cm，立一榀噴一榀。

6）環(huán)向搭設(shè)φ42超前注漿小導(dǎo)管，間距40cm，超前注漿加固。小導(dǎo)管長5.0m，外插角10度，縱向間距60cm設(shè)置一環(huán)。小導(dǎo)管管壁鉆設(shè)梅花孔，孔徑1cm，間距15cm，導(dǎo)管前端做成尖狀，頂進(jìn)端1.0m長度內(nèi)不鉆孔。注漿采用劈裂注漿注漿終壓2.0MPa，水灰比1：1，注漿材料為純水泥漿，注漿可根據(jù)開挖體實(shí)際調(diào)整加以輔助劑。注漿前在導(dǎo)管口焊接注漿閥門，每一循環(huán)噴錨時必須將擋頭封死保證注漿時不跑漿。

7）為使塌腔處按照設(shè)計尺寸要求架立拱架，噴射混凝土腔殼容易形成，在拱架外部交錯鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)外敷復(fù)合式防水板作為拱背封擋；噴射砼殼體厚度為26cm。

拱架及其他鋼筋部件施作完成后，焊接固定預(yù)埋泵送砼管。泵送管預(yù)留時頂端距離塌穴頂50cm，預(yù)留在噴砼護(hù)拱下部的管口端不少于30cm。

8）噴射砼前先將預(yù)留泵送砼管口封堵，以防止噴砼堵塞管道。噴射砼時嚴(yán)格按照施作要求進(jìn)行，務(wù)必保證噴砼層的密實(shí)度和整體厚度，以達(dá)到承載要求。

9）壓注砼，充填塌穴

待腔殼噴射砼強(qiáng)度達(dá)到80%以上以后，遂泵送壓注砼充填塌穴。充填砼型號為C25，分層壓注，每層壓注厚度1.0m左右。施作要點(diǎn)：壓砼前，估算塌穴尺寸計算需要壓入砼的方量，以避免壓入量不足或壓入過多；后一次壓砼必需在前一次壓入的砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%以上方可進(jìn)行；安設(shè)拱架時，根據(jù)塌穴的總高度確定每次壓注厚度后，埋設(shè)每層混凝土壓注時的檢查管，檢查管采用φ42鋼管，埋設(shè)位置盡量在溶穴最高處并保證澆筑過程中不會被混凝土堵塞。

充填砼施作完成后，利用噴射砼設(shè)備向砼護(hù)拱上方吹入砂子填充護(hù)拱和塌穴壁間的空隙作為緩沖層。具體見圖4。

3.2.4 YK75+450-YK75+462變形段處理方案

該段拱部雖未發(fā)生坍塌，但拱部圍巖已產(chǎn)生裂紋，裂紋最寬達(dá)2厘米左右，且該段右側(cè)初支嚴(yán)重變形，左側(cè)初支存在欠挖，前期坍塌處理時已搭設(shè)導(dǎo)管注漿，注漿完畢后采用風(fēng)鎬破除原初支砼再架立拱架。

1）經(jīng)檢查注漿效果合格后，換拱間距每循環(huán)60cm，一次拆除原立護(hù)拱，在原初支面上按設(shè)計斷面采用人工持風(fēng)鎬開槽,開槽斷面按照設(shè)計施工參數(shù)開槽，尺寸合適后及時進(jìn)行噴射砼封閉。

2）每循環(huán)開槽后及時施工初期支護(hù)，I18工子綱，縱向間距60cm，噴射砼24cm，φ8雙層鋼筋網(wǎng)片，徑向φ42系統(tǒng)導(dǎo)管長350cm，超前φ42注漿導(dǎo)管。注漿結(jié)束后待注漿強(qiáng)度達(dá)到后，在按循環(huán)繼續(xù)換拱。

3.2.5 坍方段結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理

1）對YK75+450-465段做襯砌加強(qiáng)處理，襯砌采用45厘米厚的C25鋼筋砼。

2）坍方處理時所有加設(shè)的支撐必須待仰拱成環(huán)后、在襯砌施工前方能拆除。

3）拱背坍穴由于已泵送砼回填，為保證初支結(jié)構(gòu)安全,不考慮二次回填。

3.2.6 監(jiān)控量測

坍方后我們對YK75+450-465段5米設(shè)置一組觀測樁,2-8小時觀測一次，如遇數(shù)據(jù)異常，還及時進(jìn)行了加測。

4 安全質(zhì)量保證措施

4.1 由于施工作業(yè)面存在坍塌、落石等危險，在隧道處理坍塌的施工過程中，務(wù)必嚴(yán)格控制施工人員選配，抽調(diào)技術(shù)熟練的職工組成施工工班，本著精簡、干練的原則組織人員進(jìn)行施工，嚴(yán)禁多余人等進(jìn)入工作面。

4.2 塌方處理施工期間，必須加強(qiáng)隧道內(nèi)的通風(fēng)、照明及材料供應(yīng)的及時正常。要有專人負(fù)責(zé)觀察圍巖變化情況，如有危險，及時通知人員撤退到安全處。

4.3 初噴砼封閉掌子面及塌穴壁的施作是處理措施中重要的一環(huán)，關(guān)系到后續(xù)施作的安全和能否正常進(jìn)行，所以，初噴施作必需保證受噴面充分、噴射厚度充分、初噴時間及時。

5 施工體會

5.1 應(yīng)該做好隧道施工災(zāi)情應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行演練，一旦坍情發(fā)生后，立即啟動應(yīng)急預(yù)案，組織一個強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)小組,按既定方案進(jìn)行搶險處坍塌。

5.2 坍情發(fā)生后，應(yīng)首先摸清坍體情況，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定合理的施工方案。坍塌后應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡快召開方案討論會，與會人員應(yīng)深入、客觀、全面地討論，方案形成后應(yīng)擴(kuò)大交底范圍，由技術(shù)人員向工區(qū)主任、值班員、工班長交底,值班員或工班長向成員交底，使現(xiàn)場操作工人都知道具體方案。

5.3 坍塌發(fā)生后，應(yīng)先加固未坍地段避免坍情進(jìn)一步擴(kuò)大，后根據(jù)實(shí)際情況盡快對坍塌面進(jìn)行支護(hù)，處理時避免破除坍塌碴堆。坍方處理應(yīng)穩(wěn)中求快，嚴(yán)防冒進(jìn)。

圖4 坍塌處理示意圖

5.4 坍方處理過程中，必須加強(qiáng)監(jiān)控量測，我們通過加密的觀測樁得出，坍方處理的措施是合理、安全的。

6 青峰斷裂破碎帶片巖軟弱不均地層防坍技術(shù)

受青峰斷裂帶影響，隧道圍巖均表現(xiàn)為破碎，自穩(wěn)性較差，遇水后軟化、膨脹易脫落、掉塊。片巖軟弱不均長出現(xiàn)，表現(xiàn)為隧道一側(cè)圍巖較完整、自穩(wěn)能力較好，另一側(cè)結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)性弱或無膠結(jié)，自穩(wěn)力差。此種地層施工易麻痹施工人員，往往得不到應(yīng)有的重視。施工時應(yīng)做到以下幾點(diǎn)∶

6.1 工序組織、快速成環(huán)

步序合理、工藝到位和采取的一系列措施對隧道變形具有抑制作用，以二襯施工控制開挖速度,是減少變形拆換的一個有效方法?？刂乒ば虿介L，化施工工藝，并對每個工序、工藝進(jìn)行監(jiān)控，確保工藝到位，嚴(yán)格控制工序步長,

6.2 超前地質(zhì)預(yù)報，制定合理的施工方法

（1）軟弱不均地層施工時，應(yīng)全程采用風(fēng)鉆探眼，探眼深度控制在循環(huán)進(jìn)度上，以便隨時掌握軟弱分界線走向位置。（2）軟弱層應(yīng)采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿法改善地層條件，軟弱不均地層段應(yīng)按軟弱層支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，嚴(yán)禁出現(xiàn)隨意拉大拱架間距、減小噴砼厚度等野蠻施工現(xiàn)象。（3）挖機(jī)扒碴時，嚴(yán)禁出現(xiàn)拉中槽現(xiàn)象。下斷面施工時必須左右錯開，且開挖進(jìn)尺不得大于1榀拱架。

6.3 錨噴構(gòu)筑法原理指導(dǎo)施工

（1）采用控制爆破，盡量減少對圍巖的擾動，爆破后及時初噴并及早進(jìn)行初期支護(hù)。（2）開挖時軟弱側(cè)收縮周邊眼位置、實(shí)行隔孔裝藥，并通過小管棚預(yù)支護(hù)等輔助施工方法保證開挖質(zhì)量，防止出現(xiàn)較大欠挖。（3）加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，及時反饋信息，做到信息化施工。對變形超限的初期支護(hù)要及時進(jìn)行加固。

6.4 釋放應(yīng)力措施

由于絹云母片巖特殊巖性的影響，圍巖變形量大易導(dǎo)致初期支護(hù)變形侵限，因此對大變形隧道的處理應(yīng)按照先放后抗的原則進(jìn)行，在臨時支護(hù)約束下盡量釋放變形，然后施作初期支護(hù)，二襯及時緊跟。

6.5 初期支護(hù)質(zhì)量

（1）確保噴混凝土與圍巖密貼，并保證噴混凝土強(qiáng)度。對超挖較大處，必須采用同級號的砼回填密實(shí)，并增設(shè)系統(tǒng)錨桿,嚴(yán)禁回填片石或其他雜物。（2）鋼支撐間距符合設(shè)計要求，安裝位置正確，保證接頭處的等強(qiáng)連接，鋼支撐拱腳增設(shè)鎖腳錨桿加固。（3）嚴(yán)禁拱腳懸空∶嚴(yán)格控制上斷面底板眼位置，如有超挖，應(yīng)用方木支墊，并噴砼密實(shí)。

6.6 加強(qiáng)監(jiān)控量測，增加預(yù)留變形量，滿足施工需要

針對青峰隧道變形持續(xù)時間長、累計變形量大的特點(diǎn)，依據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，增加了預(yù)留變形量，由設(shè)計的15cm增加到45cm。施工中通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析和判斷，對圍巖-支護(hù)體系的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并據(jù)此確定相應(yīng)的施工措施，一確保圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

6.7 嚴(yán)格施工紀(jì)律

施工方案一經(jīng)確定，操作人員必須嚴(yán)格執(zhí)行，不得私自變動。嚴(yán)格的施工紀(jì)律，合理的工序安排，先進(jìn)的施工工藝，嚴(yán)肅的管理制度是一套防坍塌的有效手段。

7 結(jié)束語

坍方原因與處理方法各異，坍方處理必須要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，本著安全、快速的指導(dǎo)思想，制訂合理的處理方案。

隧道施工，特別是長隧道施工，地質(zhì)變化較頻繁，設(shè)計勘測不可能做到萬無一失，但通過合理的施工組織，必要的施工紀(jì)律，坍方是可以避免的。施工時做好超前地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)掌子面圍巖變化確定合理的施工方案是避免坍方的首要條件;加強(qiáng)施工紀(jì)律、杜絕隨意性施工，是避免坍方的必要條件。

［1］湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院.谷竹高速公路《施工圖設(shè)計》[Z].

［2］湖北房縣青峰斷裂帶的變形與變質(zhì)作用研究[J].成都地質(zhì)學(xué)院學(xué)報.

［3］隧道坍塌的預(yù)防及處理措施[J].工程技術(shù).

［4］公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

［5］隧道塌方原因剖析及工程對策[J].鐵道建筑技術(shù).