宴家炭質片巖隧道塌方綜合處治研究

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(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

谷竹高速公路宴家隧道位于竹溪縣境內，為一座上下行分離式小凈距隧道。左幅隧道起訖里程樁號為ZK226+712—ZK227+797，長1 085 m，最大埋深134 m;右幅隧道起訖里程樁號為YK226+718—YK227+803，長1 085 m，最大埋深128 m，左右洞凈距約20～25 m，設計為小凈距隧道。隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，隧道設置2處人行橫洞，1處車行橫洞。

宴家隧道圍巖以炭質片巖為主。設計中Ⅳ、Ⅴ圍巖占隧道總長的65%。圍巖強度低，層理發(fā)育，局部富水，施工中多處塌方。

隧道區(qū)屬構造剝蝕侵蝕中低山地貌，斜坡、沖溝地形。隧道橫穿山脊，經過區(qū)域地表地形整體呈波狀起伏，于ZK227+340左右跨越山體分水嶺后，隧道穿出山體。隧道進洞口所在斜坡為凹型坡，坡角為40°～70°，坡向為112°;隧道出洞口所在斜坡為凸型坡，斜坡坡度40°左右，坡面植被茂密，坡向為275°。隧道兩洞口處均發(fā)育垂直于路線的沖溝。

根據(jù)地質調繪及鉆探、物探等勘察方式得出，隧址區(qū)表層覆蓋第四系殘坡積粉質黏土與碎石土。

碎石土:揭露最大深度1.0 m，深灰、褐雜色，中密，稍濕。碎石含量約55%，粒徑3～9 cm，棱角狀，成分較雜，以硬質巖為主。隙間較多黏性土充填。

粉質黏土:灰褐色，硬塑狀，稍濕，以黏粒為主，粉粒次之，局部夾少量碎礫石。

下伏基巖為志留系中統(tǒng)竹溪群片巖。

強風化片巖揭露最大深度7.5 m，淺灰色，母巖結構大部分已被破壞，構造不清晰，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，礦物成分已顯著變化，巖芯多呈碎塊狀，原巖遇水極易軟化，強度明顯降低，手摸有滑膩感。

弱風化片巖揭露最大深度49.4 m，灰綠色，變晶結構，片狀構造，主要礦物為絹云母、綠泥石、長約8 cm碎塊狀，最大節(jié)長40 cm。巖質新鮮、堅硬，錘擊聲脆，屬較硬巖。

隧道區(qū)位于北西向的竹溪褶皺束所屬的楊家山向斜內，所涉及的地層主要為志留系。隧址位于向斜翼部，整體產狀為單斜產狀，傾向北東，產狀為27°～40°∠34°～36°，節(jié)理發(fā)育。隧道區(qū)未見發(fā)育區(qū)域性斷裂。

隧道洞身圍巖為志留系中統(tǒng)竹溪群炭質片巖。炭質片巖風化程度為中，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差，拱頂無支護時可產生局部坍塌，側壁較穩(wěn)定，地下水為點滴狀。圍巖分級以Ⅵ級圍巖為主，占洞身總長的60%。隧洞掌子面揭露圍巖情況表明，洞身圍巖主要為強風化炭質片巖夾泥質片巖，云母含量較高，片狀～鱗片狀構造，巖性軟。巖體破碎，片理面發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部泥化嚴重，層間結合差。

至2012年8月2日，先后有ZK227+194—ZK227+160，ZK227+290—ZK227+274，YK227+279—YK227+267等5處發(fā)生塌方。設計支護類型與圍巖特征見表1。

表1 塌方段落基本情況

2 塌方過程及原因分析

2.1 塌方過程

2011年6月26 日22時，宴家隧道右線掌子面開挖至YK227+147.7處(設計屬于Ⅳ級圍巖，襯砌類型為XS4b)，掌子面圍巖破碎，為中風化炭質片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，拱部少量滲水，進洞右側拱部滑層首先發(fā)生滑塌，至27日8時，形成縱向長度約4 m，環(huán)向長度達7 m，深度達3.5 m的坍腔。出現(xiàn)塌方情況后，為了確保塌坍不擴大，保證隧道的安全，采取了回填洞渣反壓的措施。對YK227+147.7—YK227+144.0段采取打設超前小導管注漿固結圍巖及塌體，然后泵送混凝土回填坍腔的措施。至7月3日塌方區(qū)圍巖基本穩(wěn)定，期間不定時的有塌方發(fā)生，塌腔不斷擴大，最終形成自掌子面(YK227+147.7)一直延伸至YK227+141.0的塌方區(qū)，塌方區(qū)長約7 m，環(huán)向長度達10 m，最深約5 m，方量約為300 m3。

2011年7月17 日23時，宴家隧道左線中臺階(ZK227+167，設計屬于Ⅲ級圍巖，襯砌類型為XS3，變更為I16工字鋼)施工時發(fā)現(xiàn)中臺階開挖圍巖較上臺階更為破碎，以強風化～中風化絹云母片巖為主，巖性很軟，巖體較破碎，且節(jié)理發(fā)育，局部含水，左部軟弱圍巖泥化明顯，圍巖穩(wěn)定性較差。上臺階掌子面ZK227+160處首先出現(xiàn)掉塊，靠近掌子面進洞左側拱腰位置開始出現(xiàn)裂紋，初支混凝土發(fā)生掉塊。人員、機械立即撤離至安全地段，掌子面隨即發(fā)生較大規(guī)模掉塊，并沿滑層向拱部及后方延伸。上臺階已支護段遭到破壞，至18日4:00時，滑塌縱向長度達6 m，環(huán)向長度約7 m。由于塌方速度較快，拱頂形成的塌腔高度無法進行確認，塌方量約為260 m3，坍體主要為松散風化巖，夾雜粒徑不均片狀石塊并夾泥，坍腔高度較高，最終坍體幾乎將掌子面封閉。

其余段塌方過程從略。

2.2 監(jiān)控量測結果

監(jiān)控量測是新奧法設計與施工的重要組成部分。通過監(jiān)控量測結果可及時掌握圍巖與支護結構變形發(fā)展趨勢，為支護結構參數(shù)調整提供科學依據(jù)。

對ZK227+160塌方段在ZK227+164處布置了監(jiān)測點，其監(jiān)測結果如圖1。對YK227+147塌方段在YK227+150處布置了監(jiān)測點，其監(jiān)測結果如圖2。

圖1 2011年ZK227+164處變形監(jiān)測曲線

圖2 2011年YK227+150處變形監(jiān)測曲線

2.3 塌方原因分析

1)揭露圍巖情況與勘察設計存在差異

設計中圍巖類別不論是Ⅲ級或Ⅳ級，開挖揭露顯示圍巖主要為強風化炭質片巖，云母含量較高，片狀～鱗片狀構造，巖性軟，巖體破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部泥化嚴重，層間結合差，有滲～滴水現(xiàn)象，圍巖自穩(wěn)能力差。揭露圍巖狀況與設計圍巖級別存在較大的差異。初期支護偏弱是初期支護開裂發(fā)展導致塌方產生的重要原因。圍巖變形和初期支護變形在地下水作用下加大了塌方的影響范圍。

2)炭質片巖強度低對圍巖失穩(wěn)變形起控制作用

由于揭露的圍巖強度低，屬于軟巖。圍巖變形具有持續(xù)性和突發(fā)性的特點。從ZK227+164和YK227+150兩個斷面變形監(jiān)測曲線可以看出:圍巖收斂變形和拱頂下沉在塌方前累計變形較小，但總的變形一直呈增長趨勢。這種增長趨勢正是軟巖變形持續(xù)性的反映。在累計變形持續(xù)發(fā)展過程中，受到內部應力突然釋放、地下水影響、開挖擾動等作用，發(fā)生突發(fā)性塌方。這種塌方正是軟巖變形在時間和空間上突發(fā)性的具體表現(xiàn)。也正是軟巖的這種特性導致其塌方控制難度加大。

3)炭質片巖結構面對圍巖穩(wěn)定性產生明顯影響

圍巖存在破碎帶或軟弱夾層，炭質片巖層狀軟巖結構面結合差，結構面遇水軟化，降低了炭質片巖的力學指標，致使圍巖整體性降低。軟弱結構面本身容易產生塌方，在降雨或多次連續(xù)降雨或地下水作用下，地下水沿著炭質片巖結構面滲透引起圍巖失穩(wěn)破壞。對于順層構造部位更容易產生塌方。

4)炭質片巖穩(wěn)定性對地下水的影響敏感

隧道建設區(qū)域暴雨集中，暴雨多集中在6～7月份。在隧道開挖過程中，暴雨較多，大量降雨滲入基巖，軟巖強度顯著降低，導致圍巖工程性質惡化。

3 塌方處治

3.1 應急措施

隧道出現(xiàn)塌方情況后，立即啟動《安全應急預案》，安全領導小組趕赴施工現(xiàn)場。隧道安全員分3組24 h輪換值班，在距離隧道塌方位置50 m處設置警戒線，禁止人員進入，并組織量測人員每2 h對圍巖動態(tài)進行觀測，派專人隨時監(jiān)測，檢查塌方區(qū)穩(wěn)定情況。加強塌方段落地表變形觀察與監(jiān)測。2011年7月17日ZK227+242—ZK227+156出現(xiàn)塌方情況后，2011年7月18日查看宴家隧道左線洞頂原始地表，無明顯跡象。為了防止塌方不擴大，保證隧道安全，采取了回填洞渣反壓的措施。對 YK227+147.7—YK227+144.0段還采取打設超前小導管注漿固結圍巖及塌體，然后泵送混凝土回填坍腔的措施。

3.2 處治措施

3.2.1 后方仰拱及二襯施工

宴家隧道左線二襯里程ZK227+207，距離塌方處不足50 m，首先施作大邊基及二襯，二襯施工至塌方段后方，然后進行塌方段處理。

3.2.2 坍腔處理

對坍塌處采用回填洞渣先行預壓掌子面，使坍塌不延伸，對塌體噴混凝土固結后，采用三臺階法施工。因塌體高度高于拱頂，采用拱部120°范圍打設一環(huán)超前小導管(長度L=6.0 m，環(huán)向間距40 cm)注漿固結拱部及掌子面松散塌體。拱部預留注漿管道泵送100 cm厚C25混凝土，再吹砂50 cm厚。

3.2.3 調整初襯類型并加固

采用 XS4b襯砌類型，增加I18工字鋼(間距80 cm)，增加超前小導管4.0 m(塌方段縱向間距1.6 m，影響段縱向間距2.4 m，環(huán)向間距40 cm)，并預留注漿管道泵送C25混凝土回填坍腔。

3.2.4 增強二襯結構

為了防止塌腔混凝土泵送處理過程中存在的不密實現(xiàn)象對隧道結構的影響，對ZK227+194—ZK227+156和YK227+153—YK227+131兩段二次襯砌增加襯砌鋼筋。其它塌方段亦做類似處理。

3.2.5 加強監(jiān)控量測工作

處治施工中加強洞內監(jiān)控量測工作，嚴格執(zhí)行3級預警機制，發(fā)現(xiàn)異常情況及時上報，并采取必要的處理措施。根據(jù)初襯監(jiān)測結果決定二襯施作時機。二襯施作后，加強二襯變形監(jiān)測，對處治效果進行評價。

3.3 處理效果評價

處治工程結束后，對拱頂下沉、圍巖收斂、二襯混凝土應變進行了長期監(jiān)測，ZK227+165及YK227+145監(jiān)測斷面變形曲線如圖3。圖3表明:兩個監(jiān)測斷面累計圍巖收斂和拱頂下沉都表現(xiàn)出增加趨勢，但在相同時間內累計變形量減小約50% ～70%，變形速率也呈明顯減小。變形趨勢相同，但變形速率呈現(xiàn)明顯減小趨勢。初期支護加固處理后，初期支護的持續(xù)變形基本得到控制，初期支護后沒有再次出現(xiàn)大變形現(xiàn)象。說明宴家隧道塌方段處治所采取的措施是合理的，處治效果良好。但是由于軟巖具有流變特性，隧道變形仍未能達到完全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 監(jiān)測斷面變形曲線

ZK227+165監(jiān)測斷面應變曲線如圖4所示。從圖4(a)看出:縱向拉應變最大值位于拱頂部位，最大值為 198.56 ×10－6，為允許應變 2 000 × 10－6的9.93%。最大壓應變位于左拱腳部位，最大值為46.11×10－6，遠遠小于允許應變。圖4(b)表明:該斷面縱向混凝土應變比較平穩(wěn)，環(huán)向在拱頂、左拱腳、右拱腳先是受拉，大約12 d即轉變?yōu)槭軌?，但變化均比較平緩。該斷面混凝土大多處于受拉狀態(tài)，應變(縱向)比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)大的波動，而且應變值也未出現(xiàn)超過允許應變的情況，二襯混凝土在這種受力情況下狀態(tài)良好，說明調整二襯支護參數(shù)的方案是合適的。

圖4 ZK227+165處監(jiān)測斷面應變曲線

4 結論

塌方處理后，變形監(jiān)測結果表明塌方處理方案是合理的，圍巖累積變形量和變形速率都大大降低，說明采取的加固措施有效，可為以后相似工程的處理提供借鑒。

1)充分認識炭質片巖的變形特征，正確確定圍巖的級別，采用合理的支護參數(shù)是防止炭質片巖塌方發(fā)生的根本措施。

2)炭質片巖圍巖穩(wěn)定性在地下水作用下顯著降低，探明地下水發(fā)育狀況對防止炭質片巖失穩(wěn)塌方具有重要的意義。

3)加強炭質片巖泥化區(qū)、破碎區(qū)等區(qū)域施工工藝控制，及時調整施工方案，必要時采取超前小導管等工程措施進行圍巖加固，是防止炭質片巖圍巖塌方失穩(wěn)的一種有效措施。

4)加強量測工作，對量測數(shù)據(jù)及時分析處理，按照變形趨勢確定開挖方案和二襯支護時間，必要時及時對開挖方案、初襯和二襯支護參數(shù)進行調整。必須把監(jiān)控量測工作貫穿于整個隧道施工過程之中。

5)塌方處治要根據(jù)圍巖性質、塌方規(guī)模等采取相應的措施，并加強施工工藝控制。

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