西成客運(yùn)專(zhuān)線范家咀隧道塌方采用的綜合治理措施

江 海 燕， 楊 永 海

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

西成客運(yùn)專(zhuān)線XCZQ-5標(biāo)的范家咀隧道位于陜西省洋縣長(zhǎng)溪鄉(xiāng)境內(nèi)的秦嶺南麓山前丘陵區(qū)，地勢(shì)東高西低，地形逐漸變緩，溝梁相間，沖溝發(fā)育，相對(duì)高差120～150 m，埋深6～140 m。隧道起訖里程DK182+556～DK184+312.2，全 長(zhǎng)1 756.32 m，為雙線隧道。隧道出口段1 127.322 m位于R-9 000 m的曲線上，其余段落位于直線上；隧道內(nèi)為3‰的單面上坡。整條隧道圍巖類(lèi)別為Ⅲ～Ⅴ類(lèi)，其中以Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖居多，占80%，洞身巖性全部為云母石英片巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，基巖裂隙水廣泛分布于段內(nèi)的節(jié)理、裂隙中，水量不大，對(duì)圬工不具侵蝕性。

2 坍塌情況及原因分析

2.1 坍塌情況的發(fā)生

范家咀隧道自2013年5月3日進(jìn)洞施工以來(lái)，截止到2013年10月11日，進(jìn)口段完成上斷面掘進(jìn)支護(hù)至DK182+873(317 m)，仰拱施工至DK182+824(268 m)，二襯施工至DK182+788(232 m)。

2013年10月12日上午，DK182+873～DK182+876段采用鉆爆法按照兩臺(tái)階開(kāi)挖工法施工，進(jìn)尺為3 m，開(kāi)挖尺寸為13.86 m×11.4 m，斷面面積132 m2，兩臺(tái)階施工斷面如圖1所示。

該段開(kāi)挖爆破完成后，掌子面左側(cè)有一道寬約35 cm 左右的軟弱夾層，巖層產(chǎn)狀為NW85°，S，∠64°，圍巖破碎，拱部局部掉渣掉塊。在出渣完成后，及時(shí)組織作業(yè)人員進(jìn)行了初噴封閉，厚度4 cm。初噴結(jié)束，隨即進(jìn)行了φ22四肢格柵鋼架安裝，間距1 m。晚上20∶40，格柵鋼架及鎖腳錨管、鋼筋網(wǎng)片、錨桿施做完成，正準(zhǔn)備進(jìn)行復(fù)噴混凝土施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)左側(cè)拱頂已初噴混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂，局部巖體第二次掉塊。為保證人員及設(shè)備安全，立即組織人員及設(shè)備撤到安全區(qū)域，掌子面暫停施工。隨后巖體自左向右呈傾斜狀坍出并逐步加劇，將已經(jīng)安裝好的格柵鋼架砸壞，幾分鐘時(shí)間內(nèi)即將隧道掌子面封實(shí)，估測(cè)拱頂塌腔高度在4～5 m之間，坍塌體方量約為560 m3。坍塌后的施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖1 兩臺(tái)階法開(kāi)挖施工斷面圖

2.2 原因分析

對(duì)于此次坍塌，經(jīng)綜合分析后認(rèn)為主要原因?yàn)樗淼勒谱用鎳鷰r地質(zhì)情況發(fā)生突然變化所致。DK182+818～DK182+938段原設(shè)計(jì)為Ⅲ類(lèi)圍巖，采用Ⅲa型參數(shù)支護(hù)，按照兩臺(tái)階法施工；在對(duì)開(kāi)挖后的掌子面進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)：DK182+873到掌子面間圍巖為云母石英片巖，掌子面左側(cè)有一道寬約35 cm 左右的軟弱夾層，圍巖破碎，云母含量較高，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，掌子面有輕微滲水，巖體自穩(wěn)能力大大降低，原設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)已不能滿(mǎn)足施工要求。掌子面不良地質(zhì)情況分布如圖3所示。

圖2 塌方體趨于穩(wěn)定后的現(xiàn)場(chǎng)照片

圖3 掌子面不良地質(zhì)情況分布位置圖

3 塌方處理采用的方法和技術(shù)措施

塌方處理的原則是首先保證未塌方段初期支護(hù)的安全和穩(wěn)固，對(duì)圍巖進(jìn)行加固，避免塌方擴(kuò)大。根據(jù)此次塌方的情況和特點(diǎn)，將隧道塌方分為三段進(jìn)行處理，即塌方部位后面的影響段(DK182+862～ DK182+873,計(jì)11 m)；塌方段(DK182+873～DK182+883，計(jì)10 m)；塌方部位前面的影響段(DK182+883～DK182+898，計(jì)15 m)。另外，在塌體洞頂?shù)乇硖幝裨O(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)確定是否需要進(jìn)行處理。

3.1 塌體洞頂?shù)乇硖幚矸桨?/h3>

塌方發(fā)生后，立即安排測(cè)量人員在塌體洞頂?shù)乇戆凑湛v向5 m、橫向3 m間距埋設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該段埋深在90～95 m之間，對(duì)埋設(shè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，累計(jì)最大下沉量為3.8 mm，地表穩(wěn)定，無(wú)異常，故不需進(jìn)行注漿處理。為防止地表水滲入，在塌方體地表周?chē)捎萌斯ら_(kāi)挖一道排水溝的方式將地表水進(jìn)行引排。

3.2 塌方部位后面的影響段處理方案

該段已按照原設(shè)計(jì)的Ⅲa襯砌類(lèi)型完成錨噴網(wǎng)初期支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：拱墻噴射C25混凝土，厚12 cm；拱部設(shè)φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為25 cm×25 cm；拱部設(shè)φ25的中空錨桿，邊墻設(shè)φ22的砂漿錨桿，間距(環(huán)×縱)1.2 m×1.5 m，長(zhǎng)3 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)觀察，DK182+862～ DK182+873段拱墻受塌方影響，初期支護(hù)混凝土表面局部出現(xiàn)細(xì)小裂縫，共計(jì)5條，裂縫寬度3～8 mm不等；通過(guò)該段圍巖監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)獲知，隧道拱頂下沉及水平收斂數(shù)據(jù)均無(wú)異常，經(jīng)綜合分析后認(rèn)為：DK182+873往洞口方向的初期支護(hù)基本穩(wěn)定，只需對(duì)DK182+862 ～ DK182+873段上臺(tái)階采用套拱進(jìn)行加固處理即可。

套拱在坍塌體表面采用噴射混凝土封閉及反壓石渣回填完成后進(jìn)行施工，采用I22a型鋼制作，縱向間距0.8 m，鋼架間設(shè)φ22的縱向連接鋼筋，每榀鋼架采用φ42錨管在鋼架兩側(cè)交錯(cuò)布置，環(huán)向間距1.2 m，長(zhǎng)3 m。鋼架拱腳深入巖體形成大拱腳，同時(shí)在鋼架拱腳設(shè)四根φ42鎖腳錨管，單根長(zhǎng)4 m。

3.3 洞內(nèi)坍塌體處理方案

3.3.1 坍塌體封閉

在對(duì)坍塌體后面的影響部位進(jìn)行處理之前，先對(duì)塌方體表面渣體采用C25噴射混凝土進(jìn)行封閉，厚度為25 cm。

3.3.2 反壓回填石渣形成三臺(tái)階作業(yè)條件

在坍塌體表面噴射混凝土封閉完成后，從DK182+862處開(kāi)始采用石渣回填中臺(tái)階直至塌體掌子面，以穩(wěn)固塌體防其再次下滑，形成三臺(tái)階開(kāi)挖的作業(yè)平臺(tái)。

1.3.2 樣品前處理 除去樹(shù)莓果實(shí)中的雜質(zhì)，勻漿后烘干。準(zhǔn)確稱(chēng)量樹(shù)莓果實(shí)粗粉20.00 g，包入濾紙中放于提取器內(nèi)，60℃下甲醇提取4 h后收集提取液。甲醇提取液在50℃以下真空蒸發(fā)回收溶劑后，甲醇提取物以1.00 g甲醇提取物加100 mL 10%甲醇的比例溶解，再以乙醚萃取3次(液比1∶3)，合并乙醚萃取液，蒸發(fā)溶劑得到紅棕色油狀浸膏1.00 g。

3.3.3 坍塌體的固結(jié)

考慮到此次坍塌體數(shù)量較多，拱頂壓力大，坍塌物均為松散的石英片巖，可壓縮性大，為確保施工安全，同時(shí)考慮到隨后采取的大管棚施工工藝，需要在反壓石渣回填完成后對(duì)松散的渣體進(jìn)行注漿固結(jié)，以增強(qiáng)其整體性。

沿靠近掌子面第一榀鋼架布設(shè)φ42小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，外插角30°～45°，在小導(dǎo)管內(nèi)注1∶1水泥漿。因塌體體內(nèi)巖石破碎，為確保注漿效果，采用分段前進(jìn)式注漿，注漿分4次完成，注漿壓力為0.8 MPa。

3.3.4 大管棚施工

沿靠近掌子面第一榀鋼架外緣布設(shè)φ108大管棚，大管棚與之前施工的小導(dǎo)管錯(cuò)開(kāi)布置，管棚長(zhǎng)15 m，環(huán)向間距0.4 m，外插角10°～15°(可適當(dāng)調(diào)整)，拱部布設(shè)范圍不小于120°。考慮到管棚施做的難度，將15 m長(zhǎng)的管棚分為兩期施工，第一次9 m，采用套管跟管成孔；第二次6 m，不跟管、直接鉆進(jìn)成孔，相鄰之間搭接長(zhǎng)度為2 m。大管棚布設(shè)情況如圖4所示。

圖4 大管棚安設(shè)示意圖

3.3.5 坍塌體開(kāi)挖

大管棚施做完成后，采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行坍塌體的開(kāi)挖施工，具體施工方法如圖5、6所示。

(2)第二、三步。中臺(tái)階開(kāi)挖2、3。應(yīng)先開(kāi)挖邊墻一側(cè)，再開(kāi)挖邊墻的另一側(cè)，錯(cuò)開(kāi)2～3 m的距離，避免上臺(tái)階的初期支護(hù)在同一位置懸空。邊墻每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于1 m。開(kāi)挖、修整至設(shè)計(jì)輪廓后立即初噴4 cm厚混凝土，及時(shí)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、架設(shè)鋼架，緊貼鋼架兩側(cè)拱腳按斜向下傾角45°打設(shè)鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用U形鋼筋牢固焊接后噴射至設(shè)計(jì)厚度。

(3)第四、五步。下臺(tái)階開(kāi)挖4、5，開(kāi)挖方法同上述(2)中臺(tái)階開(kāi)挖。

(4)第六步。開(kāi)挖中部上、中、下臺(tái)階預(yù)留核心土6-1、6-2、6-3。

(5)第七步。仰拱開(kāi)挖7。

圖5 三臺(tái)階七步法施工斷面圖

圖6 三臺(tái)階七步法施工縱斷面圖

3.3.6 拱頂回填

待塌方體段初期支護(hù)噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，委托黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司采用RIS地質(zhì)雷達(dá)對(duì)該段拱頂塌腔部位進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)獲知，拱頂最大脫空高度為3.8 m，塌腔體內(nèi)采用C20泵送混凝土回填密實(shí)。

在拱部初支噴射混凝土?xí)r，按照3 m間距提前預(yù)埋φ200鋼管，同時(shí)埋設(shè)φ42鋼管作為排氣孔，排氣孔塌腔頂面距離依據(jù)泵送回填混凝土次數(shù)及每次泵送高度確定。泵送混凝土之前，先泵送0.5 m厚的水泥砂漿形成緩沖層，分兩次泵送混凝土，泵送高度受相應(yīng)排氣孔控制，當(dāng)相應(yīng)排氣孔出漿時(shí)，表明已澆筑到相應(yīng)高度。

3.4 塌方影響段處理方案

塌方體清除后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘并采用TSP法對(duì)前方的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行了探明，探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，DK182+883～DK182+898段為塌方體的影響段，平均波速Vp=3 980 m/s，Vs=2 350 m/s，泊松比為0.29～0.31，動(dòng)態(tài)楊氏模量為26～28 GPa，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎。為確保施工安全，采用加強(qiáng)支護(hù)的方式，將該段圍巖由原設(shè)計(jì)的Ⅲa變更為Vc，按照三臺(tái)階七步法進(jìn)行開(kāi)挖施工。

3.5 監(jiān)控量測(cè)

為確保隧道施工安全，在開(kāi)挖后12 h內(nèi)按照4 m一個(gè)斷面埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)反光貼測(cè)點(diǎn)，每個(gè)量測(cè)斷面各布置一個(gè)拱頂下沉點(diǎn)和兩條凈空水平收斂測(cè)線，每隔4 h用徠卡TS06紅外線全站儀進(jìn)行一次測(cè)量。測(cè)得的具體數(shù)據(jù)為：拱頂最大下沉值為30.3 mm，最大下沉速率為16.4 mm/d，水平收斂最大變化速率為11.2 mm/d。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析、判斷，施工中所采取的支護(hù)類(lèi)型和支護(hù)參數(shù)是有效的，無(wú)需調(diào)整施工方法和支護(hù)參數(shù)。監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式示意圖

4 經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

本次塌方的整個(gè)處理過(guò)程為32 d，造成直接經(jīng)濟(jì)損失42萬(wàn)元。通過(guò)此事件，項(xiàng)目部各級(jí)管理人員充分認(rèn)識(shí)到：在隧道開(kāi)挖施工中，要隨時(shí)觀察圍巖變化情況，一旦出現(xiàn)異常情況，要及時(shí)將人員、設(shè)備撤離至安全地帶，避免造成人員傷亡；應(yīng)高度重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，根據(jù)所揭示的圍巖穩(wěn)定情況及時(shí)采取相應(yīng)的支護(hù)方案，特別是在圍巖軟硬交替、有較大變化處更要小心謹(jǐn)慎，不可盲目追求施工進(jìn)度而生硬采用既有的施工方法，施工現(xiàn)場(chǎng)在發(fā)現(xiàn)圍巖地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)情況不符、存在安全隱患的情況下，要及時(shí)與設(shè)計(jì)院等相關(guān)單位聯(lián)系，確定變更方案，確保施工安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程，TB10304-2009[S].

作者簡(jiǎn)介:江海燕(1980-)，女，陜西寶雞人，工程師，從事水電及鐵路工程施工技術(shù)與管理工作；

楊永海(1980-)，男，四川廣元人，項(xiàng)目總工程師，工程師，從事水電及鐵路工程施工技術(shù)與管理工作.