鐘家二號(hào)隧道塌方處理技術(shù)

李洪濤

(中鐵十八局集團(tuán)華北區(qū)域指揮部，天津 300461)

1 工程概述

蘭新鐵路第二雙線是國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，也是亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分。位于該鐵路線的鐘家二號(hào)隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線，起訖里程為 DK97+327—DK99+846，全長(zhǎng)2 519 m，隧道圍巖以Ⅳ，Ⅴ級(jí)為主，其中Ⅳ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)71.5%，Ⅴ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)28.5%。

隧道下穿一低中山體及湟水河支流，沿線地勢(shì)起伏較大，進(jìn)出口兩端低，洞身部位高。隧道出口為松樹溝高階地前緣陡坡，自然坡度為45°～50°，橫向沖溝較發(fā)育。據(jù)地勘資料及隧道開挖揭示，隧道出口端圍巖主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、沖積砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、卵石土及第三系中新統(tǒng)泥巖、泥巖夾砂巖。隧道洞身以泥巖為主，局部夾砂巖，巖體破碎，開挖面多潮濕、滲水。泥巖遇水后易膨脹崩解，膨脹率為30%～50%。

2 隧道塌方情況

隧道塌方段原設(shè)計(jì)為兩臺(tái)階法施工，從出口端施工至DK99+146處發(fā)生坍塌，坍塌體范圍為DK99+164—DK99+146，長(zhǎng) 18 m，塌方量約2 000 m3，塌體將整個(gè)隧道斷面填滿。該段圍巖為泥巖夾砂巖，呈水平層理，其中砂巖多分布在拱頂以上，為粗粒結(jié)構(gòu)，膠結(jié)性差，手掰易碎，且掌子面局部出現(xiàn)大量滲水，圍巖遇水后拱頂塌落掉塊嚴(yán)重。

3 塌方原因分析

1)隧道掌子面拱部上方砂巖巖體破碎、膠結(jié)性差，承載力低，開挖后易引起圍巖變形失穩(wěn)。

2)掌子面右側(cè)拱頂出現(xiàn)大量滲水，浸泡巖體，使巖體軟化、承載力降低，致使鋼架受力增加、變形過(guò)大。

3)該段圍巖級(jí)別為Ⅳ，采用兩臺(tái)階法施工，上臺(tái)階高度過(guò)大致使初期支護(hù)變形過(guò)大。

4)施工過(guò)程中圍巖變形監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有及時(shí)分析和反饋，對(duì)圍巖變形沒(méi)有引起足夠的重視。

4 塌方處理方案

4.1 分段處理

針對(duì)隧道開挖后圍巖收斂變形大，巖層滲水量大等特點(diǎn)，對(duì)塌方影響段、塌方段采用了不同的處理方案。

1)DK99+172—DK99+164塌方影響段

為確保施工安全，首先對(duì)塌方后方影響段DK99+172—DK99+164進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。具體措施為:①在已施作初期支護(hù)的拱腳及墻腳位置均增設(shè)2根4 m長(zhǎng)的φ42鎖腳錨管，并進(jìn)行注漿加固。②采用φ42徑向小導(dǎo)管(2.0 m×2.0 m梅花形布置)進(jìn)行水泥—水玻璃雙液漿注漿加固地層并堵水。③在已施作的初期支護(hù)內(nèi)側(cè)加設(shè)I25b型鋼鋼架形成雙層支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼架間距為0.5 m，與外側(cè)鋼架錯(cuò)開布置。鋼架之間設(shè)φ22縱向連接筋，環(huán)向間距0.8 m。每榀鋼架的拼裝連接處均采用2根4 m長(zhǎng)的φ42鎖腳錨管加固。④對(duì)塌方體前緣進(jìn)行反壓回填，以防塌方進(jìn)一步發(fā)展。

2)DK99+164—DK99+146塌方段

根據(jù)塌方段圍巖特征、地下水情況及施工條件制定了以下塌方段處理方案:①在掌子面附近整理出施工平臺(tái)，先對(duì)掌子面的塌方松散體進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨，然后噴射混凝土封閉掌子面，形成不小于20 cm厚的止?jié){墻。②施作第一層φ42注漿小導(dǎo)管，對(duì)滑塌段拱頂上方及前方松散體進(jìn)行注漿加固(如圖1所示)，初步形成整體護(hù)拱，提高自身承載力。小導(dǎo)管長(zhǎng)6 m，環(huán)向間距40 cm，外插角15°。漿液采用單水泥漿液，有條件可適當(dāng)加入水玻璃。漿液配合比采用1∶1，注漿水泥用量一般控制在每延米3～5 t。③初次注漿結(jié)束后，停滯12 h左右待漿液固結(jié)，在原有注漿小導(dǎo)管上部環(huán)向交錯(cuò)施作第二層φ42注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)6 m，環(huán)向間距40 cm，外插角45°，進(jìn)一步擴(kuò)大注漿加固范圍。④向塌方體前方進(jìn)行跟管鉆孔，打設(shè)導(dǎo)水孔。⑤開挖改用三臺(tái)階預(yù)留核心土擴(kuò)大拱腳法，循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。⑥初期支護(hù)采用噴錨網(wǎng)+鋼架的支護(hù)形式，噴射C25混凝土厚32 cm，系統(tǒng)錨桿為間距1.0 m×1.0 m長(zhǎng)4 m梅花形布置的φ42中空注漿錨桿，全斷面架設(shè)間距0.5 m的I25b型鋼鋼架。⑦在拱腳處施作2根鎖腳錨管并注漿加固，抑制鋼架下沉。⑧對(duì)塌方段二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，拱墻厚度由原來(lái)的45 cm提高到65 cm，仰拱厚度從55 cm提高到75 cm，并加設(shè)鋼筋。

3)DK99+146—DK99+136塌方影響段

對(duì)塌方前方影響段DK99+146—DK99+136段進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，全斷面設(shè)置2榀/m的I22a型鋼鋼架;拱部采用φ42超前小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長(zhǎng)5 m，環(huán)向間距0.3 m，外插角 45°。

4.2 處理效果

為驗(yàn)證塌方處理方案實(shí)施的效果，在施工過(guò)程中加強(qiáng)了隧道圍巖的監(jiān)控量測(cè)工作。隧道拱頂下沉和凈空變化的量測(cè)斷面間距由《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求的20 m變?yōu)? m，對(duì)變形數(shù)據(jù)及時(shí)分析并反饋給施工隊(duì)，以便及時(shí)調(diào)整和修正支護(hù)參數(shù)，保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

1)塌方影響段

對(duì)塌方后s方影響段DK99+172—DK99+164和塌方前方影響段DK99+146—DK99+136段的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明，變形管理等級(jí)均為Ⅲ級(jí)，可正常施工，說(shuō)明該處理方案可行。

2)塌方段

量測(cè)斷面DK99+160的拱頂下沉和凈空收斂變化數(shù)據(jù)正常，變形管理等級(jí)為Ⅲ級(jí)，可正常施工，說(shuō)明DK99+164—DK99+155可按塌方段處理方案施工。

量測(cè)斷面DK99+155的拱頂下沉和凈空變化數(shù)據(jù)偏大，變形管理等級(jí)為Ⅱ級(jí)，應(yīng)對(duì) DK99+155—DK99+146段調(diào)整和修正支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)支護(hù)。另外，此段在現(xiàn)場(chǎng)施作超前小導(dǎo)管時(shí)，在拱部鋼架上割孔，由于割孔直徑過(guò)大、形狀不規(guī)則，大大降低了鋼架的承載能力，鋼架受力后形成應(yīng)力集中，在拱腰割孔部位發(fā)生扭曲變形。因此，應(yīng)對(duì)DK99+155—DK99+146塌方段的處理方案進(jìn)行改進(jìn)。

5 塌方段處理方案的改進(jìn)措施

1)注漿加固

為了增強(qiáng)塌方體開挖過(guò)程中隧道的穩(wěn)定性，對(duì)洞內(nèi)滑塌段松散體施作6 m長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，提高其變形和強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)，避免了塌方體邊開挖邊滑塌的現(xiàn)象發(fā)生。

2)改進(jìn)超前支護(hù)施作工藝及支護(hù)參數(shù)

針對(duì)在鋼拱架上割孔定位小導(dǎo)管帶來(lái)的問(wèn)題，采用在鋼拱架外側(cè)施作小導(dǎo)管，避免了割孔對(duì)鋼拱架的損傷，保護(hù)了鋼拱架的承載能力。調(diào)整超前支護(hù)參數(shù):雙層φ42超前小導(dǎo)管外插角采用10°和30°環(huán)向交替使用(如圖2)，環(huán)向間距縮小為0.3 m，縱向搭接長(zhǎng)度3.0 m，提高了超前加固圈強(qiáng)度。

圖2 改進(jìn)后雙層超前小導(dǎo)管設(shè)置示意

3)加強(qiáng)拱腳

在拱架拱腳部位以下傾45°打設(shè)4根長(zhǎng)4 m鎖腳錨管，并進(jìn)行注漿加固，抑制拱腳沉降，提高洞室整體穩(wěn)定性。

4)調(diào)整施工參數(shù)

減小上臺(tái)階一次處理長(zhǎng)度，使初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，二次襯砌緊跟;加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行信息分析與反饋。

6 結(jié)論

蘭新鐵路第二雙線鐘家二號(hào)隧道出口端施工至DK99+146時(shí)發(fā)生坍塌，坍塌體長(zhǎng)度18 m，塌方量約2 000 m3。通過(guò)對(duì)塌方原因分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，總結(jié)形成了隧道塌方處理技術(shù):對(duì)塌方影響段主要采取徑向注漿加固堵水、打設(shè)鎖腳錨管、雙層支護(hù)等措施;對(duì)塌方段采取了加固塌落松散體、雙層超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、徑向注漿、導(dǎo)管超前引水、拱腳加強(qiáng)、三臺(tái)階預(yù)留核心土擴(kuò)大拱腳開挖和縮短仰拱封閉距離等綜合措施。該技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)其它類似工程有一定借鑒價(jià)值。

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