隧道大變形處置技術(shù)思路探討

劉 靜

（四川南渝高速公路有限公司）

隧道大變形處置技術(shù)思路探討

劉 靜

（四川南渝高速公路有限公司）

隧道開挖出現(xiàn)大變形，及時(shí)處置防止于發(fā)生坍塌，但需合理的處置方法方可收到效果。本文以圍巖破碎、地下水豐富華鎣山隧道為例，分析在開挖過程中出現(xiàn)大變形處置的新思路：前期的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，修正設(shè)計(jì)；后期加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋施工，采取及時(shí)有效的處置措施。

隧道塌方 破碎帶圍巖 地下水 大變形 超前預(yù)報(bào)

1. 引言

“要致富、先修路”。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的從東向西發(fā)展趨勢(shì)，加快西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫，為滿足國(guó)家發(fā)展，西部的交通也加快建設(shè)，因此，山區(qū)公路出現(xiàn)大量公路隧道。由于山區(qū)地形地貌復(fù)雜，修建隧道出現(xiàn)各種不確定因素，其中隧道塌方是隧道施工中常見的災(zāi)害之一，因此各國(guó)對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。

塌方的研究主要集中在如何有效的預(yù)防塌方，其中一塊是實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)：一方面通過數(shù)據(jù)判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況；另一方通過地質(zhì)特征，預(yù)防塌方：陸文星等提出建立圍巖失穩(wěn)判據(jù)[1]，鄭陳昊等研究圍巖實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)曲線，建議不同類型圍巖塌方預(yù)警預(yù)測(cè)體系的標(biāo)準(zhǔn)[2]。找出塌方誘發(fā)因素，也能很好的防止圍巖的大變形，進(jìn)而發(fā)生塌方。主要集中在：塊體理論、突變理論、灰色系統(tǒng)理論和其他非線性理論等研究預(yù)防塌方[3]。

等在塌方防治技術(shù)方面。19世紀(jì)70年代蘭州鐵道學(xué)院《隧道工程》一書中提出：小坍清,先支后清;大坍穿,先棚后穿;治坍先治水的塌方處治原則。王迎超等經(jīng)過大量觀察總結(jié)出塌方放生的前兆，預(yù)防塌方需要包括三個(gè)方面：技術(shù)管理、組織管理和質(zhì)量管理[3]。霍玉華等對(duì)管棚支護(hù)機(jī)理進(jìn)行研究，其力學(xué)效應(yīng)主要有梁拱效應(yīng)、環(huán)槽效應(yīng)和強(qiáng)化巖體三方面[4]。王桂平等研究了注漿加固圍巖后，隧道拱頂以上被加固密實(shí),形成結(jié)實(shí)體,從而達(dá)到整體穩(wěn)定的效果[5]。

進(jìn)行破碎及富水區(qū)帶圍巖的開挖，尤其要注意圍巖的變化情況，而華鎣山隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)段，且圍巖完整性差，富含地下水，設(shè)計(jì)、施工等整個(gè)過程中某一環(huán)節(jié)出問題就會(huì)發(fā)生工程事故。研究該隧道穿越富水破碎帶，預(yù)防塌方等事故極有必要。

2. 項(xiàng)目概況及地質(zhì)介紹

華鎣山隧道穿越華鎣山山脈，隧道平均長(zhǎng)度為8159.5m。按80km/h雙向四車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，兩洞身間距為28.9～37.3m。洞身主要穿過華鎣山背斜和大俠口斷裂，隧道內(nèi)存在斷層破碎帶、軟弱圍巖、巖溶及巖溶水等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)。

右洞樁號(hào)為K107+620～+635段主要以泥灰?guī)r、泥巖、角礫巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，被石膏、方解石填充；裂隙水發(fā)育，局部存在股狀水，且圍巖的完整及自穩(wěn)性差。該段設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖，采用臺(tái)階法施工，局部采用預(yù)留核心土施工。掌子面退后一段距離，即樁號(hào)K107+556處出現(xiàn)上臺(tái)底板冒水，原因是該段隧道埋深超過200m，存在一定水壓，且隧道通過水循環(huán)帶。

3. 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道在K107+580～K107+620段開挖的上臺(tái)階圍巖為泥質(zhì)灰?guī)r、鹽溶角礫巖、泥灰?guī)r，裂隙發(fā)育，有少量填充物，方解石脈填充，局部夾石膏，泥質(zhì)灰?guī)r弱風(fēng)化。此外，該段底板都在掌子面開挖過5m范圍后，底板出現(xiàn)多處小涌水點(diǎn)。因此，為保證隧道施工順利，加強(qiáng)該段短距離的地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，采用地質(zhì)雷達(dá)100MHZ天線對(duì)K107+604～K107+639進(jìn)行預(yù)報(bào)，并在K107+619～K107+649該段取芯鉆孔。其雷達(dá)探測(cè)結(jié)果回波圖與鉆孔芯樣圖如下圖所示。其探測(cè)結(jié)果如下表所示。

圖1 雷達(dá)回波圖和鉆孔芯樣圖

表1 短距離超前預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果

從初步設(shè)計(jì)的地質(zhì)資料、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和現(xiàn)有開挖段地質(zhì)對(duì)比分析，該段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果能夠較好反應(yīng)前方預(yù)報(bào)段圍巖的情況，并及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)和施工，保證隧道安全施工。

4. 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)根據(jù)前期的地質(zhì)設(shè)計(jì)資料，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，隧道在前期開挖段的圍巖情況、掌子面約束作用的減弱，施工爆破對(duì)隧道周邊的震動(dòng)影響，修正了初步設(shè)計(jì)。該段圍巖按Ⅴ級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示：

表2 隧道初期支護(hù)參數(shù)

該段施工按照設(shè)計(jì)進(jìn)行，開挖過程中并未出現(xiàn)明顯的異常情況，說明初期支護(hù)達(dá)到了良好的效果。隨著掌子面的推進(jìn)，掌子面對(duì)該段的約束力減弱，該段監(jiān)控?cái)嗝姘l(fā)生急劇變形，及時(shí)預(yù)警。

5、塌方預(yù)警及原因

監(jiān)控量測(cè)主要目的是為了解圍巖的穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力和安全性信息[6]。隨著隧道開挖的進(jìn)行，監(jiān)控開挖段出現(xiàn)大變形情況，及時(shí)反饋，避免大變形引起塌方，造成工程事故。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)分析

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)規(guī)范和要求，該段按照間距10m一個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)控量測(cè)斷面設(shè)置在樁號(hào)為k107+630，距離掌子面10m處，在未埋設(shè)下一個(gè)斷面之前。其中監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)為拱頂沉降、和周邊收斂。拱頂三個(gè)點(diǎn)采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，周邊收斂采用收斂鋼尺。監(jiān)控量測(cè)布設(shè)圖和該斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖所示：

圖2 監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置和變形開裂圖

圖3 未加固前監(jiān)控變形曲線和變形速率曲線

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，拱頂下呈不收斂的趨勢(shì)，最大沉降值為-38.63mm，且初支表面出現(xiàn)縱向、環(huán)向裂縫，環(huán)向裂縫最大寬度為20mm，環(huán)向裂縫最大長(zhǎng)度為5m，隧道圍巖在該段處于即將破壞的零界點(diǎn)。因此，根據(jù)監(jiān)控分析數(shù)據(jù)該段預(yù)警，并建議采取掌子面停工，加固該段，待該段數(shù)據(jù)監(jiān)控穩(wěn)定后進(jìn)行掌子面開挖。

5.2 大變形原因分析

隧道開挖在樁號(hào)為K107+630發(fā)生急劇變形的原因有以下幾點(diǎn)：

① 地質(zhì)作用：該段地質(zhì)較差，隧道圍巖完整性較差，地下水豐富，降低圍巖的自穩(wěn)能力。該段埋深超過200m，處于石膏層影響帶，圍巖破碎，完整性及自穩(wěn)性差，且受地下水影響嚴(yán)重，因此該段具備了發(fā)生塌方的地質(zhì)誘因。②開挖段圍巖的受掌子面約束支撐作用。隨著前方開挖的推進(jìn)，掌子面對(duì)后方已挖斷圍巖的支撐約束作用減弱，圍巖的約束減少變形加速。③現(xiàn)場(chǎng)施工因素。掌子面開挖速度過快，施工未按設(shè)計(jì)要求施工，鋼拱架的架立不垂直、系統(tǒng)錨桿施做不規(guī)范等，降低了初支效果；以及強(qiáng)爆破產(chǎn)生的震動(dòng)，使圍巖松動(dòng)，降低圍巖彼此間的咬合力。④設(shè)計(jì)因素。設(shè)計(jì)偏于薄弱，且未能及時(shí)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，使其滿足結(jié)構(gòu)要求。

綜合以上因素，內(nèi)部因素與外部因素的共同作用下，致使圍巖產(chǎn)生大變形，即將發(fā)生塌方事故。

6、處置措施討論

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》中對(duì)塌方的處置措施：處置措施的盲目性和防止坍塌繼續(xù)擴(kuò)大[6]，因此選擇合理的塌方處理措施，既保證隧道安全，又節(jié)約工程費(fèi)用，加快隧道施工，下面是兩種措置方案的比較。

表3 處置方案比較

由于該段圍巖破碎，地下水發(fā)育，須及時(shí)控制圍巖變形，防止塌方的發(fā)生，且注漿效果難以保證，耗時(shí)、費(fèi)用高，因此掌子面停止施工，優(yōu)先選用采用臨時(shí)鋼支撐控制圍巖變形能達(dá)到一定效果，再根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果采取下一步措施。

7、處置結(jié)果

通過對(duì)處置后的斷面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可知：圍巖的拱頂、左右拱腰下沉數(shù)據(jù)逐漸趨于常數(shù)，圍巖的周邊收斂也趨于常數(shù)，圍巖的拱頂、左右拱腰沉降速率，以及周邊收斂速率，都逐漸減小到趨于0。說明采用增加臨時(shí)鋼拱架措施，有效控制圍巖變形，使圍巖變形收斂趨勢(shì)正常，最后支護(hù)穩(wěn)定。說明選擇的臨時(shí)拱架的施工措施合理，且經(jīng)濟(jì)時(shí)效。以下是處置后監(jiān)控量測(cè)趨勢(shì)圖。

圖4 處置后圍巖變形量和變形速率

圖5 加固措施照片

8、結(jié)論

華鎣山隧道地質(zhì)差，易發(fā)生大變形，侵入隧道設(shè)計(jì)凈空，或者不受控制的大變形引起隧道塌方等工程事故。為減小控制圍巖變形，經(jīng)華鎣山隧道施工等情況總結(jié)一下幾點(diǎn)：

（1）隧道穿過段地質(zhì)方面：隧道地質(zhì)勘探過程中，地質(zhì)信息盡量詳盡，使地勘資料能更為真實(shí)的反應(yīng)隧道穿過的地質(zhì)狀態(tài)；根據(jù)隧道開挖的地質(zhì)情況，前期地勘資料，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)反饋設(shè)計(jì)。

（2）隧道施工過程：現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及超前預(yù)報(bào)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工；控制人為因素，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，做好超前支護(hù)；加強(qiáng)開挖段監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋；根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)大變形，選取高效的處置措施；加強(qiáng)后期的初支的質(zhì)量檢查，防止初支背后空洞，并及時(shí)處置。

[1]鄭陳星.隧道塌方預(yù)警預(yù)測(cè)體系及治理措施研究. [D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

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1007-6344（2015）11-0280-02