東皇廟隧道冒頂坍塌事故分析及處理方案探討

王常金

(杭州市交通設(shè)施建設(shè)處　杭州　310024)

東皇廟隧道冒頂坍塌事故分析及處理方案探討

王常金

(杭州市交通設(shè)施建設(shè)處杭州310024)

摘要針對(duì)東皇廟隧道左洞進(jìn)洞段掌子面處發(fā)生冒頂坍塌事故，分析引起冒頂坍塌的原因，提出冒頂坍塌后的處理方案、坍塌段和影響段的施工方法以及在日常施工中防止冒頂坍塌的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞隧道冒頂坍塌分析處理

東皇廟隧道是杭新景高速公路浙江省建德壽昌至開(kāi)化白沙關(guān)段工程眾多隧道中的一個(gè)，位于建德市航頭鎮(zhèn)，方向北東40°延伸。隧道采用雙洞單向行車雙車道型式，右洞起迄樁號(hào)YK135+045～YK136+090，長(zhǎng)度1 045m；左洞起迄樁號(hào)ZK135+020～ZK136+089，長(zhǎng)度1 069m。兩平行隧洞中線相距27.68m。隧道凈高5m,凈寬10.75m，內(nèi)輪廓半徑5.79m，斷面凈空面積68.37m2。

1地質(zhì)水文狀況

東皇廟隧道地處山丘地貌，山坡植被發(fā)育，以灌木林為主。地貌溝谷發(fā)育伴隨沖洪積相地形且陡峭。地質(zhì)為上覆崩坡積體、圍巖破碎影響帶，成因類型為崩塌-洪積。崩坡積體成分主要為含碎石粉質(zhì)粘土、含粘性土碎石和塊石。下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖，物探顯示基巖面起伏：全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，節(jié)理裂隙發(fā)育，可見(jiàn)鐵質(zhì)浸染，斷面不新鮮，巖心破碎，呈碎塊狀、塊狀。

地下水主要為崩坡積體空隙水和基巖風(fēng)化裂隙水，儲(chǔ)水量較多；基巖裂隙水主要儲(chǔ)存在全-強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化基巖的裂隙中，水量較貧；地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，氣侯影響特征明顯。

2坍塌狀況

東皇廟隧道正在施工之中，右洞已經(jīng)貫通，左洞進(jìn)洞段正在采用三臺(tái)階法開(kāi)挖。2014年7月11日晚上10點(diǎn)左右，左洞進(jìn)洞段ZK136+007處(掌子面處)發(fā)生右側(cè)拱頂冒頂坍塌事故，塌落體約120m3，塌坑高12 m(隧道頂部至山體表面的垂直高度)。坍塌造成施工臺(tái)車及靠近掌子面的兩榀初支工字鋼損壞。因作業(yè)人員已下班休息，故無(wú)人員傷亡。隧道塌坑橫斷面和縱剖面分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1　隧道塌坑橫斷面圖(單位：m)

圖2　隧道塌坑縱剖面圖

3坍塌原因分析

坍塌前，根據(jù)地質(zhì)情況，該段已定為Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)段。初期支護(hù)為18工字鋼，間距35cm；超前小導(dǎo)管每3m一環(huán)。

由于該段開(kāi)挖掌子面處于崩坡積體內(nèi)，地層屬多樣性、地層構(gòu)成主要為崩坍塊體、泥、砂及根植、腐植質(zhì)，呈多次洪積而成，自然崩坍成因、欠壓密狀，松散孔隙率大，局部巖層理或裂隙有滲水現(xiàn)象，局部裂隙發(fā)育處有淋水現(xiàn)象。再加上施工至該段時(shí)候，時(shí)值多雨天、且雨量較大，施工圍巖呈松散結(jié)構(gòu)喪失自身成拱能力，且正處在山體匯水排洪溝邊，受雨水長(zhǎng)時(shí)間滲透浸泡，降低了圍巖四周地層強(qiáng)度，破壞了暫時(shí)平衡地層。同時(shí)在該處前期地質(zhì)勘探時(shí)，有一處取心孔未進(jìn)行及時(shí)封閉，造成雨水下滲，長(zhǎng)期保有雨水，降低了圍巖四周地層強(qiáng)度。施工開(kāi)挖掌子面時(shí)，圍巖拱頂出現(xiàn)直徑約2m大孤石，泥砂夾大塊石且遇突發(fā)暴雨,洞內(nèi)滲水嚴(yán)重，使洞內(nèi)上臺(tái)階掌子面失穩(wěn)(ZK136+007)引發(fā)小股泥石流，造成隧道右側(cè)拱頂冒頂坍塌。

4坍塌段處理

冒頂坍塌事故發(fā)生后，除按規(guī)定程序進(jìn)行報(bào)告外，必須加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)警戒和觀察，同時(shí)制定處理方案。坍塌段應(yīng)急處理方法如下:

4.1掌子面加固

待坍塌體相對(duì)穩(wěn)定后，利用洞渣回填反壓，采用15cm厚C20網(wǎng)噴混凝土+42mm×4mm小導(dǎo)管(長(zhǎng)6m，間距1.2×1.2m)注漿加固，進(jìn)行坡面防護(hù)；回填反壓土體水平頂面與初期支護(hù)頂部間的空隙采用M10水泥砂漿填充不留空隙，以確保對(duì)該影響段形成有效支撐；在靠近掌子面13m影響段內(nèi)，每1m用18號(hào)工字鋼架進(jìn)行臨時(shí)加固并加強(qiáng)縱向連接[1](在現(xiàn)狀初期支護(hù)表面進(jìn)行，二襯澆筑前再拆除)；坍塌體防護(hù)后的坡面設(shè)置仰斜式排水孔，以排除坍塌體內(nèi)的積水。此項(xiàng)措施的主要目的是穩(wěn)定掌子面，使掌子面不再失穩(wěn)。

4.2監(jiān)控量測(cè)

由于坍塌前該段已加強(qiáng)了初期支護(hù)，塌方后影響段初支未見(jiàn)裂縫，僅掌子面附近1-2榀鋼拱架出現(xiàn)較大的扭曲變形，故不對(duì)該段進(jìn)行加強(qiáng)處理，但應(yīng)加強(qiáng)該淺埋段洞內(nèi)拱頂下沉、周邊收斂等監(jiān)控量測(cè)工作及初期支護(hù)開(kāi)裂、掌子面等的觀察，并經(jīng)常用激光斷面儀檢查超欠挖情況，以防侵限。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，要及時(shí)采取措施。

4.3打設(shè)鋼花管

洞內(nèi)采用無(wú)工作室跟管鉆進(jìn)法打設(shè)1環(huán)直徑108mm×6mm鋼花管進(jìn)行注漿[2]。鋼花管環(huán)向間距1.2m，單根鋼花管總長(zhǎng)16m，布置在拱部120°范圍內(nèi)，共13根。100cm長(zhǎng)直徑mm127×4.5mm孔口管尾端分別焊接在ZK136+004相鄰2榀工字鋼拱架的上下翼緣上作為導(dǎo)向管，鋼花管外插角控制在8°左右。鋼花管孔口段2m范圍內(nèi)管壁不開(kāi)孔，作為止?jié){墻。采用1∶1純水泥漿液，漿液擴(kuò)散半徑按0.8m考慮，注漿壓力1～2MPa。打設(shè)鋼花管的目的，一方面注漿可以使軟弱土體、松散土體及破碎巖體穩(wěn)定、加固，以提高強(qiáng)度；另一方面鋼花管本身留在土體內(nèi)部也可以起到加筋的作用。打設(shè)鋼花管是隧道施工中解決冒頂?shù)淖钣行ё詈侠淼氖┕し椒ā?/p>

4.4打設(shè)小導(dǎo)管

待鋼花管注漿加固完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，打設(shè)直徑42mm×4mm系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管,長(zhǎng)度為4m，小導(dǎo)管縱橫間距0.5m×1.0m，梅花型布設(shè)。小導(dǎo)管注漿施工工藝簡(jiǎn)單，易于操作，施工安全，土層加固見(jiàn)效快，漿液損失少，成本低，是隧道施工中最常用的加固土層的方法之一。

4.5塌坑處理

由于塌方坡率較大，為防止塌方繼續(xù)發(fā)展，增強(qiáng)塌體的自穩(wěn)能力，增強(qiáng)施工的安全性，對(duì)塌坑周邊5m進(jìn)行放坡，同時(shí)，采用15cm厚C25噴混凝土+雙層A6鋼筋網(wǎng)+砂漿錨桿(長(zhǎng)3.5m,間距@1.2×1.2m)加強(qiáng)邊坡防護(hù)。

將塌坑內(nèi)的淤泥全部清除，回填塌坑至離山坡表面約7m并夯實(shí)。在塌坑底部，周邊打設(shè)一圈直徑42mm×4mm長(zhǎng)5m小導(dǎo)管，架設(shè)主筋Φ22@200mm鋼筋與周邊直徑42mm×4mm注漿小導(dǎo)管連接，鋼筋綁扎好后澆筑C20混凝土?；炷翍?yīng)澆至比邊上沖溝高20cm，以防止在坑內(nèi)積水。表面進(jìn)行適當(dāng)回填并復(fù)綠。澆筑C20混凝土的主要目的是減少滲水，穩(wěn)固山體。

5坍塌及影響段施工

待坍塌及影響段地質(zhì)穩(wěn)定后，不適宜再在隧道進(jìn)洞段開(kāi)挖，應(yīng)改為隧道出洞段開(kāi)挖(與原開(kāi)挖方向相反)。當(dāng)出洞段開(kāi)挖至ZK136+027時(shí)，由于掌子面距離ZK136+007冒頂較近，進(jìn)入坍塌及影響段，故不能按常規(guī)開(kāi)挖，而應(yīng)增加無(wú)工作室30m長(zhǎng)、直徑108mm×6mm注漿鋼花管超前預(yù)支護(hù)，與前述進(jìn)洞段坍塌處理時(shí)打入的鋼花管一起共同加固巖土，增加巖土強(qiáng)度。同樣打設(shè)系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管，錨桿為直徑42mm×4mm，水泥漿液配比同前述。為增強(qiáng)安全系數(shù)，原來(lái)的三層階開(kāi)挖法改為雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于0.5m。

坍塌及影響段拱頂位移及周邊收斂監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置間距為5m，每天量測(cè)2次。二襯主筋由原來(lái)的Φ22@250mm加強(qiáng)為Φ25@200mm。

特別要注意的是在隧道貫通時(shí)，采用3榀鋼拱架做臨時(shí)護(hù)拱，施做30m鋼花管一次性穿過(guò)塌方段，鋼花管外插角控制在10°左右，采用先成孔再穿管的施工方法，確保在貫通過(guò)程中的施工安全。待鋼花管施工完成后，再開(kāi)始掌子面的施工。超前支護(hù)在ZK136+027至ZK136+017增設(shè)10m單層注漿直徑42mm×4mm小導(dǎo)管；在ZK136+017～ZK136+004增設(shè)13m雙層注漿直徑42mm×4mm小導(dǎo)管。小導(dǎo)管施工側(cè)面圖見(jiàn)圖3。

圖3　小導(dǎo)管施工側(cè)面圖

6防止隧道坍塌的技術(shù)措施

在隧道日常施工中，應(yīng)做到以護(hù)為主，寧強(qiáng)勿弱，步步為營(yíng)，穩(wěn)中求快，嚴(yán)格貫徹“管超前，少擾動(dòng)，早噴錨，強(qiáng)支護(hù)，緊封閉，勤測(cè)量”的原則。為防止坍塌事故發(fā)生，應(yīng)采取主要技術(shù)措施如下：

(1) 拱部開(kāi)挖按設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制進(jìn)尺，不得超挖，下部開(kāi)挖沿兩側(cè)交錯(cuò)進(jìn)行，懸空長(zhǎng)度不得超過(guò)2榀拱架，不良地質(zhì)每次1榀，開(kāi)挖后及時(shí)接腿；仰拱開(kāi)挖每次不得超過(guò)4榀，并及時(shí)進(jìn)行封閉。

(2) 拱腳、墻角預(yù)留30cm人工開(kāi)挖，嚴(yán)禁挖機(jī)代替人工開(kāi)挖，嚴(yán)禁超挖；拱腳、墻角嚴(yán)禁被水浸泡，如使用風(fēng)鉆有水時(shí)，要及時(shí)引出，不得有積水；拱腳部位打炮眼時(shí)應(yīng)盡量保持水平，如拱腳超挖后拱腳部位應(yīng)用大石塊填實(shí)，不得用虛碴回填。

(3) 如圍巖較差地段需留核心土?xí)r，要保證核心土的大小和長(zhǎng)度，支護(hù)面積不得小于掌子面的1/2，不能為了方便操作而挖掉太多(核心土起到對(duì)掌子面的支護(hù)作用，挖掉太多對(duì)掌子面的支護(hù)不足就容易造成坍方)。

(4) 施作超前小導(dǎo)管時(shí)，保證相鄰2排小導(dǎo)管搭接長(zhǎng)度，搭接不要小于1.5m，以防止因超前小導(dǎo)管打入長(zhǎng)度不夠而造成放炮后超前小導(dǎo)管懸空而失去作用；保證超前小導(dǎo)管的間距，該加密的部位及時(shí)確定加密方案進(jìn)行加密。

(5) 保證拱架間距，不得隨意放大，連接筋要與拱架焊接牢固，保證間距；超挖和坍塌部分用混凝土噴滿回填，拱架背后不得留有空洞或填塞其他物質(zhì)，以免造成隱患。

(6) 實(shí)施施工全過(guò)程的監(jiān)控量測(cè)工作，并充分利用工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)資料，提前預(yù)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖前方不良工程地質(zhì)狀況，應(yīng)及時(shí)制定相應(yīng)的施工方案，嚴(yán)格按方案施工。

(7) 每次開(kāi)挖爆破完成后，對(duì)圍巖狀況及掌子面地質(zhì)情況應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)觀測(cè)，及時(shí)支護(hù)，使圍巖與初支護(hù)及時(shí)組成一個(gè)承載體系，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力[3]；盡快完成初期支護(hù)和二次環(huán)形襯砌的結(jié)構(gòu)封閉，以支撐圍巖。

(8) 施工中設(shè)置專職人員觀察圍巖變形情況，進(jìn)行綜合判別，及早發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，采取相應(yīng)措施：①根據(jù)位移速率判斷：速率大于1mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變形狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)；速率變化在0.2～1.0mm/d時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，做好加固的準(zhǔn)備；速率小于0.2mm/d時(shí)，圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);②根據(jù)位移速率變化趨勢(shì)判斷：當(dāng)圍巖位移速率不斷下降時(shí)，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)圍巖位移速率變化保持不變時(shí)，圍巖尚不穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)圍巖位移速率變化上升時(shí)，圍巖處于危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即停止掘進(jìn)，采取應(yīng)急措施。

7結(jié)語(yǔ)

崩坡積體淺埋段，地質(zhì)狀況差，且地下水發(fā)育，受大氣補(bǔ)給明顯，圍巖穩(wěn)定性差，施工的主要任務(wù)是促使圍巖成拱、穩(wěn)定，能承受山體壓力，因此，開(kāi)挖時(shí)必須加強(qiáng)地質(zhì)提前預(yù)報(bào)和量測(cè)，做好超前支護(hù)，確保核心土預(yù)留規(guī)范，嚴(yán)格控制施工進(jìn)尺，及時(shí)進(jìn)行仰拱封閉，同時(shí)做好排水體系。一旦出現(xiàn)坍塌事故，應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真分析研究，制定出行之有效的處理措施和施工方法。只有這樣，才能保證隧道施工安全、可靠，確保施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]JTG/TF60-2009 公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]JTJ076-95公路工程施工安全技術(shù)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，1995.

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.044