淺埋軟弱圍巖地段隧道冒頂坍塌處理及預(yù)防措施

王星星

廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司（361008）

淺埋軟弱圍巖地段隧道冒頂坍塌處理及預(yù)防措施

王星星

廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司（361008）

結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形地質(zhì)情況，提出針對軟弱圍巖地段隧道冒頂坍塌的應(yīng)急預(yù)案及處理措施，介紹了采取超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控測量及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工方法等手段預(yù)防隧道坍塌。

淺埋軟弱圍巖；冒頂坍塌；處理；支護(hù)參數(shù)；預(yù)防

0 引言

隧道塌方是隧道施工中洞頂兩側(cè)部分巖土體由于重力作用向下崩落的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。引起隧道塌方的原因可以概括為三個方面：一是自然因素，即工程地質(zhì)及水文地質(zhì)的變化;二是工程因素，即在巖土體中修建隧道而引起地質(zhì)的變化；三是人為因素，即不合理、不適當(dāng)?shù)氖┕し椒肮に嚒?/p>

軟弱圍巖地段容易發(fā)生相對規(guī)模較大的冒頂坍塌。冒頂坍塌的主要特征是形成洞內(nèi)直通地表的天坑，易形成二次坍塌，處理難度相對較大。

1 工程概況

福安市環(huán)城路二期工程位于福安市城區(qū)北側(cè)，道路全長約4 km，為城市二級主干道。老蛇崗隧道是福安市環(huán)城路二期市政工程中的一座上下行分離的雙向四車道分離式隧道，設(shè)計時速50 km/h。隧道左線起訖樁號為ZK1+210～ZK2+208，長998 m；右線起訖樁號為K1+190～K2+175，長985 m。隧道凈空為10.00 m×5.0 m。隧道進(jìn)口較長段落為淺埋段，覆蓋層較薄，圍巖主要以砂土狀全風(fēng)化花崗巖為主，且夾有豎向黏土狀脈巖。圍巖極易破碎，自穩(wěn)能力差，原設(shè)計圍巖級別判定為Ⅴ級圍巖，隧道采用CD法施工。

老蛇崗隧道右線于2011年9月開始進(jìn)洞施工，2011年11月中旬施工至樁號K1+265時發(fā)生冒頂坍塌，大量渣體涌入隧道約7 m，掌子面K1+ 265往小樁號方向部分已完成初支工字鋼垮塌被埋。隧道洞頂?shù)乇沓霈F(xiàn)一個直徑約10 m、深約12 m的天坑，詳見附圖1、圖2。

2 冒頂坍塌原因分析

1）不良地質(zhì)的影響

塌方地段（K1+260～K1+270）埋深較淺，覆土厚度10～14 m，圍巖主要以砂土狀全風(fēng)化花崗巖為主，且夾有豎向黏土狀脈巖。圍巖極易破碎，自穩(wěn)能力差，原設(shè)計圍巖級別判定為Ⅴ級圍巖。

圖1 地表天坑

圖2 洞內(nèi)塌體

2）地下水的影響

塌方地段（K1+260～K1+270）圍巖主要以全風(fēng)化的土體為主，塌方前3天連續(xù)降雨，雨水滲入土體，軟化作用明顯，使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度減小，土體失穩(wěn)而導(dǎo)致塌方。

3）地形偏壓的影響

塌方地段（K1+260～K1+270）地表地形左低右高，地面橫坡20°～30°，且埋深淺，屬一般影響的偏壓地段。隧道開挖過程中側(cè)向土壓力過大，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，使土體失去平衡。

4）施工因素的影響

隧道施工過程中可能出現(xiàn)循環(huán)進(jìn)尺過大、鎖腳施工質(zhì)量差、超前小導(dǎo)管注漿效果差、未能及時封閉成環(huán)等因素。

3 冒頂坍塌處理方案

本次塌方突發(fā)性強(qiáng)、規(guī)模較大，已塌至地表，形成通天塌方。針對現(xiàn)場塌方的實(shí)際情況，塌方處理分兩步進(jìn)行：一是對塌方部位進(jìn)行搶險處理，二是對塌方部位制訂總體方案。

3.1 塌方搶險處理

為了防止塌方范圍繼續(xù)擴(kuò)大，對塌方地段采取以下?lián)岆U措施：

停止右洞進(jìn)口一切除塌方處理以外的施工作業(yè)，以減少對圍巖的擾動；左洞暫停施工，以減小爆破對右洞塌方段的影響。

對塌方部位進(jìn)行碎渣回填（樁號K1+255～K1+ 265），穩(wěn)定掌子面，防止繼續(xù)坍塌。

對洞內(nèi)反壓回填后的坍塌體及地表井壁周邊表面噴一層10 cm厚的C20噴射混凝土進(jìn)行封閉。

3.2 塌方處理

為防止繼續(xù)垮塌，在天井口處的山坡上修建一條環(huán)形截水溝與已施工完成的隧道洞頂截水溝銜接，以防止匯集于邊坡上的雨水繼續(xù)流入塌陷的天坑中。截水溝位置應(yīng)在天井刷坡線外5 m。

隧道洞內(nèi)水量較大，滲水嚴(yán)重，在右洞右側(cè)地表設(shè)置兩處深孔降水井集中抽排地下水，降低地下水位。為避免洞內(nèi)滲水漫流軟化土體，對洞內(nèi)滲水采用埋管方式進(jìn)行集中引排。

對洞內(nèi)反壓回填后的塌體的上半斷面采用鋼花管對拱頂部位土體進(jìn)行注漿固結(jié)，鋼花管應(yīng)密集布置，梅花型布置，注漿參數(shù)參照超前小導(dǎo)管注漿執(zhí)行。注漿前先施作C20噴射混凝土作為止?jié){層。

為避免塌方段隧道洞身開挖因變形過大而侵限，K1+265～K1+280段洞身開挖預(yù)留變形量應(yīng)適當(dāng)加大，初期支護(hù)及二次襯砌應(yīng)加強(qiáng)，包括加密工字鋼架、提高二襯混凝土標(biāo)號、增加二襯厚度及加強(qiáng)配筋等措施。

K1+265～K1+280段隧道采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法進(jìn)行施工，應(yīng)嚴(yán)格控制施工進(jìn)尺，每循環(huán)進(jìn)尺不應(yīng)超過一榀鋼架間距。在兩根長管棚間布設(shè)超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，注漿參數(shù)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗后確定。

待K1+265～K1+280段初支施作完成后，及時完成仰拱填充并施作二次襯砌。待二次襯砌施作完成、強(qiáng)度達(dá)到100%后，在地表安裝注漿管，并向井內(nèi)分層填充砂石混合料，并用人工夯實(shí)，用注漿管將井內(nèi)填充的砂石混合材料進(jìn)行注漿固結(jié)。天井回填面頂部回填隔水黏土層封閉井口并植草綠化。

本流域?qū)賮啛釒夂?，高溫濕潤多雨，具有明顯的干濕季節(jié)。東江流域多年平均降水量在1 500 mm～2 400 mm之間，其中4月—9月占全年降雨的80%以上。東江洪水具有水情復(fù)雜、洪水遭遇種類繁多等特點(diǎn)。由鋒面雨造成的洪水峰型較肥碩，漲水緩慢。由臺風(fēng)雨造成的洪水峰型尖瘦，漲落變化快，一次洪水過程一般為6 d～8 d。東江三角洲的潮汐屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象顯著。由于受徑流和臺風(fēng)的影響，年最高潮位一般出現(xiàn)于汛期。

加強(qiáng)對洞內(nèi)周邊收斂、拱頂下沉及地表沉降的監(jiān)測，量測斷面應(yīng)加密，加大監(jiān)測頻率，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工方法。

4 冒頂坍塌預(yù)防措施

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)包括隧道不良地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報和重大施工災(zāi)害兩大部分。超前地質(zhì)預(yù)報方法就是在由地質(zhì)分析進(jìn)行風(fēng)險等級劃分的基礎(chǔ)上，在不同等級的地段，結(jié)合不同的地質(zhì)情況，運(yùn)用隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報“三結(jié)合”原則（洞內(nèi)勘察與洞外勘察相結(jié)合，地質(zhì)勘探與物探分析相結(jié)合，長距離預(yù)報與短距離預(yù)報相結(jié)合），采用不同的物探手段對工作面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報分析的方面。對隧道開挖前子面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行探測，常用的預(yù)報方法有地質(zhì)分析法和地球物理法。

4.2 建立監(jiān)控測量制度

現(xiàn)場監(jiān)控測量作為信息化施工的重要組成部分，不僅能及時了解地層、支護(hù)體系的受力和變形規(guī)律，周邊環(huán)境變化信息,而且能夠掌握地層、支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境的相互作用和安全穩(wěn)定狀況,有針對性地制定應(yīng)急措施，對施工過程進(jìn)行有效控制和管理，防止災(zāi)害事故的發(fā)生。監(jiān)控測量還可以判斷設(shè)計方案、施工方法、工藝、措施是否合理，及時優(yōu)化和調(diào)整設(shè)計參數(shù)和施工方法，實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)計和信息化施工。

4.3 掌握坍塌前的現(xiàn)場資料

坍塌發(fā)生前是有許多前兆的,如巖石顏色、鉆進(jìn)速度與回水量大小的變化等，都是重要的現(xiàn)場資料。所以一線工人應(yīng)將有關(guān)信息及時反饋，以便對爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，做到既保證有效進(jìn)尺，又不破壞軟弱圍巖的應(yīng)力平衡。

有下述現(xiàn)象發(fā)生時：應(yīng)先撤出工作面上的施工人員和機(jī)械設(shè)備,指定專人觀察和進(jìn)行加固處理。圍巖量測所反映的圍巖變形速度急劇加快；圍巖面不斷掉塊剝落；初期支護(hù)噴的混凝土表面龜裂、有裂縫或脫皮掉塊，鋼架嚴(yán)重變形。

4.4 隧道軟弱圍巖地段坍塌的預(yù)防

隧道軟弱圍巖引起的坍塌具有極大的破壞性，在施工中應(yīng)采取各種有效手段進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查。軟弱圍巖地段上方的破壞性遠(yuǎn)大于前方的破壞性，而且具有突發(fā)性。

開挖對圍巖擾動的影響程度是引發(fā)軟弱圍巖地段坍塌的導(dǎo)火索，開挖斷面決定了應(yīng)力釋放引起的破壞規(guī)模，所以在施工中采取小斷面、短進(jìn)尺、弱爆破開挖是避免突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的有效手段。

軟弱圍巖地段采取劈裂注漿加固圍巖是一種有效的預(yù)防坍塌方法。通過對富水軟弱圍巖注漿加固周邊圍巖，可改善巖土體性能，提高周邊圍巖的穩(wěn)定性。

4.5 提高圍巖自支護(hù)能力

提高圍巖自支護(hù)能力是控制圍巖的松弛和坍塌的基本方法，其原則是：穩(wěn)定掌子面、及時封閉斷面和加固地層等。對于穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)地段時，應(yīng)采用超前管棚及全斷面帷幕注漿的加固措施，施工方法應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控測量資料進(jìn)行調(diào)整。對于易發(fā)生冒頂坍塌的地段應(yīng)采用CD、CRD或者雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，可有效減少拱頂沉降，確保施工安全。

5 結(jié)語

軟弱圍巖地段隧道冒頂坍塌對工程的進(jìn)度和效益影響巨大,要及時有效地處理坍塌，并在隧道施工中切實(shí)作好各種防坍塌措施，防止冒頂坍塌的發(fā)生。在軟弱圍巖地段隧道施工過程中要本著實(shí)事求是的原則，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控測量結(jié)果及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)、工法和工藝，真正做到隧道施工不再發(fā)生冒頂塌方。

[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社,2004(12).

[2]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社, 2003(11).

[3]王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2010(5).