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)合工程實例，根據(jù)現(xiàn)場實際地形地質(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、規(guī)模較大，已塌至地表，形成通天塌方。針對現(xiàn)場塌方的實際情況，塌方處理分兩步進行：一是對塌方部位進行搶險處理，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)擴大，對塌方地段采取以下?lián)岆U措施：

停止右洞進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，初期支護及二次襯砌應(yīng)加強，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)形開挖法進行施工，應(yīng)嚴(yán)格控制施工進尺，每循環(huán)進尺不應(yīng)超過一榀鋼架間距。在兩根長管棚間布設(shè)超前小導(dǎo)管進行注漿加固，注漿參數(shù)應(yīng)進行現(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、強度達到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，用注漿管將井內(nèi)填充的砂石混合材料進行注漿固結(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。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)進行調(diào)整，做到既保證有效進尺，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械設(shè)備,指定專人觀察和進行加固處理。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 提高圍巖自支護能力

提高圍巖自支護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).