大跨度隧道特大塌方處治技術(shù)探討

陳人豪，周 祥，唐國軍

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

大跨度隧道發(fā)生塌方，處治施工往往具有施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)。塌方處治不當(dāng)，不僅容易延誤工期、造成生命財(cái)產(chǎn)損失，也會(huì)給隧道后期運(yùn)營留下重要安全隱患，給運(yùn)營維修養(yǎng)護(hù)工作造成困難。本文通過總結(jié)某淺埋大跨度隧道塌方處治的成功經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)要點(diǎn)，為今后類似大跨度隧道工程的塌方處治提供參考。

1 隧道塌方情況

1.1 工程簡介

依托工程隧道地貌屬于盆地邊緣丘陵地貌，地形起伏大。隧道分為機(jī)動(dòng)車隧道與非機(jī)動(dòng)車隧道；采用上下行分離式設(shè)置，為四個(gè)分離式小凈距隧道。機(jī)動(dòng)車隧道右線起始里程YK2+340，終點(diǎn)里程YK2+820，長480 m，屬于短隧道。隧道最大開挖跨度為21.545 m，最大開挖高度為15.05 m。隧道縱坡2.5%，最大拱頂埋深約75 m。

1.2 工程及水文地質(zhì)情況

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，離勘察區(qū)約18.2 km發(fā)育著正斷層斷裂帶，勘察區(qū)受該斷裂影響較小，自第四紀(jì)以來，該斷層未見有活動(dòng)跡象，區(qū)域穩(wěn)定性較好。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪成果，隧道塌方冒頂區(qū)未見斷層發(fā)育。隧道區(qū)下伏基巖為硅質(zhì)砂巖夾硅化粉砂質(zhì)泥巖，多以薄～中厚層狀構(gòu)造為主，裂隙多以構(gòu)造、風(fēng)化裂隙為主，發(fā)育密度大，多閉合，部分微張，巖層總體產(chǎn)狀約300°/SW∠30°。隧道勘察區(qū)屬于丘陵地貌，其集匯水面積不大，地形較陡峻，沖溝較發(fā)育，大氣降水很快以坡面流的形式匯入沖溝進(jìn)行排泄，部分滲入地下巖土層，勘察區(qū)未見地表水體存在。

1.3 塌方概況

2 塌方原因分析

從地質(zhì)情況來看，塌方段為角礫質(zhì)黏性土、全～強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)砂巖夾硅化粉砂質(zhì)泥巖，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)性差?？紤]到隧道塌方前，南寧市降雨頻繁且雨量大，在降雨雨水下滲作用下，使得塌方區(qū)泥化夾層、土體和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生軟化，降低了塌方段巖體的自穩(wěn)性，增大初期支護(hù)所承受的壓力。

據(jù)施工單位反饋，塌方段施工過程中頻繁出現(xiàn)土洞情況，隧道拱頂上方可能存在未揭露的土洞，在降雨雨水下滲作用下，先行塌方，引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致隧道塌方。

從施工情況來看，機(jī)動(dòng)車隧道右線雙向施工，在薄弱的地層中作為貫通點(diǎn)，施工過程中發(fā)現(xiàn)空洞后，未引起高度重視，但由于多方原因，二襯遲遲未能跟進(jìn)，最終在2016年9月發(fā)生塌方，這也是本次塌方產(chǎn)生的另一個(gè)誘因。

3 塌方處治方案

3.1 監(jiān)控量測(cè)

為了掌握施工中圍巖穩(wěn)定程度與支護(hù)受力、變形的力學(xué)動(dòng)態(tài)或信息，以判斷設(shè)計(jì)、施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性，隧道開挖后應(yīng)按設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況立即布點(diǎn)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)規(guī)范要求及塌方段的實(shí)際情況，對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，項(xiàng)目主要有：地質(zhì)和初期支護(hù)狀況觀察、水平凈空收斂、拱頂下沉、錨桿軸力、地表下沉、鋼拱架內(nèi)力以及襯砌內(nèi)力。

通過合理的監(jiān)測(cè)手段及有效的分析處理，根據(jù)所測(cè)得位移量或回歸分析所得最終位移量、位移速度及其變化趨勢(shì)，評(píng)判圍巖的穩(wěn)定性及二襯支護(hù)時(shí)間。

3.2 塌方處治原則

根據(jù)塌方規(guī)模、地質(zhì)勘察結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了以下幾點(diǎn)處治原則：(1)鑒于該塌方段落圍巖已發(fā)生多次塌方，且最近一次塌方已造成地表塌陷，圍巖擾動(dòng)較大，應(yīng)采取地表注漿及洞內(nèi)注漿等預(yù)加固措施；(2)圍巖擾動(dòng)較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的荷載較大，應(yīng)采用較強(qiáng)的初期支護(hù)及二次襯砌；(3)由于圍巖差、開挖斷面大，應(yīng)采用減小擾動(dòng)的施工工序；(4)為了保證預(yù)加固的效果及保障施工及運(yùn)營安全，預(yù)加固采用地表注漿并結(jié)合洞內(nèi)管棚、補(bǔ)強(qiáng)小導(dǎo)管等加固措施；(5)初期支護(hù)參數(shù)通過工程經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值定性分析確定；(6)二次襯砌根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算。考慮到二次襯砌需跟進(jìn)施工，承擔(dān)較大的荷載，確定二次襯砌厚度時(shí)，二次襯砌分擔(dān)70%的按照淺埋計(jì)算的荷載。施工方法采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝。施工過程中，二襯緊跟施工。

3.3 地表處理

為了防止地表水下滲至塌方體軟化圍巖，對(duì)后續(xù)塌方處治產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而可能造成二次塌方的風(fēng)險(xiǎn)，地表處理采取了以下兩種措施：

(1)張裂縫的處理，主要通過回灌水泥漿液封堵裂縫后，再回填黏土層及種植土層進(jìn)行處理。張裂縫外圍應(yīng)設(shè)置截水溝，截水溝應(yīng)將水引出隧道外。

(2)地表處理及綠化。在完成地表灌注漿工作后，應(yīng)首先修整地形，使地形能平順排水，地形修真完成后應(yīng)回填40 cm厚的黏性土隔水層，并要求與邊坡搭接良好，防止水流從回填土與邊坡搭接處滲入?；靥铕ば酝梁蠡靥?0 cm厚種植土。種植土要分層壓實(shí)，壓實(shí)度≥90%，內(nèi)摩擦角>30°。完成填土后，種樹恢復(fù)綠化。

3.4 地表注漿及超前注漿

3.4.1 地表注漿

注漿前從隧道內(nèi)用砂袋進(jìn)行反壓，以保證地表注漿期間邊坡穩(wěn)定性及阻止?jié){液向隧道內(nèi)擴(kuò)散。地表注漿總體順序?yàn)橄仍诩庸虆^(qū)域周邊注雙液漿，以形成有效封堵，防止后注水泥漿四處擴(kuò)散，無法保證注漿效果。

注漿加固自里程YK2+408～YK2+509.5，其中YK2+408～YK2+413、YK2+504.5～YK2+509.5段注漿管不得侵入二襯。其他段落注漿豎向自隧道拱頂開挖線下5 m開始至拱頂開挖線以上20 m，水平自隧道開挖線向兩側(cè)外擴(kuò)10 m。

要求對(duì)注漿施工組織進(jìn)行細(xì)化，應(yīng)根據(jù)每根注漿管平面位置計(jì)算出孔底標(biāo)高，注漿方式為隔孔跳打。雙液漿封堵區(qū)域漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比1∶0.8，采用42.5R早強(qiáng)水泥，水玻璃濃度35Be’，水泥漿與水玻璃比為1∶0.6(體積比)，漿壓0.5～1 MPa，穩(wěn)壓5 min。水泥漿加固區(qū)域漿液采用水泥漿，水灰比為1∶0.8，采用42.5R早強(qiáng)水泥，漿壓0.5～1 MPa，穩(wěn)壓10 min。

注漿前應(yīng)進(jìn)行注漿試驗(yàn)。注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑等參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)確定。注漿效果通過聲波檢測(cè)法及鉆芯取樣檢測(cè)，聲波檢測(cè)法采用對(duì)比注漿前后的縱波波速來檢驗(yàn)注漿效果，要求注漿后縱波波速Vp≥950 m/s，要求注漿后破碎巖體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到6 MPa。

3.4.2 洞內(nèi)超前注漿

開挖前對(duì)掌子面塌方巖土體進(jìn)行注漿加固，采用水平打設(shè)長度為6 m的φ42鋼花管注水泥漿，水泥漿水灰比1∶0.8，鋼花管1.5×1.5 m行列型布置，注漿壓力0.3～0.5 MPa。注漿順序?yàn)橛赏獾絻?nèi)，水泥漿與巖土體膠結(jié)成整體后才能進(jìn)行開挖。

隧道增設(shè)自進(jìn)式超前管棚措施，管棚采用T76L，規(guī)格為φ76×9.5 mm，每根長10 m，環(huán)向間距0.4 m，支護(hù)范圍為拱頂120°，每環(huán)65根，管棚桿體內(nèi)采用M30水泥砂漿填充，管棚外插角6°～8°。由于隧道內(nèi)塌方情況未知，因此暫定自進(jìn)式管棚每間隔6 m設(shè)一環(huán)。

3.5 施工開挖方法

由于隧道斷面大，為了保證施工安全，開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工中嚴(yán)格控制進(jìn)尺。隧道單次開挖進(jìn)尺應(yīng)≤0.5 m。臨時(shí)支護(hù)單次拆除長度應(yīng)≤12 m。拱墻采用模板臺(tái)車澆筑，單次澆筑長度為6 m，全斷面二襯距核心土上臺(tái)階掌子面不得超過24 m。隧道采用單向掘進(jìn)，從小里程向大里程方向掘進(jìn)，不得雙向掘進(jìn)。

3.6 初期支護(hù)及二襯支護(hù)

初期支護(hù)采用雙層Ⅰ25b工字鋼初支，內(nèi)外交錯(cuò)布置，工字鋼縱向間距為0.5 m，工字鋼連接采用C28鋼筋連接，環(huán)向間距1 m。為保證鋼架落腳處穩(wěn)定，提高鋼架的整體性，對(duì)拱腳進(jìn)行加強(qiáng)處理，鋼架落腳處采用4根φ42×4 mm鎖腳鋼管。隧道徑向采用φ42×4 mm小導(dǎo)管替代原系統(tǒng)錨桿，小導(dǎo)管外插角為45°，長5 m，間距@0.8 m(環(huán)向)×1 m(縱向)，梅花型布置。小導(dǎo)管注漿采用水泥漿液，水灰比為1∶0.6，初始注漿壓力為0.5～1 MPa，終壓為2 MPa。掛網(wǎng)噴射鋼纖維混凝土60 cm厚。二次采用1.4 m厚C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.7 施工工序

地表處理、地表注漿及注漿效果檢測(cè)合格后，開始進(jìn)行洞內(nèi)塌方處治。洞內(nèi)塌方處治前，應(yīng)對(duì)塌方段兩端頭進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)處治。塌方段采用單向掘進(jìn)，從小里程從大里程方向掘進(jìn)。先對(duì)掌子面塌方體進(jìn)行注漿加固完成后，通過鉆孔檢查注漿效果達(dá)到要求后，立即進(jìn)行自進(jìn)式超前管棚施工。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工中單次進(jìn)尺長度應(yīng)≤0.5 m；雙層初支第二層初支緊跟，單層初支距離掌子面應(yīng)≤2 m；必要時(shí)增設(shè)臨時(shí)橫、豎支撐，穩(wěn)步向前，二襯緊跟。

其中YK2+413～YK2+425、YK2+492.5～YK2+504.5段仰拱襯砌已澆筑，本次需破除。破除順序根據(jù)雙側(cè)壁導(dǎo)坑工序，先破除導(dǎo)洞處仰拱襯砌，再破除核心土處仰拱襯砌。破除時(shí)先在仰拱上切槽，將相應(yīng)位置初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)施做完成后再進(jìn)行本部的仰拱大面積破除。破除仰拱時(shí)應(yīng)注意對(duì)初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)的保護(hù)。

3.8 施工注意事項(xiàng)

(1)后續(xù)應(yīng)對(duì)塌方相鄰已完成二襯段進(jìn)行損傷檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定是否對(duì)已完成二襯段進(jìn)行加固。

(2)在塌方治理過程中應(yīng)采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)水平鉆等手段探明隧道輪廓范圍附近空洞，并進(jìn)行處理，防止開挖掘進(jìn)過程中空洞塌陷擴(kuò)大，影響圍巖及隧道穩(wěn)定性并誘發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)塌方治理過程中，加強(qiáng)對(duì)臨近洞室、右洞已完成二襯段的監(jiān)控量測(cè)。

4 結(jié)語

通過合理的處理措施及有效的施工控制，該大跨度隧道特大塌方處治得以順利完成?？偨Y(jié)整個(gè)塌方處治過程，可以得出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

(1)隧道塌方處治應(yīng)貫徹“先排水、早超前、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快襯砌、勤量測(cè)”的原則，在確保安全的前提下進(jìn)行處治。

(2)有針對(duì)性的監(jiān)控量測(cè)及超前預(yù)報(bào)是塌方處治施工的重要手段，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工、合理處治塌方。

(3)合理的開挖方法和科學(xué)的施工工序是塌方處治的安全保障，可實(shí)現(xiàn)既快速高效又安全可靠地處治塌方。

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