淺埋隧道軟弱圍巖坍塌處理技術(shù)研究

張文慧

摘要： 因地質(zhì)條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致隧道施工時(shí)塌方事件多有發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量、安全及經(jīng)濟(jì)效益，也對(duì)工期造成拖延。本文詳細(xì)描述了白草坡隧道塌方原因的分析及相應(yīng)的處理措施，以期為其他進(jìn)行隧道施工的工程技術(shù)人員帶來(lái)處理隧道塌方問(wèn)題的思路。

Abstract： Due to the complicated and changeable geological conditions， landslides occurred during tunnel construction， which not only seriously affected the construction quality， safety and economic efficiency， but also delayed the construction period. This paper describes in detail the analysis of the reasons for the collapse of the Baicaopo tunnel and the corresponding treatment measures， in order to bring the idea of dealing with the tunnel collapse problem to other engineering and technical personnel who carry out the tunnel construction.

關(guān)鍵詞： 鐵路隧道；塌方；原因研究；處理措施；施工

Key words： railway tunnel；landslide；reason research；treatment measures；construction

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）19-0128-03

0 引言

由于現(xiàn)在鐵路向著高速方面發(fā)展，為滿足高速線路曲線半徑的要求，更多的地段將以隧道通過(guò)，設(shè)計(jì)在地質(zhì)不良地段的隧道也越來(lái)越多，意味著隧道施工時(shí)常會(huì)遇到圍巖軟弱、淺埋破碎段等復(fù)雜多變的不良地質(zhì)情況，但由于地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、施工等諸方面的原因，隧道施工時(shí)出現(xiàn)塌方甚至是不可避免的。所以，準(zhǔn)確分析及研究隧道塌方的具體原因，對(duì)隧道塌方采取針對(duì)性地處理作為一門隧道施工技術(shù)需經(jīng)常被用到，從現(xiàn)實(shí)意義上講，塌方處理是從事隧道施工的工程技術(shù)人員必須掌握的隧道施工技術(shù)。

1 工程概況

新建太原至焦作鐵路山西段站前工程TJZQ-5標(biāo)段白草坡隧道起點(diǎn)里程為DK123+820，終點(diǎn)里程為DK125+765，隧道全長(zhǎng)1945m。隧址位于山西省長(zhǎng)治市武鄉(xiāng)縣，屬太岳山南側(cè)中低山丘陵區(qū)，黃土臺(tái)塬，溝谷發(fā)育，地勢(shì)起伏較大。海拔約950～1200m，相對(duì)高差50～200m。

沿線主要地層為上覆第四系上更新統(tǒng)坡洪積層新黃土；第四系中更新統(tǒng)坡洪積層老黃土；第三系上新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土膠結(jié)層及砂半膠結(jié)層；下伏三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組第二亞組砂巖、泥質(zhì)砂巖及泥巖；沖溝內(nèi)局部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層新黃土。

因受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差。

白草坡隧道為鐵路雙線隧道，采取雙口掘進(jìn)，新奧法爆破施工，無(wú)軌運(yùn)輸方式。

2 隧道施工期間坍塌情況

2017年7月18日，白草坡隧道出口掘進(jìn)掌子面達(dá)到里程DK125+485處，當(dāng)日上午約9：00，正在架立緊鄰掌子面的工字鋼拱架，圍巖變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)DK125+505、DK125+510斷面拱頂下沉變形值出現(xiàn)異常變大的情形。于是加強(qiáng)了監(jiān)控量測(cè)頻率。監(jiān)測(cè)表明隧道拱頂下沉持續(xù)、快速的增大，至上午12：25時(shí)，拱頂下沉最大值達(dá)到32.3mm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)DK125+498～+516工字鋼拱架出現(xiàn)嚴(yán)重變形，該段拱腰以上初期支護(hù)出多條縱向、橫向裂紋。因情況危急，所有施工人員及機(jī)具撒離50m以外，現(xiàn)場(chǎng)僅留現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)負(fù)責(zé)人及監(jiān)控量測(cè)人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

工字鋼拱架變形及裂縫持續(xù)增大，至下午15：18時(shí)隧道頂部開始出現(xiàn)塌方掉塊，至19：40左右，塌方趨于穩(wěn)定。組織人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，大致確認(rèn)出現(xiàn)塌方的里程為DK125+502～+517，塌方出現(xiàn)的空腔最高處約為11.5m，塌方量約為1900m3。

該段隧道地面處為沖溝，隧道埋深約為23m，經(jīng)勘測(cè)，隧道處地表沒(méi)有產(chǎn)生明顯下沉，也沒(méi)有出現(xiàn)地表裂縫。

3 分析隧道產(chǎn)生塌方的原因

3.1 水對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定的影響

該段隧道地表為沖溝，通常無(wú)長(zhǎng)年流水，但施工時(shí)正值7月，為武鄉(xiāng)縣當(dāng)?shù)囟嘟涤陼r(shí)節(jié)，塌方前已連續(xù)降雨（中雨）多日，沖溝出現(xiàn)季節(jié)性地表流水。

地質(zhì)勘測(cè)資料表明，此段隧道圍巖為Ⅴ級(jí)，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎。推測(cè)地表水由破碎圍巖下滲，使得隧道圍巖含水量增高，從塌方體泥碴含水量非常高可證明上述推測(cè)的合理性。滲水對(duì)圍巖起到嚴(yán)重的軟化作用，降低了巖體間的粘連性，破壞了圍巖的整體性，故地滲入的地表水的作用是隧道塌方的主要因素之一。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

且該段隧道為淺埋段，隧道頂上覆土層厚度僅為25m，未達(dá)到普氏理論的自穩(wěn)平衡拱的埋深，故其圍巖本身就缺乏穩(wěn)定所必需的覆土厚度條件。

本段隧道圍巖主要由砂巖、泥質(zhì)砂巖及泥巖構(gòu)成，沖溝內(nèi)局部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層新黃土。因受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，為軟弱圍巖，雖然按常規(guī)的Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行初支方案的設(shè)計(jì)，但在滲水及其它復(fù)雜因素的影響下，隧道出現(xiàn)塌方。

3.3 地質(zhì)勘測(cè)、設(shè)計(jì)及施工原因

①由于受到地質(zhì)勘測(cè)手段有限的制約及地質(zhì)勘測(cè)孔位密度不足。幾乎不可能對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行完全正確無(wú)誤的鑒定與評(píng)估，故使用地質(zhì)勘察資料的設(shè)計(jì)人員也不可能就隧道存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合面的判定，從而設(shè)計(jì)出完善適宜的初支方案以避免隧道坍塌。

②隧道掘進(jìn)過(guò)程中，雖然該段地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料所述要差很多，但現(xiàn)場(chǎng)施工人員卻未能將實(shí)際情況及時(shí)反饋予設(shè)計(jì)人員。使得施工管理違背了按實(shí)際圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，從而沒(méi)能及時(shí)采取針對(duì)性的加強(qiáng)防護(hù)措施，導(dǎo)致初期支護(hù)強(qiáng)度不足，最終導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)塌方。

③現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因圍巖破碎軟弱，工字鋼拱架的拱腳不能支撐在穩(wěn)定牢固的巖石上，但施工人員卻沒(méi)有采用加強(qiáng)措施；塌方地段初支噴射混凝土部分地段厚度不足；圍巖破碎軟弱的該段隧道，施工時(shí)沒(méi)有實(shí)行“襯砌緊跟”的基本原則（襯砌滯后塌方段達(dá)360m），使得圍巖的變形沒(méi)能得到及時(shí)及強(qiáng)有力的約束。

故以上諸多客觀和主動(dòng)因素導(dǎo)致了本隧道塌方。

4 塌方施工處理

隧道塌方后需采取措施及時(shí)迅速的處理，但也不可急燥冒進(jìn)。更不可曠日拖延，貽誤戰(zhàn)機(jī)。處理前，詳細(xì)勘察了塌方涉及的范圍、形狀、塌方處的地質(zhì)構(gòu)造。分析了解塌方發(fā)生具體的原因和地下水活動(dòng)情況，制定針對(duì)性的有效處理方案，抓住時(shí)機(jī)，備足人力物力，按施工方案投入施工。

本項(xiàng)目部組織了有設(shè)計(jì)、監(jiān)理及建設(shè)單位人員參與的塌方調(diào)查及處理小組。綜合分析了本隧道塌方的原因，結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、施工條件、現(xiàn)有機(jī)具及材料情況，制定了如下處理措施。

4.1 截排地表水及圍巖加固

①塌方出現(xiàn)后，項(xiàng)目部立即組織人員進(jìn)行截排地表水的處理，以防塌方進(jìn)一步擴(kuò)大。將地表的坑洞用黃土填筑并夯實(shí)、整平，同時(shí)做成向外的排水斜坡，以排出積水，并噴射10cm混凝土進(jìn)行地表封閉。對(duì)于出現(xiàn)的臨時(shí)流水河床，則采用彩條布?jí)|鋪在河床上。以上措施有效地截排了地表水。

②采取注漿的技術(shù)措施對(duì)塌方段上覆土體進(jìn)行加固，通過(guò)向破碎圍巖中壓入漿液，漿液凝固后的膠體將分散的圍巖膠結(jié)成密實(shí)的整體，不僅提高了圍巖的自穩(wěn)能力，同時(shí)增強(qiáng)了圍巖的抗?jié)B能力。本項(xiàng)目的注漿寬度為18m，注漿里程為DK125+480～+525，長(zhǎng)度為45m，注漿高度范圍為拱頂以上10m至拱底，注漿加固范圍如圖1所示。注漿管為？準(zhǔn)42mm鋼花管，在注漿范圍內(nèi)按間距為1.3m，呈梅花形布孔。采用凈水泥漿壓注，壓注壓力為1.0～1.2MPa。

4.2 對(duì)塌方體的臨時(shí)加固

19日上午，隧道塌方已穩(wěn)定且經(jīng)評(píng)估無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)后，在塌方體前填筑土體，對(duì)塌方體形成反壓，以加強(qiáng)塌方體的穩(wěn)定性，避免塌方擴(kuò)大。完成反壓土體填筑后，在塌方體表面噴射厚10cm的C20混凝土進(jìn)行表面封閉。

表面封閉混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，設(shè)置了5根？準(zhǔn)42mm鋼花管對(duì)塌方體注漿加固，注入1∶1的水泥凈漿，注漿壓力按0.8～1.0MPa控制。

4.3 受塌方影響的大里程段加固措施

大里程方向的DK125+517～+537為受塌方影響的隧道段，因此段受塌方的擾動(dòng)，其圍巖和初支的穩(wěn)定及安全性受到一定程度的不利影響，此段產(chǎn)生塌方的風(fēng)險(xiǎn)極高。為了避免塌方的擴(kuò)大，根據(jù)受影響的程度不同，而采取不同的加固處理措施。

其中DK125+527～+537設(shè)置小導(dǎo)管注漿加固。通過(guò)小導(dǎo)管注漿加固，增強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力，避免塌方的擴(kuò)大。小導(dǎo)管注漿為兩側(cè)拱墻及拱頂，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為5m，直徑為？準(zhǔn)42mm，縱橫向間距為1.5m梅花形布孔，垂直于隧道。小導(dǎo)管的外端焊接在工字鋼拱架上。注入1∶1的水泥凈漿，注漿壓力按0.8～1.0MPa控制。

DK125+517～+527段加固處理，將此段受影響變形超限的工字鋼鑿除換拱，采用I22a工字鋼拱架，間距加密至60cm，重新進(jìn)行錨噴，也設(shè)置與DK125+527～+537段相同的小導(dǎo)管注漿加固。

4.4 空腔壁處理

地表壓漿及受影響段小導(dǎo)管壓漿等措施施工完成后，清理部分塌方體，出露塌方空腔。對(duì)塌方空腔進(jìn)行了評(píng)估，無(wú)再塌方的安全風(fēng)險(xiǎn)后人工進(jìn)行空腔內(nèi)，用鋼管在空腔內(nèi)搭設(shè)滿堂支架作業(yè)平臺(tái)，鋼管頂端頂緊空腔的巖體，起到支撐圍巖穩(wěn)定性的作用。同時(shí)在支架頂部安設(shè)鋼筋網(wǎng)，以防松散石塊下掉砸人。

腳手架平臺(tái)施工完成后，對(duì)空腔巖面進(jìn)行錨噴防護(hù)。采用長(zhǎng)度為4m的？準(zhǔn)22mm砂漿錨桿，按間距為2.5m，呈梅花形排列。噴射混凝土的厚度為10cm。

完成空腔的錨噴防護(hù)，完全解除空腔塌方掉塊的安全隱患后，清除塌方的巖土及變形破壞的工字鋼拱架。隨后在塌方處架立間距為50cm I20工字鋼拱架，每側(cè)鋼拱架拱腳處設(shè)兩根長(zhǎng)5m的Φ42mm鎖腳鋼管。鋼拱架設(shè)立環(huán)向Φ22mm縱向鋼筋連接，間距為100cm。

拱架外側(cè)設(shè)置外掛木模，并要預(yù)先埋設(shè)空腔壓入混凝土及砂漿的壓漿管（Φ18cm）及最高處的排氣管（Φ5cm）。全環(huán)鋪掛Φ8mm的20×20cm鋼筋網(wǎng)，然后噴射C20混凝土。

待噴射的混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，由預(yù)埋壓漿管壓入C15混凝土，壓入混凝土要使拱頂處厚度厚超過(guò)100cm。壓入的混凝土相當(dāng)于形成保護(hù)隧道的護(hù)拱，隨后再壓入M5砂漿，把剩余塌方空腔全部填滿。隧道塌方綜合處理見圖2。

隧道塌方空腔處理后，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法掘進(jìn)施工，受塌方的影響的小里程隧道段加固與相應(yīng)大里程段相同。

5 后續(xù)掘進(jìn)的超前預(yù)報(bào)

為避免塌方事故的再發(fā)生，提前采取應(yīng)對(duì)措施，白草坡隧道隨后的施工時(shí)采取了超前地質(zhì)探測(cè)與預(yù)報(bào)，以減少不良地質(zhì)給隧道施工帶來(lái)的不良影響，使施工方案和技術(shù) 措施更科學(xué)、更合理。本隧道的地質(zhì)預(yù)報(bào)工作遵循“安全優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”的宗旨，結(jié)合施工實(shí)際和地質(zhì)復(fù)雜程度及本公司現(xiàn)有儀器及設(shè)備情況，施工中主要采用水平鉆孔法進(jìn)行超前探測(cè)，鉆孔深度以30m為限。從鉆進(jìn)的時(shí)間、速度、壓力、沖洗液的顏色、成份以及卡鉆、跳鉆等和巖性、構(gòu)造性質(zhì)及地下水等情況掌握隧道前方地質(zhì)條件。沒(méi)出現(xiàn)異常情況時(shí)，按正常程序施工。出現(xiàn)異常時(shí)參照設(shè)計(jì)給出的隧道地質(zhì)條件說(shuō)明資料，認(rèn)真分析隧道的地質(zhì)斷面圖、平面圖及根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果，掌握隧道的地質(zhì)特點(diǎn)和水文特點(diǎn)，宏觀預(yù)報(bào)隧道可能出不良地質(zhì)情況，從而采取相應(yīng)的處理措施。

由于超前鉆孔法能最直接的揭示了掌子面前方的地質(zhì)特征，準(zhǔn)確率很高，確保了白草坡隧道后續(xù)的順利施工。

6 結(jié)束語(yǔ)

本隧道塌方處理方案充分利用了隧道平常施工所用的材料設(shè)備及施工技術(shù)，而不是專門或特殊的設(shè)備及技術(shù)，便于搶險(xiǎn)方案的快速實(shí)施，且塌方處理方案能夠在最大限度地保障了施工人員的人身安全，體現(xiàn)了以人為本的生產(chǎn)管理方針。

“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”，此次塌方事件出現(xiàn)后，項(xiàng)目部組織有關(guān)人員認(rèn)真研究了后續(xù)未掘進(jìn)段的地質(zhì)、設(shè)計(jì)文件，周密地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查研究，認(rèn)為該隧道還存在塌方的較高風(fēng)險(xiǎn)。為此，項(xiàng)目部制定了可能出現(xiàn)不同規(guī)模和不同情況的塌方的處理預(yù)案。如果再發(fā)生塌方事故，能迅速現(xiàn)場(chǎng)定案，現(xiàn)場(chǎng)下達(dá)任務(wù)，明確要求事項(xiàng)，快速完成處理，以取得最好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。在隨后的施工中，因圍巖極差，還發(fā)生過(guò)一次掌子面塌方的情況，根據(jù)預(yù)案中的處理辦法，及時(shí)有效地進(jìn)行了處理。因此，我們認(rèn)為今后進(jìn)行隧道施工時(shí)，預(yù)案的準(zhǔn)備是十分必要的，建議工程技術(shù)人員做好各種情況下的預(yù)案準(zhǔn)備。

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