過(guò)軟巖和斷層及其影響帶隧道塌方處治方法

張 靚

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

0 引言

山嶺隧道施工過(guò)程中，如遇地質(zhì)條件差[1]，施工方法不當(dāng)[2]，會(huì)造成隧道塌方甚至冒頂，給人力財(cái)力帶來(lái)巨大損失。四川某項(xiàng)目高速公路超特長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)13 km，巖性以炭質(zhì)板巖為主。左線施工至掌子面K46+936時(shí)(大樁號(hào)往小樁號(hào)鉆爆施工)，K46+951～K46+936發(fā)生塌方，本文通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目塌方原因、塌方段處治方法，以及右線對(duì)應(yīng)段落的處治方法進(jìn)行分析，歸納在斷層帶、軟巖地區(qū)，處治塌方以及影響帶支護(hù)的一種有效方法。

1 塌方原因分析

隧道施工過(guò)程中，由于開挖破壞了原巖初始應(yīng)力狀態(tài)[3]，應(yīng)力重分布，同時(shí)，若遇軟弱圍巖，斷層帶，加之施工工藝等因素[4，5]，極易引起隧道塌方。

引起隧道產(chǎn)生塌方因素較多，可總結(jié)為兩方面：主觀因素，客觀因素。主觀因素即支護(hù)參數(shù)欠佳、施工方法欠妥；客觀因素即天然地質(zhì)因素(見表1)。

表1 隧道塌方產(chǎn)生原因

2 傳統(tǒng)塌方處治方案

針對(duì)隧道塌方處治，國(guó)內(nèi)比較普遍的方法，可歸納為以下5種[6，7]。

2.1 錨桿法

錨桿加固圍巖的原理通俗地講可理解為“穿糖葫蘆”理論，即認(rèn)為臨空面一側(cè)圍巖破碎，深部圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)將錨桿錨固到穩(wěn)定巖層，從而對(duì)外部破碎巖體提供一個(gè)被動(dòng)拉力，防止其向內(nèi)空斷面發(fā)展。

2.2 注漿固結(jié)法

注漿是將某幾種膠凝材料配置成漿液(目前主要分為單液漿和雙液漿)，用設(shè)備壓入或灌入巖土中，使?jié){液在穩(wěn)定高壓下通過(guò)巖土體縫隙擴(kuò)散，膠結(jié)凝固，將破碎巖土體膠結(jié)，增加其抗堿強(qiáng)度。但是該法的缺點(diǎn)是：耗時(shí)長(zhǎng)，注漿壓力不宜控制，注漿效果不易保證。

2.3 超前小導(dǎo)管注漿加固

小導(dǎo)管注漿加固，是沿隧道徑向，以5°～15°仰角向掌子面打入花管，通過(guò)對(duì)裂隙注漿形成一定厚度膠結(jié)體，預(yù)先對(duì)掌子面洞頂圍巖進(jìn)行加固。

2.4 超前管棚

超前管棚是沿開挖外輪廓鉆設(shè)與隧道軸向平行的鉆孔，隨后插入鋼管(目前主要為φ108鋼管，環(huán)向間距40 cm)，從而形成拱形棚架，通常配合注漿共同作用，從而加固掌子面拱頂巖土體。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

該隧道為某高速公路一部分，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：1)公路等級(jí)：雙向四車道高速公路。2)設(shè)計(jì)速度：80 km/h。3)建筑限界：10.25 m×5.0 m(隧道建筑限界及內(nèi)空見圖1)。左線ZK34+707～ZK47+720全長(zhǎng)13 013 m，右線YK34+664～YK47+664全長(zhǎng)13 000 m。該標(biāo)段為出口→進(jìn)口方向鉆爆施工。

斷層破碎帶及強(qiáng)烈影響帶，受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶曲及裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂～散體狀。Kv一般為0.25～0.40，[BQ]<250。左線施工至樁號(hào)K46+923時(shí)，左線K46+951～K46+936發(fā)生塌方。塌方后，在保證安全的前提下，對(duì)掌子面采用棄渣進(jìn)行回填反壓。

3.2 塌方及其影響

3.2.1現(xiàn)場(chǎng)情況描述

塌方段地質(zhì)平面如圖2所示。

左線(上側(cè)紅線)K47+145～K46+945段為斷層破碎帶及強(qiáng)烈影響帶，斷層產(chǎn)狀66°∠75°(勘探時(shí)斷層傾角為75°，但根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況，斷層角度不停變化，且比較緩)，走向與隧道軸線夾角約40°，為小角度相交。受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶曲及裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂～散體狀。該段含基巖裂隙孔隙水，以股狀、線狀滲出為主，雨季可能有暫時(shí)性涌水現(xiàn)象。

2017年10月，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)，左線K46+951斷面拱頂下沉驟增，現(xiàn)場(chǎng)立即提高監(jiān)控量測(cè)頻率，每天2次。并且，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到，K46+951處出水增多。根據(jù)當(dāng)日觀測(cè)成果，2次數(shù)據(jù)，拱頂下沉超過(guò)5 cm。次日，將設(shè)備和人員撤離，不久，左線K46+951～K46+936發(fā)生塌方。

3.2.2塌方后影響情況

塌方后，建設(shè)方聯(lián)絡(luò)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位，對(duì)塌方原因進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：K46+951處于斷層破碎帶，且K46+980～K46+923處巖性為炭質(zhì)板巖，含碳量極高，如圖3所示，水對(duì)炭質(zhì)板巖的軟化作用較強(qiáng)，圍巖失去自身承載能力。同時(shí)，炭質(zhì)板巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度5.68 MPa為軟巖。開挖后，K46+951～K46+936由于軟巖變形滯后，對(duì)初期支護(hù)造成擠壓，再加之?dāng)鄬佑绊懀罱K導(dǎo)致K46+951～K46+936塌方。隨后，K46+951～K46+980初期支護(hù)開始掉塊，噴混凝土剝落、產(chǎn)生環(huán)向裂縫，拱頂、周邊變形侵限。

3.3 塌方處治方案確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，并結(jié)合塌方對(duì)隧道破壞的影響程度，以及初支的侵限情況，制訂了隧道處治方案：

1)K46+980～K46+965。該段定義為塌方影響段。該段已施作仰拱，受塌方影響，該段初支變形較少，局部侵限。塌方后，該段受影響較小，僅是局部段落初支變形，侵入二襯輪廓，針對(duì)此情況，采取措施如下：對(duì)侵限的初支進(jìn)行拆換，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，在變形收斂時(shí)及時(shí)施作二襯。

2)K46+965～K46+951。該段情況類似情況1)，區(qū)別在于，該段塌方前未施作仰拱，同時(shí)，該段距離塌方斷面K46+951較近。鑒于以上原因，采取以下措施：對(duì)于初支變形嚴(yán)重段以及侵限段進(jìn)行初持拆換，同時(shí)，隧道環(huán)向采用注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固(小導(dǎo)管規(guī)格：φ42×4，L=400，間距100(環(huán))×100(縱),梅花形布置)，最后，將仰拱的受力環(huán)向鋼筋由φ22調(diào)為φ25。

3)K46+951～K46+936。該段定義為塌方段。該段前期已經(jīng)完成上臺(tái)階施工，塌方后，上臺(tái)階被掩埋，上臺(tái)階完全被渣體填充，且渣體拱頂以上存在空腔。

塌方段初支方法如下：a.K46+951處，施作40 m大管棚，管棚采用φ76×7自進(jìn)式錨桿，環(huán)向間距40 cm，外插角10°；b.初支采用φ42×4注漿小導(dǎo)管(L=400，間距100(環(huán))×100(縱)，梅花形布置)；c.采用φ8鋼筋網(wǎng)(20 cm×20 cm網(wǎng)格)；d.鋼支撐采用Ⅰ20b工字鋼，榀距40 cm；e.噴射混凝土采用C25，厚26 cm；f.預(yù)留變形量30 cm；g.二襯采用60 cm C30鋼筋混凝土；h.超前支護(hù)采用雙層小導(dǎo)管，搭接長(zhǎng)度不小于2 m；i.施工：嚴(yán)格控制進(jìn)尺，盡量采取機(jī)械開挖，特殊情況考慮采用單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖。

3.4 塌方處治方案執(zhí)行情況及修改

3.4.1施工情況

在對(duì)初支變形段(塌方影響較小段落K46+980～K46+965)進(jìn)行初支拆換時(shí)，出現(xiàn)了新的問題。由于此時(shí)右洞已經(jīng)施工至K46+980～K46+965對(duì)應(yīng)段落YK46+942～YK46+927右洞每次放炮后，右洞距掌子面約20 m段落以及左洞對(duì)應(yīng)段落，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)突變，水平收斂甚至達(dá)到每天10 mm；同時(shí)，左洞塌方影響段進(jìn)行工字鋼接腿施工時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致左洞監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)劇增。

3.4.2方案調(diào)整

通過(guò)對(duì)上述問題進(jìn)行研究分析，認(rèn)為該段處于斷層影響帶，且?guī)r性以炭質(zhì)板巖為主，且含碳量極高，巖石Rc僅5 MPa～18 MPa，屬軟巖，且左右洞凈距為36 m，左洞掌子面發(fā)生塌方。結(jié)合以上因素，認(rèn)為左右洞存在連帶效應(yīng)，一側(cè)較大的擾動(dòng)都會(huì)影響到另一側(cè)，并且，右洞雖暫未進(jìn)入斷層影響帶，但是仍屬軟巖，地質(zhì)條件較差。鑒于以上原因，對(duì)塌方處置方案進(jìn)行調(diào)整如下：

1)對(duì)中臺(tái)階工字鋼腳趾進(jìn)行加強(qiáng)，工字鋼增加加強(qiáng)肋，可有效增大接腿時(shí)工字鋼與圍巖的接觸面積，減小應(yīng)力，控制拱頂沉降。同時(shí)，在工字鋼接腿前，加強(qiáng)鎖腳，每處采用2組(4根)注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿固結(jié)，甚至可在工字鋼拱頂、拱腰采用小導(dǎo)管進(jìn)行注漿固結(jié)。

2)施工工序方面，右洞不能再采用鉆爆法施工，掌子面采用機(jī)械開挖，并且，右洞、左洞不能同時(shí)進(jìn)行開挖、接腿作業(yè)，必須待右洞超前左洞30 m后，方能同時(shí)進(jìn)行開挖等作業(yè)。下臺(tái)階接腿時(shí)，一個(gè)循環(huán)只能替換1榀～2榀，嚴(yán)禁一個(gè)循環(huán)接腿2榀以上。

3)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，若拱頂下沉及水平收斂過(guò)大或連續(xù)2 d超過(guò)預(yù)警值(5 mm/d)，首先架立Ⅰ18工字鋼臨時(shí)護(hù)拱。若臨時(shí)護(hù)拱施作后，變形仍未有收斂趨勢(shì)，則應(yīng)采取開挖后注漿。

4)超前支護(hù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，增大注漿量。

5)右洞支護(hù)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)，啟動(dòng)大變形支護(hù)參數(shù)：噴射混凝土采用C25厚26 cm；系統(tǒng)錨桿采用φ22藥卷錨桿(L=350，間距100(環(huán))×100(縱)，梅花形布置)；采用φ8鋼筋網(wǎng)(20 cm×20 cm網(wǎng)格)；工字鋼采用Ⅰ20b，榀距60 cm；預(yù)留變形量采用30 cm；二襯采用50 cm C30鋼筋混凝土。

6)其余參考原處治方案。

3.5 應(yīng)用結(jié)果

采取以上措施后，圍巖剝落，初支開裂、掉塊現(xiàn)象不再出現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，拱頂下沉及水平收斂數(shù)據(jù)得到控制，逐漸趨于收斂，隧道大面積滴水現(xiàn)象得到改善。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)該高速公路雙線隧道過(guò)軟巖及塌方段的處理成功案例，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)供參考：

1)過(guò)軟巖隧道塌方段工程措施，不能僅從設(shè)計(jì)手段進(jìn)行分析，必須是設(shè)計(jì)方法、施工措施相結(jié)合。經(jīng)過(guò)軟巖斷層區(qū)，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，鉆爆方式盡量采用機(jī)械開挖。盡量縮小臺(tái)階之間距離，開挖后及時(shí)支護(hù)，仰拱封閉成環(huán)，提高初期支護(hù)的強(qiáng)度。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，在變形趨于穩(wěn)定時(shí)及時(shí)跟進(jìn)二襯。

2)隧道施工過(guò)程中，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，主要是拱頂沉降和水平收斂，可以通過(guò)這些數(shù)值，判斷隧道塌方可能性，可以對(duì)已經(jīng)施作支護(hù)的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，判斷已施作支護(hù)是否能夠承載所處位置圍巖壓力。根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3)軟巖隧道，巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度低，工字鋼接腿施工時(shí)，必須加強(qiáng)鎖腳，否則拱頂易下沉，必要時(shí)，除接腿部位，還可在頂拱部位施作鎖腳。為了減小工字鋼腳趾應(yīng)力，可將工字鋼腳趾設(shè)置加強(qiáng)肋，減小趾部應(yīng)力。

4)軟巖斷層帶隧道塌方，處治措施應(yīng)由遠(yuǎn)而近。由于軟巖地帶，隧道縱向塑性區(qū)延伸較長(zhǎng)，在進(jìn)行塌方處治時(shí)，需從穩(wěn)定段向掌子面逐一施作，層層加強(qiáng)。

5)軟巖隧道存在大變形、變形滯后現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)，需留出足夠預(yù)留變形量。但是預(yù)留變形量不宜過(guò)大，過(guò)大的預(yù)留變形量，會(huì)顯著增加開挖洞室跨度，易造成施工期間洞室的不穩(wěn)定。

6)軟巖斷層隧道，超前支護(hù)有著舉足輕重的作用。筆者認(rèn)為，增加超前小導(dǎo)管注漿量，加長(zhǎng)搭接長(zhǎng)度，是過(guò)斷層地帶的核心方法。該隧道在增加超前支護(hù)注漿量之后，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)得到了很好收斂。

7)由于軟巖變形的滯后性，塌方處理完成后，必須通過(guò)肉眼及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道進(jìn)行觀測(cè)。