太興鐵路二青山隧道塌方處理施工技術(shù)

牛 明

(山西太興鐵路有限責(zé)任公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

二青山隧道穿越呂梁山山脈北段，屬中山區(qū)，進(jìn)口位于嵐縣境內(nèi)，出口位于興縣境內(nèi)，隧道全長15.851 km。施工中共設(shè)置4座斜井，均為無軌運(yùn)輸，斜井總長度5 620 m，相當(dāng)于正洞長度的35.4%，屬單線特長隧道，是太興鐵路控制工期的工程，二青山隧道初始風(fēng)險(xiǎn)等級為“高度”，采取Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)管理。隧道穿越地層除進(jìn)、出口淺埋段為第四系黃土層外，其余均為太古界、元古界的變質(zhì)巖地層。隧道區(qū)進(jìn)口段(嵐縣端)為山間黃土盆地，洞身段及出口段為褶皺斷裂中山區(qū)，“V”“U”字形溝谷發(fā)育。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道所穿越的地層有太古界界河口群奧家灘組、呂梁山群赤堅(jiān)嶺組、五臺期巖漿侵入巖，元古界野雞山群青楊樹彎組、白龍山組，古生界寒武系中統(tǒng)張夏組，新生界第四系下、中、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。測區(qū)構(gòu)造主要受一組走向N25°～35°E向斜控制，即野雞山向斜，形成于前震旦紀(jì)。向斜兩翼對稱，向斜軸面近直立，向斜東西兩翼有北北東向伴生壓性斷裂，向斜核部與隧道相交于DK140+220里程，交角55°。

2.2 地層巖性

隧道主要穿越的地層巖性有黑云斜長片麻巖、侵入變質(zhì)白色偉晶巖、二云母片巖、變質(zhì)礫巖、長石石英巖、斜長角閃巖、侵入變質(zhì)紅色偉晶巖、黑云斜長片麻巖、花崗巖、變質(zhì)超基性巖、砂質(zhì)黃土等，軟質(zhì)巖與硬質(zhì)巖相間分布，圍巖完整性變化較大。

2.3 水文地質(zhì)

根據(jù)各地層的巖性及其組合關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造條件、水理性質(zhì)、地下水賦存條件和水力特征，分為變質(zhì)巖類基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩類。隧道全范圍均屬于弱富水段，隧道正常涌水量32 598.59 m3/d，最大涌水量約97 795.77 m3/d。

3 塌方情況及原因分析

3.1 塌方段基本情況

2012年8月11日凌晨3:30左右，二青山隧道進(jìn)口DK133+225～DK133+245段拱部及洞身左側(cè)發(fā)生塌方,塌方發(fā)生時(shí)掌子面里程為DK133+274，仰拱里程為DK133+240，二襯里程為DK133+208。塌方長度約為20 m，塌腔高度約7 m，塌方后通過對塌方處地表觀測，地表及溝壑沖溝無變化。

3.2 塌方段地質(zhì)情況

該段穿越第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黃土層，第四系中更新統(tǒng)粘質(zhì)黃土，隧道埋深淺，上覆黃土厚20 m～40 m，具Ⅱ級自重濕陷性。鉆孔證實(shí)黃土下伏基巖頂部有一層厚10 m～20 m厚的全風(fēng)化層，巖體節(jié)理很發(fā)育，極破碎，呈碎石狀，地表黃土層溝壑發(fā)育。

3.3 塌方段施工情況

塌方段落設(shè)計(jì)為Ⅴ級圍巖，初支襯砌參數(shù)為：拱部φ25組合中空錨桿，邊墻φ22砂漿錨桿，間距1 m×1 m、長度3.0 m、梅花形布置；格柵拱架，間距1 m；單層鋼筋網(wǎng)片，環(huán)向φ8 mm、縱向φ6 mm、網(wǎng)格20 cm×20 cm；噴射混凝土，25 cm厚；φ42超前注漿小導(dǎo)管，長度3.5 m、間距40 cm；襯砌混凝土，35 cm厚。按照三臺階開挖法施工，2012年8月11日凌晨2:00左右，開挖DK133+274掌子面上臺階施工，開挖過程中掌子面圍巖揭示以強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、砂礫性碎石土為主，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部部位滲水，初期支護(hù)格柵拱架出現(xiàn)開裂?，F(xiàn)場及時(shí)組織人員、機(jī)械撤出，凌晨3:30左右，DK133+225～DK133+245段拱部及洞身左側(cè)發(fā)生塌方。

3.4 原因分析

塌方地段為黃土地貌，由于地表水的侵蝕作用，沖溝發(fā)育，呈“V”字形，該段洞身左側(cè)圍巖整體性較差，風(fēng)化程度高、破碎、地下水發(fā)育，巖體遇水迅速變軟失去承載力，造成左側(cè)拱腳失穩(wěn)繼而導(dǎo)致邊墻局部坍塌，后引起拱部剝落掉塊。隧道左側(cè)地下水發(fā)育與圍巖巖體破碎，遇水后強(qiáng)度迅速降低是造成塌方的主要原因。

4 塌方處理方案

4.1 總體方案

塌方發(fā)生后，指揮部高度重視，組織監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位進(jìn)行塌方段處理方案研討，同時(shí)邀請多位專家參加。針對塌方規(guī)模較大情況，且前方圍巖仍為褐黃色粉沙質(zhì)黏土，土體含水量大，自穩(wěn)能力差，與會(huì)各方經(jīng)過分析論證研究后決定，塌方段采用大管棚超前支護(hù)注漿加固和小導(dǎo)管徑向注漿相結(jié)合的方式支撐塌體，確保塌方處理安全。首先對DK133+220～DK133+223段未塌方段初支進(jìn)行加固，避免造成更大的塌方，確保塌方段前初期支護(hù)安全。其次施工隧道內(nèi)坍塌體，坍塌體采用φ108大管棚進(jìn)行拱部超前注漿加固，邊墻采用Ⅰ20型鋼鋼架，間距0.5 m，縱向φ22 mm連接鋼筋，φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距200 mm×200 mm，φ42小導(dǎo)管徑向注漿,加固處理過程中視坍塌體圍巖狀況考慮是否施工拱部臨時(shí)仰拱或第三臺階臨時(shí)橫撐，達(dá)到穩(wěn)固圍巖的作用。

4.2 具體處理方法

1)通過挖掘機(jī)配合初噴C20早強(qiáng)混凝土先封閉坍塌體表面，防止塌方體的擴(kuò)大，初噴厚度不得小于10 cm。

2)對DK133+220～DK133+223未塌方段初支段采用Ⅰ18工字鋼拱架進(jìn)行支撐加固，防止坍塌進(jìn)一步擴(kuò)大，工字鋼制作弧度根據(jù)測量斷面數(shù)據(jù)確定，安裝間距0.6 m/榀，鋼架架設(shè)時(shí)，盡量使鋼架緊貼初支表面，空隙處采用木楔塞緊，鋼架縱向采用φ22鋼筋焊連牢固。

3)從洞外運(yùn)渣對坍塌部位進(jìn)行回填反壓加固，采用人工和機(jī)械相結(jié)合的方法，將袋裝石渣擺放在邊墻上部回填加固。

4)拱部采用φ108超前大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，管棚長20 m，環(huán)向間距30 cm，拱部范圍施作，注漿采用水泥漿，漿液配比為1∶1，注漿壓力為0.5 MPa～1 MPa。

5)邊墻部位采用φ42注漿小導(dǎo)管徑向注漿，小導(dǎo)管長4 m，梅花形布置，環(huán)縱向間距為0.3 m×1.2 m，采用水泥漿注漿，漿液配比為1∶1，注漿壓力為0.3 MPa～0.5 MPa。注漿過程中要加強(qiáng)監(jiān)控量測，圍巖趨于不穩(wěn)定或變形較大時(shí)應(yīng)停止注漿，初支穩(wěn)定后再進(jìn)行注漿施工,變形較小時(shí)可采用調(diào)整注漿順序的方法確保施工安全。

6)塌方體注漿漿液凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度后，按照三臺階預(yù)留核心土的開挖方法，對塌方體原初支鋼拱架進(jìn)行更換。從DK133+225開始向坍塌段逐榀更換原初支鋼拱架，新更換的鋼拱架采用Ⅰ20工字鋼，間距0.5 m/榀，全斷面設(shè)置，在拱架連接處安設(shè)φ42 mm×3.5 mm鎖腳錨管，每次換拱一榀，掘進(jìn)0.6 m。換拱過程中，要逐榀向前推進(jìn)，需將上、中臺階拱架拱腳擴(kuò)大，來提高承載力，確保施工安全。

7)鋼拱架更換5榀后，及時(shí)將仰拱鋼拱架封閉成環(huán)，施作仰拱混凝土及填充混凝土。

8)對存在塌腔的部位采用C25混凝土泵送混凝土進(jìn)行回填，混凝土要分多次壓入，每次澆筑高度不能超過30 cm，以免初支混凝土殼開裂，待上一次混凝土終凝后再進(jìn)行下一次混凝土回填澆筑。若空腔高度較大，可在保證回填混凝土厚度在2 m以上后，采用吹砂或粉煤灰作為緩沖層。

9)待回填混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后再進(jìn)行下段的拱架置換，如此循環(huán)，直至通過塌方段。

4.3 大管棚施工工藝及方法

1)設(shè)計(jì)參數(shù)。

大管棚設(shè)置在拱部120°范圍內(nèi)，由φ108 mm和壁厚8 mm的熱軋無縫鋼管制作而成，每節(jié)長度5 m，管棚長20 m。管距環(huán)向間距0.3 m，傾角外插角1°～3°，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。

2)搭平臺安裝鉆機(jī)。

用鋼管腳手架搭設(shè)鉆機(jī)平臺，平臺基礎(chǔ)要密實(shí)穩(wěn)定，使用全站儀定位將鉆機(jī)與已設(shè)定好的孔口管方向平行，使鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

3)鉆孔及清孔。

用全站儀測定鉆孔位置, 鉆頭直徑采用127 mm，鉆機(jī)開鉆時(shí)，應(yīng)低速低壓鉆進(jìn)。產(chǎn)生坍孔、卡鉆時(shí)，需補(bǔ)注漿后再鉆。為防止堵孔，用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣，確?？讖?、孔深達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，成孔10 m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

4)管棚鋼管安裝。

鋼管頭部要制作好絲扣，四周鉆φ10 mm～φ16 mm出漿孔，管頭焊成圓錐形，便于入孔。棚管頂進(jìn)采用棚管機(jī)鉆進(jìn)的工藝，即用管棚鋼管代替鉆桿的原理頂進(jìn)，同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不能大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯(cuò)開1 m并達(dá)到受力要求。

5)管棚注漿。

將鋼筋籠安裝好后，用ZJ-400高速制漿機(jī)將1∶1水泥漿液注入管棚鋼管。注漿時(shí)從管棚底孔兩側(cè)向拱頂順序壓注，先灌注“單”號孔，再灌注“雙”號孔，初壓開始0.5 MPa～1.0 MPa，終壓終端2 MPa，持壓15 min后停止注漿。

5 安全質(zhì)量措施

1)對施工作業(yè)人員強(qiáng)化培訓(xùn)并進(jìn)行技術(shù)交底，嚴(yán)格施工程序與施工工序，初噴拱架要垂直，鋼拱架腳必須立于堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。

2)在施工過程中嚴(yán)格控制換拱進(jìn)度，拆除1榀，更換1榀，做到處理好一段施作一段仰拱和一段二襯的原則，確保施工安全。

3)管棚鋼管不得侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰鋼管的縱向位置不能相撞和相交，管棚鋼管各管節(jié)連成一體，管箍絲扣結(jié)合部應(yīng)擰緊，保證受力后不脫開。

4)注漿施工中，要及時(shí)監(jiān)控注漿壓力和注漿量，按照量測數(shù)據(jù)調(diào)整注漿壓力參數(shù)，防止因注漿壓力大，造成變形，影響安全。

5)加強(qiáng)對初支的監(jiān)控量測，對坍塌處理段根據(jù)變形情況加密量測斷面，并加大監(jiān)控量測的頻率。

6)本段圍巖較為破碎，初期支護(hù)、仰拱、二襯緊跟，確保人員、機(jī)械安全。

6 結(jié)語

二青山隧道塌方采用大管棚超前支護(hù)注漿加固和小導(dǎo)管徑向注漿相結(jié)合的方式支撐塌體，在塌體開挖中形成加固圈，達(dá)到穩(wěn)固圍巖的作用，是處理隧道大型塌方的有效措施，為圍巖破碎、地下水發(fā)育的隧道塌方處理提供了安全質(zhì)量保證。