隧道塌方處治研究

李 鵬

(山西省交通科學(xué)研究院 太原市 030006)

0 引言

在隧道施工過(guò)程中，塌方是最為常見(jiàn)的施工事故類型。筆者通過(guò)收集到的幾十例隧道塌方處治案例，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況，塌方后是否存在明顯的塌方空腔，以及地表是否存在下陷等，將隧道塌方分為兩種類型：空腔型塌方和貫穿型塌方。

兩種類型塌方的形成機(jī)理、發(fā)生部位、破壞規(guī)模、處治措施等都有著根本性的區(qū)別?？涨恍退酱蠖喟l(fā)生在洞身內(nèi)埋深較深圍巖自穩(wěn)能力較好的Ⅴ級(jí)、Ⅳ級(jí)甚至是Ⅲ級(jí)圍巖段。主要形成原因是圍巖局部節(jié)理發(fā)育、掉塊嚴(yán)重，開(kāi)挖進(jìn)尺偏大，核心土偏小，支護(hù)偏弱或不及時(shí)等。貫穿型塌方大多發(fā)生在隧道洞口段，常見(jiàn)的是埋深較淺圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎松散的Ⅴ級(jí)石質(zhì)，或者是在降雨集中時(shí)期，受地下水影響，膠結(jié)性降低的土質(zhì)圍巖段，開(kāi)挖后原有應(yīng)力平衡被打破，圍巖在應(yīng)力重組過(guò)程中不能達(dá)到平衡而發(fā)生的規(guī)模較大的坍塌。

圖1 空腔型塌方

1 隧道圍巖變形及控制

隧道開(kāi)挖后的圍巖變形包含：掌子面的拱頂下沉、掌子面的擠出位移、掌子面后方下沉位移。這三種位移中，掌子面的拱頂下沉最為激烈，也是我們保證隧道穩(wěn)定性最應(yīng)該重視的環(huán)節(jié)。保證隧道開(kāi)挖后穩(wěn)定性的工作其實(shí)就是控制上述三種位移的工作。為了控制掌子面的擠出位移，在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖開(kāi)挖中，都會(huì)要求必須保留核心土。而在隧道塌方處理中，為了控制掌子面擠出位移常會(huì)采用反壓和正面錨桿加噴射早強(qiáng)混凝土的方法來(lái)保證掌子面正面穩(wěn)定性。為了控制掌子面拱頂下沉和掌子面后方下沉位移，無(wú)論是正常開(kāi)挖或者處理塌方事故，都會(huì)依據(jù)圍巖自穩(wěn)能力選擇強(qiáng)度不同的超前支護(hù)措施。比如大管棚、雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)、小導(dǎo)管超前支護(hù)、超前錨桿等。為了控制掌子面拱頂下沉，根據(jù)圍巖自穩(wěn)能力的強(qiáng)弱可以選擇規(guī)格、間距不同的鋼拱架或者格柵支護(hù)，配合錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土共同組成完整的受力體系參與圍巖應(yīng)變，達(dá)到最終的應(yīng)力、應(yīng)變平衡狀態(tài)，見(jiàn)圖3。

圖3 隧道掌子面拱頂下沉圖

2 空腔型塌方

范家莊隧道全長(zhǎng)2628m，圍巖為強(qiáng)～微風(fēng)化泥巖，施工至洞口約300m處發(fā)生了塌方事故。事故發(fā)生處圍巖節(jié)理較發(fā)育，開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)明顯滲水，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。事故發(fā)生后在掌子面左上方形成了一個(gè)環(huán)向?qū)挾燃s為4.0m，縱向長(zhǎng)度約為3.0m，高度約為4.0m的空腔?？偨Y(jié)事故原因?yàn)椋簢鷰r局部節(jié)理、裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖進(jìn)尺偏大，支護(hù)不及時(shí)等多種因素造成。

圖4 空腔型塌方處治方案圖

具體處治措施為：對(duì)塌腔體表面初噴C20早強(qiáng)混凝土約5cm，以使塌腔表面較為平滑，洞內(nèi)按照1.0m間距打設(shè)3.0m長(zhǎng)藥卷錨桿，外漏1.0m。將格柵鋼架分段支撐在塌腔內(nèi)，方向、長(zhǎng)度可自由調(diào)整以受力穩(wěn)固為原則。C20早強(qiáng)混凝土噴平。沿設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線外加20cm預(yù)留變形量架設(shè)Ⅰ20a鋼拱架，間距50cm，下墊模板，預(yù)留注漿管三根，一短兩長(zhǎng)，利用短注漿管先泵送澆注底部1.0m厚混凝土作為護(hù)拱，養(yǎng)護(hù)3d后，再利用長(zhǎng)管泵送澆注塌腔其它空間，長(zhǎng)管作為排氣管。養(yǎng)護(hù)1周后按照正常支護(hù)參數(shù)施工。

處治方案原理：圍巖在塌方后出現(xiàn)了穩(wěn)定的塌腔，圍巖具有一定的自穩(wěn)能力且已經(jīng)達(dá)到初步的穩(wěn)定。這種情況下的處理側(cè)重點(diǎn)在于如何填充空腔，既要保證密實(shí)，避免有空洞造成圍巖的進(jìn)一步應(yīng)變，又要避免填充體的重力傳導(dǎo)至隧道初支和二襯上。因此在塌腔內(nèi)設(shè)置格柵鋼架結(jié)合噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)使其成為一個(gè)整體，達(dá)到應(yīng)力平衡。而錨桿外漏1.0m，和護(hù)拱的作用都是為了填充物的自重不要傳導(dǎo)至初支和二襯上。這種處理方法適用于塌方空腔較大的情況。如果空腔規(guī)模較小，可以取消格柵鋼架和護(hù)拱，采用沙袋碼砌預(yù)留注漿管直接注漿來(lái)填充塌腔。

3 貫穿型塌方

大草坪隧道全長(zhǎng)1977m，進(jìn)口段78m為Ⅴ級(jí)淺埋全風(fēng)化片麻巖上覆粉土層，開(kāi)挖至洞口約60m處時(shí)，發(fā)生了貫穿型塌方事故，塌方掌子面處地表發(fā)現(xiàn)明顯沉降?？偨Y(jié)塌方原因?yàn)閲鷰r巖體破碎，層間結(jié)合力非常差，近期降雨量偏大，地下水下滲明顯，施工開(kāi)挖進(jìn)尺偏大，仰拱施工不及時(shí)，多種因素疊加造成了此次塌方事故的發(fā)生。

具體處治措施為：首先對(duì)塌方對(duì)應(yīng)段地表進(jìn)行細(xì)致調(diào)查，測(cè)量并繪制準(zhǔn)確的地表沉陷范圍圖，與洞內(nèi)塌方掌子面相對(duì)應(yīng)，確定二者的立體位置關(guān)系。根據(jù)兩者的空間位置關(guān)系，確定地表處理范圍。對(duì)于土質(zhì)地表應(yīng)挖除受影響地表松動(dòng)土體后，回填碎石土夯實(shí)，最表層回填種植土1.0m加30cm黏土隔水層，對(duì)于石質(zhì)地表則應(yīng)對(duì)受影響地表注漿后地表澆注C25混凝土30cm。結(jié)合實(shí)際地形，在處理后的地表迎水面現(xiàn)澆C25混凝土截水溝將匯水排至自然溝渠。洞內(nèi)處理方案為：為了防止塌方進(jìn)一步發(fā)育，在塌方發(fā)生的最初期應(yīng)避免對(duì)坍塌體進(jìn)一步擾動(dòng)，對(duì)坍塌松渣表面掛網(wǎng)并噴射20cm早強(qiáng)混凝土固結(jié)。暫時(shí)停止開(kāi)挖掌子面，加快施工隧道仰拱，使其在不影響掌子面處施工所必須的工作面積的前提下，盡可能地接近掌子面。待仰拱施工至掌子面后對(duì)塌方體進(jìn)行三臺(tái)階七步開(kāi)挖，初步預(yù)留變形量為20cm，施工中必須勤量測(cè)，必要時(shí)增大預(yù)留變形量，以保證二次襯砌厚度。開(kāi)挖進(jìn)尺為1.0m，每次開(kāi)挖后都要對(duì)掌子面、核心土掛網(wǎng)噴射C20早強(qiáng)混凝土20cm。對(duì)塌方段落以及前后10m，采用雙排長(zhǎng)度為4.5m的Φ42超前小導(dǎo)管注雙液漿，環(huán)向間距40cm，縱向間距3.0m。第一排角度為30°，主要作用為注漿加固巖體。第二排角度為10°，主要作用為超前支護(hù)，結(jié)合巖體形成組合拱。3.5m長(zhǎng)Φ25中空注漿錨桿間距1.5m×0.5m，掛Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，Ⅰ20a鋼拱架@50cm，采用Φ42小導(dǎo)管鎖腳，鋼拱架底部墊槽鋼擴(kuò)大拱腳接觸面并設(shè)置臨時(shí)仰拱，邊墻施工必須馬口跳槽開(kāi)挖和落底，嚴(yán)禁兩頭同時(shí)開(kāi)挖落底，避免拱架懸空。及時(shí)跟進(jìn)仰拱施工進(jìn)度，改善上部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件，將隧道上部的圍巖壓力通過(guò)邊墻傳遞到地下，同時(shí)抵抗隧道下部圍巖反力。仰拱與二次襯砌構(gòu)成隧道整體，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

處治方案原理：這種沒(méi)有穩(wěn)定的塌方空腔，特別是地表有明顯下陷的塌方類型，其主要成因在于圍巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重，自穩(wěn)能力極差，開(kāi)挖進(jìn)尺偏大，支護(hù)偏弱或者不及時(shí)等多重因素的疊加結(jié)果。處理這種塌方事故基于圍巖已經(jīng)沒(méi)有自穩(wěn)能力，因此更多地應(yīng)該偏重于基于松弛荷載理論的“礦山法”開(kāi)挖支護(hù)方式，可以概括為“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早成環(huán)”。特別需要注意在初支成環(huán)之前拱腳的穩(wěn)定性。在初支方案中，設(shè)計(jì)采用了Φ42小導(dǎo)管鎖腳，鋼拱架底部墊槽鋼擴(kuò)大拱腳接觸面并設(shè)置臨時(shí)仰拱等一系列措施，來(lái)加強(qiáng)拱架的穩(wěn)定性，起到強(qiáng)支護(hù)的作用，并且設(shè)置了仰拱鋼拱架和混凝土仰拱來(lái)進(jìn)一步提高襯砌整體受力性能。

4 結(jié)論

(1)空腔型塌方多發(fā)生在埋深較深圍巖段。該類圍巖掌子面的擠出位移、掌子面后方下沉位移均不明顯，主要控制的是掌子面拱頂下沉，所以配合必要的超前支護(hù)和初支結(jié)構(gòu)即可，一般不需施加其他臨時(shí)輔助措施。

(2)貫穿型塌方多發(fā)生在洞口淺埋、軟弱圍巖段。尤其在雨季或地下水發(fā)育時(shí)，圍巖承載力不足并進(jìn)一步松弛，導(dǎo)致拱頂壓力較大、初期支護(hù)腳部下沉明顯，使松弛區(qū)域會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，引起拱頂附近的作用荷載的進(jìn)一步增加以及周邊圍巖出現(xiàn)更大變形。這類地形地質(zhì)及水文條件下，隧道穩(wěn)定的最核心點(diǎn)在于保證初支拱腳的穩(wěn)定性[1]。施工時(shí)發(fā)現(xiàn)變形加大現(xiàn)象應(yīng)停止開(kāi)挖、加密拱架，必要時(shí)加設(shè)豎撐和橫撐，拱腳加設(shè)槽鋼或混凝土墊塊墊腳，鎖腳加設(shè)小導(dǎo)管鎖腳，必須設(shè)置仰拱鋼拱架以改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件，擇機(jī)盡早施工二襯襯砌。