公路工程隧道施工塌方治理技術(shù)研究

董 磊，代志杭

(中交國(guó)通公路工程技術(shù)有限公司，河南 南陽(yáng) 473000)

0 引言

作為一種地下條狀構(gòu)筑物，隧道多修建于山嶺當(dāng)中，用于克服高程障礙，改善道路線(xiàn)形，提升行車(chē)速度，對(duì)于提升整體運(yùn)輸能力意義重大。然而，在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)槎喾N因素導(dǎo)致塌方等事故發(fā)生。隧道塌方原因很多，不僅包含不良地質(zhì)的內(nèi)在原因，同時(shí)還包括施工管理等外部原因。若不及時(shí)采取切實(shí)可行的措施積極治理，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致垮塌面積進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至?xí)l(fā)更大的災(zāi)害問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，有針對(duì)性地采取措施進(jìn)行塌方治理，做好加固工作，保證巖土體穩(wěn)定，降低危害性。

1 工程概況

某公路隧道全長(zhǎng)1 080 m，160 m為其埋深最大值，單洞屬于雙向雙車(chē)道，14.66 m為隧道凈寬，7.8 m為隧道凈高。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響，隧址區(qū)中部形成斷裂破碎帶。依照鉆探結(jié)果顯示，破碎帶發(fā)育構(gòu)造角礫巖或斷層泥，與斷層帶相近部位的灰?guī)r存在溶蝕情況。原設(shè)計(jì)當(dāng)中，隧道K3+882-K3+731段采用III深支護(hù)，施工以雙臺(tái)階法為準(zhǔn)。上下臺(tái)階距離可達(dá)到50 m左右。在上臺(tái)階掘進(jìn)施工中，當(dāng)施工至K3+731段時(shí)，初次支護(hù)后，第二天進(jìn)行超前小導(dǎo)管等施工時(shí)，隧道頂部偏右2 m部位出現(xiàn)巖體局部失穩(wěn)垮塌問(wèn)題，此時(shí)迅速停止施工，并將設(shè)備、人員緊急撤出，緊接著垮塌范圍進(jìn)一步加大，并有250 m3錐形體出現(xiàn)于掌子面位置，可判定為中規(guī)模塌方，本次塌方造成的損失包括：超前小導(dǎo)管完全失效；破壞了最近處的一榀鋼拱架拱頂和右拱腰部位，未見(jiàn)人員傷亡。

根據(jù)勘查分析，不良地質(zhì)體定位是填充巖溶隧道預(yù)防塌方災(zāi)害的首要工作?；谒淼赖刭|(zhì)超前預(yù)報(bào)體系和原則，并與本隧道的實(shí)際情況相結(jié)合，可采用“宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)+長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)(TSP203&TEM)+短距離預(yù)報(bào)(GPR)”為綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方案。以不良地質(zhì)體定位結(jié)果為依據(jù)，對(duì)其和隧道的空間位置關(guān)系進(jìn)行了觀測(cè)與分析，進(jìn)而對(duì)其潛在破壞模式有了準(zhǔn)確的判斷，并制定了合理、科學(xué)的“小導(dǎo)管注漿+超前管棚結(jié)構(gòu)支護(hù)加固”塌方治理方案。

2 塌方原因分析

根據(jù)勘查實(shí)際情況，認(rèn)為充填巖溶不良地質(zhì)和施工管理是導(dǎo)致本次隧道塌方災(zāi)害發(fā)生的主要原因，具體情況如下。

2.1 不良地質(zhì)條件

本隧道處于高山-仰峰芥次生斷裂影響帶的充填巖溶體，顏色為黃褐色、紅褐色，屬于粉質(zhì)黏土，此類(lèi)土體具有較大含水量，狀態(tài)為松散—稍密狀，承載能力嚴(yán)重不足，且?guī)r體完整性差。發(fā)生塌方事故前，近7 d時(shí)間為連續(xù)降雨天氣，沿?cái)鄬訕?gòu)造裂隙地面雨水不斷下滲，導(dǎo)致巖溶填充物等物理力學(xué)性能更差。

2.2 施工管理的原因

1)在充填巖溶區(qū)圍巖塌方機(jī)理和破壞特性等方面存在認(rèn)識(shí)誤區(qū)，本工程存在的塌方為突跳式塌方，近乎尖點(diǎn)突變模型。在此情況下，若未提前進(jìn)行超前水平鉆探，或查明充填巖溶體就直接進(jìn)行掘進(jìn)施工，必定會(huì)導(dǎo)致塌方產(chǎn)生。

2)施工管理意識(shí)不足，未重視地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果。沒(méi)有結(jié)合實(shí)際情況，做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。同時(shí)，沒(méi)有按照“先探后掘”的原則，對(duì)施工方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而引發(fā)塌方。

3 塌方治理措施

3.1 應(yīng)急處置措施

穩(wěn)定塌體、控制塌方規(guī)模是本隧道工程塌方應(yīng)急處置的重點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)急處置，可以有效避免塌方進(jìn)一步擴(kuò)展。具體施工流程如下。

1)采用Ф 6.5 mm的鋼筋網(wǎng)(25 cm×25 cm)與C25混凝土(25 cm厚)結(jié)合的方式，封閉塌體表面，隨后在塌方底部填筑渣土，并進(jìn)行壓實(shí)。

2)當(dāng)塌體恢復(fù)自穩(wěn)能力后，可按梅花型布設(shè)注漿小導(dǎo)管，直徑為50 cm，長(zhǎng)度為4 m，通過(guò)注漿法加固塌體。

3)針對(duì)K3+8746-K3+731段，可在拱部120°范圍內(nèi)徑向按梅花型布設(shè)無(wú)縫錨管，做注漿加固處理。

3.2 塌方治理方案

1)充填巖溶規(guī)模、充填物狀態(tài)均可通過(guò)水平鉆孔探明。

2)隧道拱部160°范圍交替施作環(huán)向間距20 cm的2種注漿管，注漿管長(zhǎng)度分別為4 m、6 m，6 m長(zhǎng)注漿管外插角為15°～20°，4 m短注漿管外插角為20°～25°，通過(guò)水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行巖土體注漿加固。所選注漿液為42.5#硅酸鹽水泥漿液，1:1為水灰比，摻5%水玻璃，在0.5～1.0 MPa之間控制注漿壓力。

3)當(dāng)注漿加固滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度需求后，掌子面后充填巖溶段加固方案為“雙層鋼拱架+注漿小導(dǎo)管+系統(tǒng)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)”，其中，雙層鋼拱架的縱向間距設(shè)為0.5 m，注漿小導(dǎo)管同樣采用長(zhǎng)短組合類(lèi)型，即長(zhǎng)度為6 m、4 m。

4)待完成上述施工后，通過(guò)三臺(tái)階留核心土短進(jìn)尺方法進(jìn)行施工。當(dāng)充填巖溶區(qū)施工后，需及時(shí)探明隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)外形成腔體規(guī)模和充填情況，采用的探明方法為物探或數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)上堆積松散巖土體厚度在6 m以上，可通過(guò)“水泥-水玻璃雙液漿注漿”的方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)外6 m范圍內(nèi)的巖土體進(jìn)行加固處理，很大程度上可以有效提升其穩(wěn)定性和承載能力，并緩解后續(xù)垮塌巖土體沖擊隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。若支護(hù)結(jié)構(gòu)上堆積松散巖土體厚度在6 m以下，須按照從里到外的順序一層一層進(jìn)行雙液注漿加固層、泵填泡沫砼、吹填細(xì)砂或粉煤灰施工。

4 塌方治理效果評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證塌方治理效果，選取具有代表性的斷面鋪設(shè)檢測(cè)儀器，對(duì)隧道塌方治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。根據(jù)治理情況，將斷面壓力盒、砼應(yīng)變計(jì)等測(cè)量?jī)x器安設(shè)到指定位置，按照規(guī)范規(guī)定要求，對(duì)隧道周邊收斂變形初次支護(hù)等情況進(jìn)行檢測(cè)。

在塌方災(zāi)害治理中，作為治理措施初次支護(hù)結(jié)構(gòu)作用狀態(tài)和圍巖穩(wěn)定性的宏觀指標(biāo)，隧道周邊收斂變形具有重要作用。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，其變形發(fā)展共經(jīng)歷4個(gè)階段，即緩慢增長(zhǎng)、迅速增長(zhǎng)、逐步穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定。下沉量最大處位于拱頂部位，最終在37.81 mm處穩(wěn)定。通過(guò)該變形發(fā)展變化情況，可見(jiàn)雙層鋼拱架的支承作用良好，在治理塌方災(zāi)害當(dāng)中具有良好成效。

通過(guò)6個(gè)月的跟蹤觀測(cè)，隨著時(shí)間的不斷增加，襯砌間接觸壓力逐步呈現(xiàn)出“波動(dòng)—穩(wěn)定”的發(fā)展趨勢(shì)。接觸壓力最大處位于拱頂部位，為0.305 MPa，通過(guò)計(jì)算可得，在二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載值以?xún)?nèi)，與隧道結(jié)構(gòu)承載需求相符?；炷翍?yīng)力屬于壓應(yīng)力，最大值為6.109 MPa，位于左邊墻處。

通過(guò)分析鋼筋、混凝土等受力狀況，可見(jiàn)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)主要受壓應(yīng)力影響，基于鋼筋的性能作用，可以很好地彌補(bǔ)壓力問(wèn)題，保證隧道結(jié)構(gòu)受力合理，進(jìn)而提高隧道的整體穩(wěn)定性。通過(guò)上述分析，可以間接表明塌方段圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明已經(jīng)克服了充填巖溶對(duì)隧道的穩(wěn)定性影響，治理效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

為滿(mǎn)足公路交通運(yùn)輸需求，我國(guó)隧道工程數(shù)量日益增多，在建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的同時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題，尤其是隧道塌方問(wèn)題。目前，在隧道塌方治理方面已積累了大量經(jīng)驗(yàn)，但每一個(gè)工程的實(shí)際情況并不相同，應(yīng)充分考慮工程具體情況，采取針對(duì)性的治理措施，從而保證隧道施工安全。