山區(qū)高速公路沉積砂巖隧道塌方原因分析與處治研究

何如來

(廣西蒙山公路養(yǎng)護中心，廣西 梧州 546700)

0 引言

隨著交通強國、西部大開發(fā)、北部灣一體化以及脫貧攻堅等國家戰(zhàn)略不斷深化推進，近年廣西壯族自治區(qū)開展了大量的山區(qū)高速公路建設。然而，山區(qū)高速公路建設不可避免出現(xiàn)深埋隧道、大跨徑橋梁、高填深挖路基等工程設計，由此會帶來地質(zhì)環(huán)境破壞，從而引發(fā)各類工程地質(zhì)問題，若處理不當將增加工程設計投資，影響工程建設進展，甚至給后期運營留下安全隱患。由于山區(qū)地形地質(zhì)條件復雜，因此高速公路建設中的隧道災害問題尤為突出，其中，砂巖區(qū)隧道塌方災害問題也越來越多。

針對各種類型隧道塌方處治，眾多學者做了大量工作，左清軍等[1]總結(jié)隧道宏觀變形演化歷史，分析跨越斷層富水軟巖隧道塌方的影響因素及圍巖失穩(wěn)破壞模式，據(jù)此提出針對性的處治措施；羅治國等[2]通過有限元軟件邁達斯GTS NX模擬隧道塌方段圍巖穩(wěn)定性，對隧道塌方機理進行了分析，并提出相應治理措施；焦艷彬等[3]通過喀斯特巖溶地區(qū)鳳凰隧道塌方冒頂實例，對該隧道塌方冒頂?shù)慕?jīng)過與原因進行了分析，提出了處置巖溶地區(qū)塌方冒頂?shù)膶嵤┓桨?；劉宇峰等[4]以貴州省黔東南州某隧道水平層狀薄層板巖坍塌為背景，分析了水平層狀薄層板巖的力學特性、失穩(wěn)機理及破壞形式，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況提出了相應的處治措施，采用洞內(nèi)鋼花管注漿及增設鋼拱架加固后，采用短臺階法開挖拆換，成功地處治了該坍塌病害。盡管眾多研究人員及設計工作者做了大量工作[5-7]，但因各個隧道地形、地質(zhì)條件及開挖方式等不同，層狀砂巖隧道塌方案例依舊突出。

本文以云貴高原西南麓某山區(qū)高速公路沉積砂巖隧道為例，通過豐富的工程勘察手段如地質(zhì)調(diào)繪、物探、監(jiān)控量測等基本查明隧道水文地質(zhì)條件，并分析地質(zhì)情況及監(jiān)控量測資料，推斷出引起隧道塌方的基本原因，得出隧道塌方區(qū)范圍、塌方區(qū)分布情況、初支侵陷變形情況、變形規(guī)律等，運用工程類比方法并結(jié)合施工安全、質(zhì)量控制、投資控制、施工工期等因素綜合考慮確定治理方案，為后期類似地質(zhì)條件隧道塌方治理提供借鑒和參考。

1 隧道工程概況

那峨隧道樂業(yè)端洞口位于樂業(yè)縣新化鎮(zhèn)皈里村那峨屯南面約500 m處，百色端洞口位于樂業(yè)縣新化鎮(zhèn)林立村復興屯東面約1 800 m處。該隧道為分離式隧道，左右線起訖樁號為：左線，ZK76+220～ZK78+089，長1 869 m，最大埋深為238.50 m；右線，YK76+240～YK78+910，長1 860 m，最大埋深為239.10 m。呈曲線形展布，總體軸線方向約為155°～164°～179°。

1.1 工程地質(zhì)概況

隧道區(qū)地形起伏較大，地貌類型為：中低山峰林地貌。中線高程為651.2～899.8 m，其中最大高差約248.6 m。洞身段地質(zhì)構(gòu)成主要為三疊系中統(tǒng)砂巖夾頁巖，其山坡較陡，地表呈波狀起伏，分析原因是長期受風化剝蝕切割作用，丘陵地形切割較深。隧道樂業(yè)端洞口自然斜坡坡度為25°～35°，斜坡表面一般為第四系地層覆蓋，局部見強風化巖出露，山體上植被較發(fā)育，穩(wěn)定性較好，主要植被有茶籽樹、杉樹、八角樹等。百色端洞口坡度大致為30°～40°，相對較陡，主要為第四系地層覆蓋，未見基巖出露，山體上主要分布杉樹、八角樹及雜樹等，植被較發(fā)育。

2 塌方過程

3 塌方原因分析

現(xiàn)場開挖揭露圍巖情況與原設計不符，施工過程中進行了動態(tài)調(diào)整，原設計與調(diào)整后圍巖及支護參數(shù)如下：

(1)原設計圍巖情況:中風化砂巖，巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)較硬，巖體較完整，圍巖自穩(wěn)能力較好，無支護時拱部可能產(chǎn)生小型坍塌，側(cè)壁可能掉塊。集中降雨狀態(tài)下洞室內(nèi)呈潮濕狀出水。設計建議采用全斷面或臺階法開挖,支護參數(shù)見表1。

表1 支護參數(shù)表

(2)現(xiàn)場開挖圍巖情況：掌子面圍巖呈薄層狀分布，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整度較差，拱頂無支護時易產(chǎn)生大塌方，側(cè)壁可能掉塊。開挖期間呈點滴狀出水，調(diào)整支護參數(shù)見表2。

表2 調(diào)整支護參數(shù)表

開挖揭示圍巖變化情況較大，在強降雨影響下，掌子面及掌子面后方出水量較大，設計調(diào)整支護參數(shù)偏弱，圍巖富水重力增加，巖體力學指標降低，自穩(wěn)能力下降，初支受力變形，導致拱頂出現(xiàn)垮塌，這是引起塌方的重要因素。同時經(jīng)核查，部分鎖腳錨桿施工不規(guī)范，二襯未及時封閉成環(huán)等也對塌方有較大影響。

通過分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)得到Y(jié)K77+360～YK77+300段初支受到不同程度侵陷，距離掌子面越近，變形越大；從斷面上看，拱腰及拱頂變形較大，邊墻影響小，破壞和變形不大；坍塌主要發(fā)生在拱部，坍塌區(qū)呈漏斗狀分布，坍塌物主要為碎塊狀松散體。經(jīng)查地表未出現(xiàn)裂縫，隧道埋深160～175 m，左右洞間距約40 m，右洞隧道塌方對左幅隧道施工影響不大。

經(jīng)施工實際處治后確定，隧道坍塌段落為YK77+300～YK77+240段，長60 m，初支侵陷段為YK77+360～YK77+300，長60 m。

4 塌方綜合處治措施

(1)對YK77+360～YK77+300段出現(xiàn)拱架扭曲、初支開裂的長度70 m段落進行換拱處理。

(2)換拱前先增設單層超前小導管進行輔助施工。

輔助施工參數(shù)：

①采用φ42×4 mm的熱軋無縫鋼管制作。

②長4 m，環(huán)向間距40 cm，縱向排距2.4 m，每環(huán)設31根，如圖1所示。

圖1 超前支護設計圖

③管內(nèi)采用1∶1的水泥漿液進行注漿處理，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

(3)待漿液固結(jié)達到一定強度后進行如下處理：

①采用人工持風鎬鑿除噴射混凝土，拆除原初期支護鋼架后立即對巖面進行初噴。

②初噴后架設新鋼架，鋪鋼筋網(wǎng)片，同時利用注漿的小導管將鋼架與鋼筋網(wǎng)焊接固定。

③完成后立即進行C25噴混凝土作業(yè)。

(4)第一輪換拱完成，將進行下一循環(huán)開挖，前提條件是噴混凝土強度達到設計強度。

(5)對YK77+300～YK77+240坍塌段進行反壓回填，采用三臺階預留核心土開挖法進行施工，并對坍塌面進行噴射混凝土封閉。

(6)坍塌段施工要求：

①每次開挖進尺嚴格控制在0.5 m以內(nèi)。

②開挖后立即噴混凝土封閉。

③封閉后架設I20 b工字鋼，間距為50 cm，同時掛雙層鋼筋網(wǎng)。

④安裝鋼拱架時，采用鎖腳小導管固定，上、中、下三臺階兩側(cè)鋼拱架底腳分別加固，采用φ42小導管，長度為3.5 m，共設3組，每組2根，如圖2所示。管內(nèi)注漿處理采用1∶1的水泥漿液。

圖2 鎖腳導管布置示意圖

⑤然后噴射C25混凝土。

(7)初期支護施工完成后，預埋φ108泵送管，長度為2 m，縱向間距為5 m，對拱頂塌腔采用C15混凝土分次回填，C15混凝土回填厚度為2 m。

5 處治效果評價

塌方治理結(jié)束后，對YK77+300、YK77+280、YK77+260、YK77+240四個斷面的水平收斂及拱頂沉降進行監(jiān)控量測，如圖3～6所示。

圖3 YK77+300斷面收斂及沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖(mm)

圖4 YK77+280斷面收斂及沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖(mm)

圖5 YK77+260斷面收斂及沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖(mm)

圖6 YK77+240斷面收斂及沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖(mm)

通過分析圖3～6的監(jiān)測結(jié)果得到，在初期20 d，位移速度較大，水平收斂及拱頂沉降呈增長趨勢。一定時間后拱頂沉降和水平收斂速度逐漸變小，水平收斂值達到109 mm后趨于穩(wěn)定，拱頂沉降值達到107 mm后趨于穩(wěn)定，這是重力重分布穩(wěn)定和初期支護結(jié)構(gòu)功能共同發(fā)揮作用的結(jié)果。開挖斷面預留形變量為40 cm，實際最大變形量在預留變形量范圍之內(nèi)。監(jiān)控量測結(jié)果表明，塌方綜合處治措施可行，治理效果良好。

6 結(jié)語

層狀砂巖受水影響較大，圍巖富水降低了巖體力學指標，巖體自重增大，自穩(wěn)能力下降，此時層面和節(jié)理面為主要控制結(jié)構(gòu)面。層狀砂巖初支侵陷拱腰及拱頂變形較大，邊墻影響小，破壞和變形不大，坍塌主要發(fā)生在拱部，坍塌區(qū)呈漏斗狀分布。塌方處治后監(jiān)控量測結(jié)果表明，塌方綜合處治方案可行，治理效果良好。