公路特殊地質(zhì)隧道塌方原因分析及處治措施

鄧楊健，李樂(lè)友

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

處于斷層破碎帶內(nèi)的隧道段落，其圍巖一般復(fù)雜多變，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，往往容易發(fā)生洞內(nèi)坍塌、冒頂?shù)仁鹿蕿?zāi)害，給施工中的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)很大的安全隱患。安全有效地處治隧道塌方，對(duì)保障隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全具有重要的意義。本文基于新寨隧道塌方實(shí)例，分析隧道斷層破碎帶走向?qū)λ淼绹鷰r的影響，探討了隧道塌方的原因，為新寨隧道塌方提供了相關(guān)的處治方案以及建議，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量結(jié)果對(duì)處治效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文研究結(jié)果可為處于斷層破碎帶的公路隧道塌方處治提供借鑒。

1 工程概況

田林至西林高速公路新寨隧道位于廣西田林縣福達(dá)鄉(xiāng)境內(nèi)，呈東西走向，分離式中隧道，隧道左線ZK21+804～ZK22+405，長(zhǎng)601 m，右線K21+812～K22+443，長(zhǎng)631 m。經(jīng)鉆探揭露：ZK22+148～ZK22+212段，長(zhǎng)64 m，鉆孔深度范圍內(nèi)的圍巖為中風(fēng)化砂巖夾泥巖(T2b)，局部發(fā)育有寬約4.3 m的斷層破碎帶，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，Rc=20 MPa，Kv=0.30，呈潮式狀或點(diǎn)滴狀-淋雨?duì)畛鏊?。該段存在電阻率低阻區(qū)，主要是由裂隙水引起，局部為斷層破碎帶引起，隧道施工中可能會(huì)出現(xiàn)不良地質(zhì)問(wèn)題。

2 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

隧道施工在進(jìn)入S5c斷層破碎帶后，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法，以短進(jìn)尺每循環(huán)開挖不超過(guò)一榀鋼架間距，強(qiáng)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。由于地質(zhì)及裂隙水影響，期間仍多次出現(xiàn)掌子面垮塌現(xiàn)象。所幸該破碎段鉆探地質(zhì)資料和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，已引起各方高度重視，現(xiàn)場(chǎng)派有經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)值班人員緊盯觀察，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有小股石塊碎落時(shí)，及時(shí)通知作業(yè)人員撤離作業(yè)面，因此，每次隧道塌方均未造成任何人員傷亡。

11月5日，隧道左線樁號(hào)ZK22+175處發(fā)生垮塌，主要范圍為拱頂，垮塌巖體破碎，夾雜泥巖較多，左拱腰存在點(diǎn)滴狀滲水。

11月18日，左線于樁號(hào)ZK22+196處再次發(fā)生垮塌，主要范圍為拱頂，垮塌巖體破碎，夾雜泥巖較多，塌體全部封閉了掌子面，開挖臺(tái)車全部報(bào)廢，左拱腰有股狀出水。

此次垮塌體沿隧道西林方向一直持續(xù)至ZK22+202，其中在ZK22+200～202，垮塌體多為大塊徑較堅(jiān)硬巖石，斷裂面較整齊，夾雜少量泥巖。

11月25日，右線樁號(hào)K22+197掌子面拱頂處發(fā)生小面積垮塌，垮塌體主要為泥巖夾少量大塊徑石塊，拱頂出現(xiàn)滲水，呈淋雨?duì)睢?/p>

11月25日，左線樁號(hào)ZK22+198.5處沿拱頂垂直方向打探管，約4.5 m處探到空腔；樁號(hào)ZK22+200處沿西林方向與隧道軸線約40°夾角打設(shè)探管，在7 m處探到空腔。

3 原因分析

3.1 地質(zhì)原因

ZK22+175～ZK22+212與K22+197～K22+208段處于V級(jí)圍巖，原設(shè)計(jì)支護(hù)類型為S5c，隧道圍巖主要為中風(fēng)化砂巖夾泥巖，局部發(fā)育有斷層破碎帶，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，呈潮濕狀或點(diǎn)滴狀-淋雨?duì)畛鏊?/p>

結(jié)合幾次垮塌的位置和圍巖情況，初步判斷斷層破碎帶與隧道左線在樁號(hào)ZK22+175的左拱腰交匯；在ZK22+175～200范圍，斷層與隧道掌子面交匯面積逐漸增大，ZK22+200處交匯范圍為左拱腰至拱頂；ZK22+200～202垮塌體塊直徑大、質(zhì)地較堅(jiān)硬、斷裂面較整齊，斷層與隧道軸線夾角為60°～70°，方向?yàn)槲髁址较?，初步判斷此處破碎帶已在隧道上方，垮塌原因主要為破碎帶與隧道夾角處的巖體承壓能力稍差，受破碎帶影響，發(fā)生垮塌，示意圖如圖1所示；結(jié)合右線K22+197垮塌情況，初步判斷破碎帶走向示意圖如圖2～4所示。

圖1 ZK22+200破碎帶走向示意圖

圖2 推測(cè)破碎帶(1)示意圖

本次隧道塌方主要受破碎帶影響較大，一是破碎帶巖體破碎程度高，二是山體裂隙水大量匯集在破碎帶內(nèi)，導(dǎo)致開挖斷面后清渣過(guò)程或支護(hù)過(guò)程中突然出現(xiàn)出水情況，引發(fā)塌方。

圖3 推測(cè)破碎帶(2)示意圖

圖4 推測(cè)破碎帶(3)示意圖

3.2 其他因素

對(duì)于圍巖伴有大量裂隙水從側(cè)墻與拱部滲出可能造成坍塌的隱患，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)未引起足夠的重視，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)及防排水措施，防止洞室坍塌及涌水。

4 處治方案

詳細(xì)調(diào)查其范圍、形狀、塌穴地質(zhì)構(gòu)造，查明其誘發(fā)原因和塌方類型，再據(jù)此確定處治方案。

4.1 封閉圍巖

對(duì)掌子面及塌方范圍噴射C25混凝土進(jìn)行封閉，厚度≥10 cm。噴射混凝土施工過(guò)程中安排專人觀察圍巖狀況，如有異常立即組織現(xiàn)場(chǎng)人員撤離。

4.2 反壓回填洞渣

對(duì)掌子面進(jìn)行洞渣反壓回填，防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的垮塌。

4.3 垮塌體穩(wěn)固

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，拱頂埋設(shè)φ108 mm注漿管，對(duì)拱頂垮塌體進(jìn)行注漿，將垮塌體進(jìn)行固結(jié)穩(wěn)定。

4.4 隧道開挖支護(hù)

(1)注漿固結(jié)后，施工雙層超前注漿小導(dǎo)管，對(duì)掌子面前方的巖體進(jìn)行固結(jié)穩(wěn)固，ZK22+202～ZK22+212段超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度加長(zhǎng)至6 m，擴(kuò)大固結(jié)范圍。

(2)開挖工法為三臺(tái)階開挖法，開挖進(jìn)尺不超過(guò)1榀拱架距離，開挖后立即完成初支支護(hù)，初支過(guò)程中鋼架拱腳必須用鋼板墊實(shí)。

(3)初支采用S5c支護(hù)，確保每次初支支護(hù)貼合掌子面。

4.5 空腔回填混凝土

(1)初支過(guò)程中，埋設(shè)φ150 mm鋼管用于空腔回填，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，左線空腔位于拱頂4.5 m以上，右線空腔位于拱頂約2 m，預(yù)埋鋼管管頂延伸至空洞最頂端10 cm處作為混凝土灌注，同時(shí)在該管旁50 cm處預(yù)埋φ42 mm鋼管作為排氣孔和觀察孔，管頭延伸至空洞頂點(diǎn)5 cm處。

(2)待形成穩(wěn)定的初支后，對(duì)空腔進(jìn)行泵送混凝土回填，混凝土采用C25混凝土，回填厚度至少2 m，要求分次進(jìn)行回填。

第一次灌注50 cm厚混凝土，使其形成混凝土護(hù)拱，后續(xù)回填必須在前一層回填混凝土具備一定強(qiáng)度后進(jìn)行。在混凝土灌注過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)初支鋼架及混凝土有異常現(xiàn)象時(shí)立即組織現(xiàn)場(chǎng)人員撤離，并立即報(bào)告。

4.6 設(shè)計(jì)變更方案保證塌方整體穩(wěn)定性

按上述步驟施工至塌方終點(diǎn)ZK22+202后，為保證塌方的整體穩(wěn)定性，經(jīng)四方單位現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更方案，前方開挖時(shí)，采用雙層超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度為6 m，每單元鋼拱架設(shè)置鋼管φ50×5 mm鎖腳錨桿，長(zhǎng)度為4.5 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理情況

(1)首先固結(jié)塌渣堆采取環(huán)向固結(jié)方式，采用φ42 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管，4.5 m/根，共計(jì)30根，注漿采用1∶1水泥漿。注漿前對(duì)塌渣體表面進(jìn)行噴射混凝土加以固結(jié)封閉。然后對(duì)塌穴口封閉，封閉采用鋼管及鋼筋作骨架噴射C25混凝土封閉。為確保后續(xù)施工效果和安全，必須對(duì)塌方段洞內(nèi)空腔部分回填。因此，在封閉前預(yù)留注漿管，注漿管伸入塌穴空洞內(nèi)，外漏端頭，用于接管泵送混凝土。

(2)對(duì)塌體上方空洞用混凝土輸送泵向塌穴內(nèi)泵送C25混凝土回填，泵送混凝土分層進(jìn)行，每次控制在1 m左右，層層之間有一定的停頓時(shí)間，保證下層混凝土形成一定強(qiáng)度后才進(jìn)行上層混凝土澆筑，泵送混凝土總高度為2～3 m，密實(shí)、無(wú)空洞，形成穩(wěn)定護(hù)拱。

(3)回填泵送混凝土達(dá)100%強(qiáng)度后，開始對(duì)拱部范圍出渣，高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塌渣穩(wěn)定情況而定。然后支立鋼拱架，先支立拱部鋼拱架。鋼拱架鎖腳錨桿采用φ50 mm×5 mm小導(dǎo)管，長(zhǎng)度為4～6 m，每側(cè)≥8根；及時(shí)對(duì)下部剩余渣體出渣，然后把上部工字鋼向下順接，形成閉合。

6 處理后的效果評(píng)價(jià)

為判斷塌方治理后圍巖的穩(wěn)定性情況，該段每10 m設(shè)置一個(gè)斷面，每斷面布置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(1個(gè)拱頂下沉，2個(gè)周邊收斂)，每天進(jìn)行觀察，一個(gè)月后的各斷面累計(jì)沉降值和收斂值都在35 mm以內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土無(wú)發(fā)現(xiàn)開裂、脫皮現(xiàn)象，滿足規(guī)范要求。因此，可以認(rèn)為該塌方治理方案是可靠有效的。

7 總結(jié)

(1)隧道在穿越不良地質(zhì)地段時(shí)常會(huì)發(fā)生塌方現(xiàn)象，因此需在施工前考慮各種因素，采取必要的預(yù)防措施。

(2)嚴(yán)格規(guī)范施工，采取短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌、勤量測(cè)的施工方法，制定出切實(shí)可行的施工方案和安全防護(hù)措施。

(3)塌方一旦出現(xiàn)應(yīng)馬上處理，分析情況，找到原因后應(yīng)對(duì)未塌方段進(jìn)行加固處理，防止繼續(xù)發(fā)展。