軟弱夾層隧道塌方分析及治理技術

◎ 黃俠新 中交第四航務工程局有限公司總承包分公司

1.前言

隧道受地區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響可能需要穿越破碎帶、軟弱夾層等復雜地質(zhì)環(huán)境。軟弱夾層地質(zhì)的彈性模量與強度均低于均勻巖層，易產(chǎn)生應力集中和大變形，開挖土層導致應力重新分布易在軟弱夾層部位發(fā)生掉塊、局部塌方。塌方問題既影響施工進度，又增加施工安全隱患。本文就以林屋隧道穿越軟弱夾層段塌方事故進行原因分析，并制定相應的治理技術，為類似隧道的施工提出借鑒意義。

2.工程概況

林屋隧道路線穿越低山丘陵而建設，總體走向近南北向。隧道采用分離式，左洞、右洞總長分別為749m和785m，最大埋深分別為108m和123m。其上覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土、碎石層；下伏基層為泥盆系上統(tǒng)砂質(zhì)頁巖、泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r。隧道穿越的地質(zhì)主要為全～強風化砂質(zhì)頁巖及中風化灰?guī)r，巖石較破碎，呈散體狀，大部分呈鑲嵌碎裂～塊狀，成洞條件一般。隧道圍巖整體穩(wěn)定性差，巖質(zhì)偏軟，強度低，且隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)具有水文地質(zhì)條件復雜等特點。

3.現(xiàn)場塌方特征

隧道由出口端向進口端單端掘進，YK131+243～YK131+290為軟弱夾層段采用三臺階預留核心土施工工藝。當右洞上臺階掌子面YK131+285.4正常掘進約7個小時后，右洞拱頂至左側發(fā)生局部塌方，造成YK131+285.5～YK131+291.5段8榀初支I20b鋼拱架壓垮，超前小導管變形、彎曲，作業(yè)臺架被損毀。塌方體主要為強風化砂質(zhì)頁巖，遇水部分呈泥狀，塌方尺寸約為6m（縱向）×6m（橫向）×2.5m（深度），土體約60m3。

4.原因分析

隧道塌方處圍巖主要以中風化灰?guī)r向強、中風化砂質(zhì)巖接觸過渡為主，巖石軟硬相間，掌子面右側主要由中風化灰?guī)r組成，左側主要由強、中風化砂質(zhì)巖組成。結合施工工藝，通過對現(xiàn)場圍巖情況和塌方破壞特性分析，認為塌方的主要原因如下：

（1）塌方段左側巖體軟硬相間，遇水易軟化，且節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)膠結，結合差，加之上臺階淋雨狀滲水較大，造成圍巖層理、節(jié)理面軟弱夾層結合力下降，形成滑動面。

（2）掌子面右上臺階為中風化灰?guī)r，巖質(zhì)硬，需采用爆破掘進，爆破對左側滑動面產(chǎn)生擾動，導致拱頂至掌子面左側圍巖局部失穩(wěn)而引發(fā)塌方。

5.塌方治理施工技術

5.1 總體思路

對于隧道塌方的治理，主要思路如下：（1）管棚結合導管注漿加固軟弱夾層和塌方土體段的圍巖，提高圍巖的承載力；（2）更換損壞的鋼拱架并加強初期支護，增強初支的剛度，提高承載力；（3）引排和堵水相結合，減少滲水對軟弱圍巖的影響，提高圍巖自穩(wěn)能力；（4）塌腔設置護拱并回填，防止初支外脫空或空腔發(fā)生二次塌方。

5.2 穩(wěn)定掌子面

為保證掌子面穩(wěn)定避免掌子面發(fā)生塌方，采取回填洞渣反壓，回填高度至拱頂以下3m，回填長度至塌方段外3m處，并經(jīng)修整形成處理操作平臺空間。

5.3 加固圍巖

在塌腔YK131+291.5處往小樁號施作15根9m長Φ108管棚，管棚穿過塌方腔體，利用管棚注漿加固塌方掌子面土體及周邊圍巖，并形成隔水護殼，增強圍巖的整體性和穩(wěn)定性。管棚非對稱布置，外插角為10°～13°，管棚內(nèi)設置鋼筋籠，鋼筋籠主筋為4根Φ18鋼筋，提高鋼管的抗彎能力。管棚采用間歇式注入水泥、水玻璃雙液漿（水泥漿：水玻璃=2:1），逐步提升注漿的壓力，當達到1.0MPa并繼續(xù)注漿15min后停止，間隔2小時后進行二次注漿，注漿的壓力逐步提升至1.5MPa。注漿時應錯開、交叉進行相鄰孔位施工，一般先上后下、間隔對稱進行注漿。管棚兩側施作雙層4m長Φ50超前注漿小導管，加強拱部周邊圍巖為主。單層每環(huán)34根，其中管棚左側11根，右側23根，環(huán)向間距40cm，第一層與第二層環(huán)向錯開20cm，第一層外插角20°～25°,第二層8°～12°。

除此之外，洞內(nèi)對YK131+292～YK131+280段采用4.5m長Φ50×4mm鋼管徑向注漿，加固圍巖并防止地下水影響，管距1m×1m，每環(huán)25根，非對稱布置，左側較右側多4根。

超前小導管和徑向注漿采用水泥、水玻璃雙漿液，水泥漿:水玻璃=2:1，水玻璃濃度35波美度。注漿時應錯開、交叉進行相鄰孔位施工，逐步提升注漿的壓力，當達到1.0MPa并繼續(xù)注漿10min后停止。

5.4 加強初支

初支主要起承受各種可能出現(xiàn)的荷載，保持隧道斷面凈空，防止圍巖質(zhì)量惡化，因此在軟弱夾層圍巖應加強初支，增強其剛度，提高初支的承載力。

YK131+285.5～YK131+291.5塌方段損壞鋼拱架由I20b逐榀更換為I22b，縱向間距由75cm加密至65cm，C25噴射混凝土厚度由26cm加厚至28cm，加強初支剛度，提高初支的承載力，確保塌方處治安全。每個拱架拱腳處Φ50×5mm注漿鎖腳小導管由4根加強為8根，每根長5.0m，為鋼拱架提供基礎承載力和水平抗拔力。

鋼拱架和鎖腳小導管施工后及時進行混凝土噴射，恢復原洞身初期支護，快速封閉巖面，有效控制圍巖的變形。在塌腔位置預留4 根1.5～2.5mΦ200mm泵送管及2根Φ50排氣管，作為回填塌腔的通道。泵送管自拱腰向拱頂側均勻布置，角度和長度分別由4～5°和1.5m依次增大，確保拱腰側泵送回填混凝土時拱頂預埋管不被混凝土堵塞。

5.5 加強防排水

隧道結構須重視結構自身防水，對可能的滲水的位置進行引排和封堵，以達到防排水的目的。

塌方段采用超前管棚、超前小導管和徑向注漿等對周邊圍巖進行注漿加固，同時達到止水作用。對存在大面積裂隙滲水的巖面，當水量和壓力較小時可結合初支噴射速凝混凝土堵水，再敷設半圓排水管，排水管由2m加密至1m一道。噴射混凝土應增加速凝劑摻量，且裂隙處不噴射混凝土，使水集中于裂隙流入環(huán)向半圓排水管。隧道拱腳襯砌布設1排橫向排水管，將水匯集到側式暗內(nèi)。

5.6 塌腔處治

（1）護拱施作。在塌方段圍巖穩(wěn)定后，在塌腔壁初噴C25混凝土，厚度為15cm，防止二次塌方。護拱為C30鋼筋混凝土，厚度70cm，位于塌腔被壓垮的鋼拱架上方。護拱內(nèi)每40cm設置1榀I22b型鋼拱架，共15榀。型鋼架拱腳落在完整基巖面上，拱腳處設8根5.0m長Φ50×5mm注漿鎖腳小導管，為型鋼架提供水平抗拔力為主。拱腳鋼墊板與鎖腳小導管焊接牢固，每榀型鋼架縱向采用Φ22鋼筋進行連接，增強型鋼架的整體性和穩(wěn)定性，提高承載力。

（2）塌腔回填。YK131+285.5～YK131+291.5加固完成后方可進行塌腔回填。塌腔分層分次泵送C20混凝土自下而上進行回填，每次回填厚度不大于1.0m，且應在監(jiān)控量測穩(wěn)定后方可進行下一次回填。拱頂以上1.5m范圍內(nèi)完成C20混凝土回填且監(jiān)控量測穩(wěn)定后進行吹砂回填，在圍巖與護拱間形成緩沖層，防止初支外脫空或空腔發(fā)生二次塌方。

6.監(jiān)控量測

塌方處治為非常規(guī)作業(yè)，通過監(jiān)控量測可了解處治階段圍巖的穩(wěn)定性及支護結構的動態(tài)變化，并對其穩(wěn)定性、安全性進行評價。在塌方處治期間實行全過程實時跟蹤監(jiān)控量測，不僅加密監(jiān)控量測點，而且加大監(jiān)測頻率，確保施工安全。

監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，在塌方處治完成后一個月內(nèi)拱頂及周邊位移基本穩(wěn)定。當拱頂下沉和水平收斂速率均不大于0.1mm/d時，拱頂沉降最大斷面累計值不大于44.0mm，周邊水平收斂最大斷面累計值不大于30.4mm。通過上述監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和初支噴射混凝土表面無裂縫、無底鼓狀況等可知該處治方案安全可行。

7.結語

（1）該隧道圍巖主要為強～中風化灰?guī)r，其覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土、碎石層。圍巖較破碎，呈散體狀，大部分呈鑲嵌碎裂～塊狀，巖質(zhì)偏軟，強度偏低。在節(jié)理裂隙滲水或巖溶滲水的作用下，軟弱夾層強度下降，在自重或外力干擾下易引起塌方。

（2）結合現(xiàn)場塌方情況，主要從加固圍巖、加強初支、引排和封堵滲水、塌腔回填等方面制定該隧道塌方處治方案，并通過現(xiàn)場施作驗證其可行性。

（3）軟弱夾層隧道施工應采取預加固、短進尺、弱爆破、強支護、引排和封堵滲水等技術措施，為隧道作業(yè)安全提供保障同時保證隧道結構的安全。