馬蘭黃土隧道不良地質缺陷整治技術研究

程曉剛

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

0 引言

馬蘭黃土以粉粒成分為骨架，相互間多為點接觸，孔隙較大，具有垂直節(jié)理，一般情況下穩(wěn)定性較好，但其抗水性能差，遇水易崩解，具有濕陷性。將馬蘭黃土作為隧道開挖對象，在施工過程中黃土天然應力分布狀態(tài)發(fā)生改變，隨著圍巖支護的施作，黃土會再次發(fā)生應力重分布，隧道圍巖的應力一部分向附近區(qū)域傳遞，另一部分以沉降變形或塌方等地質災變的形式進行應力釋放。這對圍巖的穩(wěn)定性、施工進度及施工安全帶來極大威脅。為了解決以上工程問題，本文以銀昆高速公路某隧道為例展開研究。

1 工程概況

該隧道圍巖由新黃土與老黃土組成，洞身為V級圍巖,黃土層成巖性差，結構相對疏松，其自身強度低，抵抗外力破壞的性能差，垂直節(jié)理發(fā)育，彼此在水平方向的連接力較弱，干燥時，黃土的強度較高，襯砌受力較小，遇水后顆粒連接力削弱，黃土強度隨之降低，易引起襯砌受力不均勻，并且由于隧道表層黃土厚度分布多不均勻，使隧道易形成偏心壓力，成為偏壓隧道，造成塌方等地質災害。

2022 年5月13日下午該隧道右線進口K130+138—K130+147左側地質突變發(fā)生沉降，導致套拱及初支發(fā)生嚴重變形及沉降，此時仰拱施工里程為 K130+147，距離突變處0m，二次襯砌施工里程為K130+197，距離地質突變處50m。洞頂一級坡平臺出現(xiàn)輕微裂縫，K130+138—K130+140套拱左側明顯向右收斂1.6m，K130+140—K130+147左側初支明顯向右偏移1m，且鋼拱架明顯變形，K130+147位置鋼拱架斷裂，出現(xiàn)1m范圍的空洞，且持續(xù)掉土，K130+147—K130+187初支出現(xiàn)沉降變形，如圖1所示。

圖1 套拱與初支變形及沉降

2 現(xiàn)場臨時處理方案

沉降發(fā)生后，現(xiàn)場人員第一時間進行緊急處理，防止工程災變擴大，同時為事故調查爭取更多時間，具體措施為：①塌陷土體穩(wěn)定后，項目部安排人員對洞內及頂部塌陷位置進行圍擋警戒；②對偏壓沉降部位兩側下臺階進行初次回填并施作臨時仰拱，待初次臨時仰拱凝固后進行二次回填施作二次臨時仰拱進行加固，如圖2a所示；③對斷裂部位進行噴漿支護，防止二次坍塌，如圖2b所示；④對仰坡及一級坡平臺進行二次防水布覆蓋，如圖2c所示，安排測量人員保證安全的前提下及時對洞內圍巖進行量測。

圖2 現(xiàn)場臨時處理方案

3 隧道坍塌成因

沉降發(fā)生后，多方調查人員趕赴第一現(xiàn)場進行實地調查，最終發(fā)現(xiàn)導致套拱及初期支護產生嚴重變形及沉降的主要原因為：隧道右線進口段在施工過程中，處于天然應力狀態(tài)的土體發(fā)生應力重分布，導致突發(fā)性坍塌，本次坍塌對隧道其他位置的圍巖產生較強烈擾動，進而造成進口洞內K130+140—K130+187段隧道大面積坍塌，以及隧道坍塌處至洞口方向47m范圍初期支護的嚴重下沉，并產生大量裂縫。

4 處治方案

針對以上工程災變成因分析，本項目采取“洞口臨時支護→洞內反壓回填→地表、超前小導管注漿→臺階法開挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側及洞頂回填”的方法進行專項治理，具體處治方案如下。

4.1 反壓回填

洞口臨時支護加固完成后，在二襯混凝土強度達到要求的前提下，對K130+140—K130+187段進行全斷面反壓回填，并在 K130+187處往洞口方向由洞頂至路面設置 1∶0.5 斜坡進行錨噴護面，如圖3所示。

圖3 反壓回填(單位：cm)

4.2 地表、超前小導管注漿

1)地表注漿 從K130+159—K130+201段42m 范圍垂直打入φ42鋼管進入地表進行注漿，先根據放樣將鋼管的孔位用紅油漆標出，間距 100cm×100cm(環(huán)向×縱向)，利用挖掘機將注漿管打入地下。鋼管長8m，管口車絲設止?jié){閥，在管尾后段50cm處將麻絲纏繞在管壁上呈紡錘狀，麻絲上涂抹錨固劑，將孔口管頂進注漿孔后，埋設牢固并用錨固劑將孔口管與地表間隙封堵，防止注漿過程中漏漿。

2)超前小導管注漿 徑向注漿達到強度后，拱頂縱向設置超前小導管注漿，超前小導管長度L=4.5m,α=12°，環(huán)向間距40cm。小導管采用φ42 熱扎無縫鋼管，注漿材料采用水泥液漿，水灰比為 1∶1， 注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，注漿施工如圖4所示。

圖4 注漿施工示意

4.3 臺階法開挖、換拱

1)開挖注意事項 超前小導管注漿達到強度后進行開挖、換拱，開挖方式采用臺階法。開挖要達到拆除1榀支護1榀。鋼拱架設計間距60cm。拆除時宜從上往下施工，拱頂施工完畢噴漿后再拆除下部鋼拱架，保證安全。進行測量放線時，應加大15cm，防止圍巖再變形侵限。加強施工中的監(jiān)控量測工作，及時反饋信息以調整支護參數(shù)。

2)初噴混凝土 鋼拱架拆除完畢后，用高壓風槍清除干凈粉塵，立即采用濕噴工藝初噴混凝土，噴射作業(yè)應分段、分片由上而下順序進行，每段長度≤6m。 初噴厚度4cm，如終凝后間隔1h以上且初噴表面已蒙上粉塵，受噴面用高壓氣體清除干凈。

3)錨桿施工 錨桿鉆孔利用開挖臺車，按設計間距120cm×60cm(環(huán)向×縱向)布孔，鉆孔方向盡可能垂直于結構面或初噴混凝土表面，錨桿孔比桿徑大15mm，成孔后采用高壓風清孔，鉆孔本身呈直線，方向沿隧道周邊徑向，并盡量與巖面垂直，不得平行于巖層面打設錨桿。注漿及錨桿安裝利用開挖臺車作為施工平臺，藥卷使用風槍將錨固劑打入錨桿孔內，錨固劑藥卷經風槍打入孔底，藥卷打入結束后立即進行錨桿桿體安裝，在距錨桿底部30cm處設止?jié){段，進回漿管在孔口通過鋼墊板預留孔口引出?？卓诔袎簤|座鋼墊板面與錨孔軸線垂直，承壓墊座必須平整、牢固。若鋼墊板面與錨孔軸線不垂直，孔口外側可用快凝砂漿找平。

4)鋼架施工 隧道各部開挖完成噴混凝土后，分單元及時安裝鋼架，利用系統(tǒng)錨桿及雙側鎖腳錨管固定，縱向采用鋼筋連接，鋼架間鋪掛鋼筋網，然后復噴混凝土到設計厚度。鋼架安裝前把按設計加工好各單元鋼架組織試拼，檢查鋼架尺寸及輪廓是否合格。在施工過程中需加強對鋼架安裝以后的監(jiān)控測量，必要時采取有效措施進行加固，以防止拱頂鋼架下沉。

5)掛網施工 鋼筋網宜在初噴混凝土后掛設，使其與噴射混凝土形成一體，初噴混凝土的厚度宜≥4cm； 鋼筋網搭接長度應為1～2個網格邊長；噴射混凝土時，應調整噴頭與受噴面的距離、噴射角度，以減少鋼筋振動，降低回彈，并保證鋼筋網噴射混凝土保護層厚度≥4cm；噴射時如有脫落的塊體或混凝土塊被鋼筋網卡住，應及時清除。

4.4 仰拱、二襯施工

初期支護施作一定距離后，由于K130+197—K130+147段仰拱已施作。根據現(xiàn)場條件及時施作二襯，二襯及時跟進封閉成環(huán)，起到早閉合、防塌方的作用，同時能保證洞內道路暢通，便于洞內排水。

4.5 隧頂回填

洞頂塌陷段二襯施作后，對隧頂采用4%水泥土進行回填，表層50cm回填種植土?；靥钔瓿珊螅龊梅琅潘ぷ?。

5 沉降監(jiān)測

為了及時掌握施工中隧道圍巖和初期支護變形收斂程度，確保洞內開挖及施工安全，本隧道必須進行監(jiān)控量測。其目的是進行隧道日常的施工管理，經對量測數(shù)據分析處理與必需的計算判斷后進行預測和反饋，以保證施工安全和隧道穩(wěn)定，并為今后設計與施工提供依據。

監(jiān)測對象包括地表沉降監(jiān)測、水平收斂監(jiān)測和拱頂下沉監(jiān)測。其中，地表沉降監(jiān)測目的是了解隧道開挖過程中隧道頂部對應地表的最大沉降值，為調整隧道開挖速度和支護強度參數(shù)提供依據；水平收斂及拱頂下沉監(jiān)測是反映圍巖與支護結構力學形態(tài)變化的最直接、最明顯的參數(shù)，通過監(jiān)測可了解圍巖和支護結構的穩(wěn)定狀態(tài)。以里程K130+170處的地質突變沉降點為例(見圖5)，結合該位置處的沉降監(jiān)測數(shù)據進行如下分析。

圖5 里程K130+170處地質突變沉降監(jiān)測

由圖2可發(fā)現(xiàn)，在2022年5月13日前，里程K130+170處隧道拱頂沉降并不明顯，但在這期間地表沉降幅度較大，水平收斂速度較快，說明該位置處隧道存在發(fā)生潛在地質災害的風險。2022年5月13日下午，拱頂沉降量、地表沉降量和水平收斂發(fā)生陡增，隨即發(fā)生隧道坍塌，事故發(fā)生后，施工單位組織人員進行緊急處理，直至14日完成，處治方案詳見第3節(jié)。該段隧道經過專項處治(2022年5月15日)后，地表沉降、水平位移和拱頂下沉的累積量迅速收斂，最終滿足設計規(guī)范中Ⅴ級圍巖沉降量要求。

6 結語

本文以銀昆高速公路某隧道為依托，研究馬蘭黃土隧道在開挖施工過程中突發(fā)地質災害的處治方案，本項目在事故發(fā)生后進行了緊急處理，防止工程災變進一步擴大。并根據隧道坍塌成因，采取“洞口臨時支護→洞內反壓回填→地表、超前小導管注漿→臺階法開挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側及洞頂回填”的方案進行治理，最后對隧道圍巖和初期支護變形收斂程度進行監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)地表沉降、水平收斂及拱頂下沉均滿足設計規(guī)范中Ⅴ級圍巖沉降量要求，從而驗證了該專項處治施工方案的可靠性，并為以后類似事故治理提供了借鑒。