分離式四車道隧道塌方段處治技術(shù)

王 偉

(中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

1 工程概況

上、下行分離式四車道高速公路某隧道上、下行線起訖里程分別為SK97+280～SK99+010、 XK97+295～XK99+037，屬松軟黃土、亞黏土和弱膠結(jié)巖石型深埋長(zhǎng)隧道。隧道出口端上行線暗洞進(jìn)洞45.5 m，掌子面里程SK98+944.4,仰拱里程SK98+962.5，仰拱距掌子面18.1 m；下行線暗洞進(jìn)洞46 m，掌子面里程XK98+973.5,仰拱里程XK98+986，仰拱距掌子面12.5 m。掌子面圍巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，青灰色，亞黏土狀，風(fēng)化裂隙及層理發(fā)育，呈碎裂狀松散結(jié)構(gòu)。上行線拱頂開(kāi)挖、下行線左側(cè)拱部側(cè)壁開(kāi)挖時(shí)，拱頂均發(fā)生塌方。為防止塌方擴(kuò)大，在塌方稍穩(wěn)定后對(duì)塌腔多次噴射砼以封閉支護(hù)，封閉完成后現(xiàn)場(chǎng)查看，上行線拱頂形成不規(guī)則漏斗狀塌腔，高約7 m，寬約8 m。2019年7月9日凌晨，下行線出口端開(kāi)挖XK98+949.4～+950段拱部，進(jìn)尺0.6 m，早晨7:30完成該段鋼拱架支撐，8:00正準(zhǔn)備拱部噴射砼時(shí)，線左由拱腳至拱頂偏線右約2 m范圍巖體突然出現(xiàn)大面積滑塌，至上午9:00拱部坍塌體已將線左掌子面封堵，之后該段一直有零星巖體滑塌，至7月11日早晨基本穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，塌方體長(zhǎng)約3.0 m，塌體高度7～8 m，塌方量約400 m3。為保證人員安全，立即停止了掌子面施工，并對(duì)洞頂?shù)乇磉M(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)XK98+948～+950段地表已出現(xiàn)8～10 cm裂縫，XK98+950～+980地表已出現(xiàn)4～6 cm裂縫，如圖1所示。XK98+950～+960段拱部一次襯砌已出現(xiàn)1.0 cm寬環(huán)向裂紋，見(jiàn)圖2。

圖1 地表裂縫與隧道平面位置關(guān)系示意圖

圖2 洞內(nèi)環(huán)向裂縫現(xiàn)狀圖

2 隧道塌方段塌方處治

塌方發(fā)生后，多次進(jìn)行噴射砼支護(hù)，防止塌腔的進(jìn)一步擴(kuò)大，待塌腔穩(wěn)定后按以下方法處治該塌方。

(1)考慮到隧道圍巖極其破碎，無(wú)任何自穩(wěn)性和黏結(jié)力，采用先噴射砼穩(wěn)定塌腔，待噴射砼厚度和強(qiáng)度達(dá)到對(duì)圍巖面能形成自穩(wěn)性要求后，進(jìn)行塌方處理[1]。

(2)為確保操作工人的安全，在塌腔經(jīng)噴射砼形成自穩(wěn)性后，縱向鋪設(shè)環(huán)向間距30 cm的I20a工字鋼，工字鋼長(zhǎng)度應(yīng)滿足一端能支撐在已完成的一次襯砌砼頂部，另一段能伸入未坍塌的掌子面上，并形成一定的傾斜角度，見(jiàn)圖3。完成工字鋼及木板鋪設(shè)后，敷設(shè)隧道頂部鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)間距10 cm×10 cm，然后噴射砼，形成堅(jiān)固的護(hù)拱。

(3)護(hù)拱噴射砼強(qiáng)度滿足要求后，進(jìn)行一次襯砌的拱架架立及一次襯砌模板安裝，然后完成一次襯砌砼澆注工作，再利用預(yù)留的三根注漿孔進(jìn)行噴射砼施工，噴射砼應(yīng)填滿塌腔體。

(4)塌腔填充密實(shí)后，按正常的開(kāi)挖方式進(jìn)行下一循環(huán)開(kāi)挖?？紤]此段圍巖自穩(wěn)性差，開(kāi)挖進(jìn)尺調(diào)整為每循環(huán)0.5 m，然后掛網(wǎng)噴射砼進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，再開(kāi)挖下一循環(huán)。待開(kāi)挖長(zhǎng)度達(dá)到1.5 m，安裝模板澆注一次砼。

(5)超前支護(hù)的施作質(zhì)量是影響開(kāi)挖能否成功的關(guān)鍵所在。此段原設(shè)計(jì)為大管棚支護(hù)，后來(lái)因洞內(nèi)管棚支護(hù)無(wú)法施工調(diào)整為超前注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管采用外徑42 mm、壁厚4 mm、長(zhǎng)450 cm的熱扎無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距40 cm，每環(huán)35根，縱向間距200 cm，外插角控制在15°左右，尾端支撐于鋼架上。超前小導(dǎo)管注漿采用水泥漿(水玻璃添加量應(yīng)為水泥漿重量的5%)，水灰比為1∶1，水玻璃濃度為35波美度，模數(shù)為2.4，注漿壓力為0.5～1.0 MPa[2-3]。施工期間全程跟蹤超前小導(dǎo)管注漿的效果，并對(duì)其做出效果對(duì)比分析。

圖3 拱頂坍方處理

3 隧道塌方段裂縫處理

3.1 裂縫成因分析

對(duì)XK98+960、XK98+966及XK98+976斷面進(jìn)行拱頂沉降和上臺(tái)階水平收斂量測(cè)，典型的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件和施工方法等進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為裂縫產(chǎn)生的原因如下：

(1)地形條件是產(chǎn)生洞內(nèi)外裂縫、洞身變形的主要原因。根據(jù)隧道出口端平面布置圖、現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量資料和實(shí)地踏勘，XK98+900～XK99+017段受偏壓地形影響，尤其在XK98+930～+980段線左7～12 m受地形切割較深因素影響，產(chǎn)生較明顯偏壓。暗洞開(kāi)挖后，拱頂產(chǎn)生沉降，部分土體擾動(dòng)；加之洞頂受偏壓地形影響，造成拱頂巖體松動(dòng)區(qū)域范圍逐步擴(kuò)大，地表出現(xiàn)不均勻沉降，繼而產(chǎn)生地表裂紋；地表裂紋逐步發(fā)展，與洞頂松動(dòng)區(qū)相互影響，洞頂裂縫與洞內(nèi)松動(dòng)區(qū)之間形成貫通面后，隧道洞頂部受自重荷載明顯大于偏壓荷載，引起土體松散，導(dǎo)致洞身變形，使得成型拱部一襯出現(xiàn)拱頂下沉和拱腳明顯收斂[4]。洞頂?shù)乇砹芽p主要走向與線左線路走向及切割地形等基本一致，且洞內(nèi)一襯在線左拱墻連接處和拱腳處多處出現(xiàn)斜裂紋，而線右僅出現(xiàn)沿施工縫環(huán)向裂紋，由此可證明洞身一襯變形主要由地形偏壓引起。

(2)圍巖地質(zhì)特點(diǎn)是產(chǎn)生洞內(nèi)外裂縫、洞身變形的又一原因。隧道暗洞進(jìn)洞約35 m開(kāi)始下臺(tái)階出現(xiàn)泥巖地層，上臺(tái)階由灰褐色水平分層狀泥巖和第四系黃土、黏土層組成，泥巖地層隨洞身掘進(jìn)增加逐步向拱頂發(fā)展，存在含水量相對(duì)較豐富的泥質(zhì)膠結(jié)的結(jié)合部，結(jié)合部由黃土和泥巖層組成。洞室開(kāi)挖后在臺(tái)階界面及隧底等低洼處出現(xiàn)積水現(xiàn)象，受開(kāi)挖后風(fēng)化加劇和泥巖遇水后軟化、承載能力降低等因素影響，開(kāi)挖輪廓線外巖體對(duì)一襯壓力增加，造成洞內(nèi)外產(chǎn)生裂縫、洞身出現(xiàn)變形。

(3)氣候變化因素影響。7月份后，本地區(qū)下雨量明顯增加，因隧道埋深小于20 m，地表水滲入造成隧道拱頂一定范圍內(nèi)巖體軟化導(dǎo)致洞內(nèi)支護(hù)下沉；加上K98+950～+980段拱部多處滲水，洞內(nèi)受地下水影響明顯，在地表水和地下水共同作用下，部分洞內(nèi)外裂縫形成貫通面，導(dǎo)致隧道洞身變形。

(4)施工條件局限和施工工法缺陷對(duì)隧道變形也有一定影響。采用臺(tái)階法施工，拱部開(kāi)挖至仰拱封閉成環(huán)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，拱腳及拱頂出現(xiàn)下沉。

(5)隧道在地表裂縫逐步發(fā)展貫通至洞頂和掌子面突然出現(xiàn)塌方兩種因素共同作用下，XK98+948.4～+980段在開(kāi)始開(kāi)挖后14 h內(nèi)出現(xiàn)拱頂下沉4.7 cm，拱腳收斂4～16 mm，若不采取臨時(shí)仰拱封閉上臺(tái)階和拱部，加設(shè)枕木垛等加固措施，則該段發(fā)生坍塌、甚至“冒頂”的風(fēng)險(xiǎn)性極大；此外，K98+954～+980線左拱腳和拱墻連接部位多處出現(xiàn)斜向裂縫，說(shuō)明隧道自掌子面至二襯作業(yè)面受偏壓荷載影響較明顯。

圖4 洞內(nèi)上臺(tái)階拱腳處收斂變形曲線圖

圖5 洞內(nèi)上臺(tái)階拱頂下沉變形曲線圖

3.2 裂縫處治方法

(1)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和洞內(nèi)外裂縫出露情況，分析XK98+948.4～+963段在當(dāng)日15:00左右已處于急劇變形階段，若不采取果斷的加強(qiáng)措施，極易引起大的塌方事故。采取先在XK98+954～+960段設(shè)鋼支撐，臺(tái)階界面處設(shè)腰撐，之后澆注40 cm厚C25砼臨時(shí)仰拱。臨時(shí)仰拱完成后發(fā)現(xiàn)拱腳砼出現(xiàn)斜裂紋，隨后對(duì)裂紋進(jìn)行標(biāo)記和觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)變形在繼續(xù)擴(kuò)大而且收斂變形結(jié)果顯示水平收斂在變大，于是在隧道中心位置設(shè)置枕木垛進(jìn)行支撐，抑制變形。枕木垛搭設(shè)完成后繼續(xù)每隔1 h進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，變形趨于穩(wěn)定。

(2)掌子面塌方區(qū)域處理。先噴混5 cm厚C20混凝土封閉固結(jié)塌體表面。然后自塌體坡腳至拱頂按臺(tái)階法碼砌編織袋擋墻，縫隙采用10 cm厚噴射砼封閉，以防止塌體進(jìn)一步溜塌。在塌方體端部用潛孔鉆鉆上仰角約50°、Ф150 mm的孔2個(gè)，鉆至端部塌方巖體頂部后，采用大錘、風(fēng)鉆頂入Ф108 mm鋼管，鋼管上端超出塌方巖體頂部3.0 m以上。再采用C25泵送砼填充塌腔端部，填充高度3 m，并在拱部一襯端面后退2 m，打入長(zhǎng)10 m、間距0.4 m、仰角8°～10°的Ф89 mm管棚。完成后，在一襯砼面設(shè)厚40 cm、寬100 cm套拱，形成止?jié){盤，孔內(nèi)壓漿，注漿壓力1～4.0 MPa。預(yù)留核心土采用臺(tái)階法開(kāi)挖，開(kāi)挖時(shí)，根據(jù)管棚注漿效果，確定是否增加30°～45°、Ф42 mm的注漿小導(dǎo)管。

(3)受偏壓地層影響較嚴(yán)重地段處理。①地表處理。受偏壓地層影響較嚴(yán)重的XK98+920～+980段，自線右30 m向線左30 m，按1∶3～1∶4橫坡切除洞頂松散土體，洞頂中軸線處挖除高度6～8 m，洞頂卸載土體運(yùn)至線右回填。洞頂卸載完成后，在SK98+945～+965洞頂平面內(nèi)，采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆Φ108 mm注漿孔。注漿孔由地表至隧頂長(zhǎng)12～19 mm，間距1.5～2.5 m。采用超細(xì)水泥劈裂注漿，成孔一個(gè)注漿一個(gè)，注漿壓力2.0～2.5 MPa，注漿深度為隧頂至地表下3～5 m，采取由下至上分段注漿，分段高度約2.0 m[5-6]。注漿結(jié)束后，地面采用3∶7灰土夯填。②洞內(nèi)處理。XK98+980～+985段仰拱兩次施作，做到一襯盡早封閉成環(huán)。按先線右、后線左錯(cuò)開(kāi)3 m開(kāi)挖邊槽，邊墻厚度增加15～20 cm，每次開(kāi)挖與襯砌長(zhǎng)度為1.5～3.0 m。邊墻與仰拱填充交替施工，至XK98+960填充完畢，二襯緊跟。完成洞頂注漿且二襯施工至XK98+960后，先開(kāi)挖XK+960～961.5邊槽，槽寬1.5～2.0 m，開(kāi)挖長(zhǎng)度0.75～1.5 m/次，完成該段左邊墻一襯后再施工對(duì)應(yīng)右邊墻，拆除該段臨時(shí)仰拱；按此順序完成剩余臨時(shí)仰拱段邊墻施工；對(duì)應(yīng)仰拱及填充進(jìn)尺1.5～3.0 m/次，完成后澆注該段二襯。

(4)其他施工措施。①在臺(tái)階界面處沿鋼拱架拱腳或連接處各設(shè)2根3.5 m長(zhǎng)注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管與拱架之間采用“L”形鋼筋焊接。②縮小分部開(kāi)挖高度，將掌子面與仰拱作業(yè)面距離控制在20 m左右，盡可能縮短拱部開(kāi)挖到仰拱封閉之間的時(shí)間；一襯面滲水明顯部位增設(shè)透水盲管。③使用裂縫觀測(cè)儀觀察洞內(nèi)裂縫變化規(guī)律，加強(qiáng)一襯砼拱頂、拱腳沉降和收斂量測(cè)，通過(guò)量測(cè)數(shù)據(jù)判斷一襯穩(wěn)定性，并優(yōu)化開(kāi)挖方法。④洞身一襯變形加劇時(shí)，采用臨時(shí)仰拱、對(duì)口撐等使分部開(kāi)挖形成閉合環(huán)，必要時(shí)采取搭設(shè)枕木垛、在一襯面加設(shè)砼“拱帶”等加固措施。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道塌方段處治直接關(guān)系到隧道施工的安全、工期和經(jīng)濟(jì)效益，是隧道出現(xiàn)塌方后必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。出現(xiàn)地表開(kāi)裂會(huì)給隧道塌方段的處治帶來(lái)更大的困難，對(duì)該塌方段進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)通過(guò)變形監(jiān)測(cè)及實(shí)地考察，分析塌方及引發(fā)地表開(kāi)裂的原因，采取有效的處治措施。該分離式四車道隧道通過(guò)采取上述處理措施，順利安全地完成了塌方段的施工，表明采取的處治方法是成功的，為解決隧道塌方段塌方及地表裂縫處理以及預(yù)防隧道塌方積累了技術(shù)資料。