軟弱千枚巖塌方施工處理技術(shù)研究

李向峰

（甘肅新路交通工程有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，山區(qū)道路建設(shè)工程項(xiàng)目也越來越多。受地形的影響和限制，山區(qū)公路以各種富水、長大的隧道居多。在隧道開發(fā)過程中，微風(fēng)化和中風(fēng)化千枚巖所占的比例較大。因自身所具備的物理力學(xué)特征，千枚巖遇水易軟化，這便極易導(dǎo)致隧道出現(xiàn)變形、支護(hù)受損破壞，使得富水區(qū)的隧道施工遭遇塌方的風(fēng)險(xiǎn)較大。隧道塌方事故不僅會威脅施工人員的生命安全，影響工程建設(shè)進(jìn)度，還會增大工程建設(shè)成本。因此，在此地質(zhì)條件下開展隧道工程，需要針對其地質(zhì)條件的復(fù)雜性和未知性，進(jìn)行針對性的隧道塌方機(jī)理研究，并根據(jù)該地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)，優(yōu)化施工支護(hù)方案。

1 千枚巖塌方的成因分析

隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，公路隧道的施工水平和運(yùn)行安全性也在不斷提升，但由于地質(zhì)條件的約束，隧道塌方的問題仍然無法避免。尤其是在以千枚巖為圍巖主體的地段，中小型坍塌現(xiàn)象更加常見。這種坍塌會造成局部支護(hù)變形、產(chǎn)生大小不等的塌穴，還有可能坍塌到一定程度就趨于穩(wěn)定，這種塌方造成的損害較小，施工處理難度也較低。但有些塌方會繼續(xù)擴(kuò)大，并可能引發(fā)大的塌方，會威脅施工人員安全，因此需要及時(shí)處理、有效防控。關(guān)于塌方產(chǎn)生的原因，有些工程人員認(rèn)為，主要是由覆蓋層薄、斷層及設(shè)計(jì)偏差引起的，還有些工程人員認(rèn)為，是自身地質(zhì)條件差，加上襯砌施工滯后，初支施工質(zhì)量欠缺及對襯砌出現(xiàn)裂縫后的重視度不夠等導(dǎo)致的。關(guān)于軟弱千枚巖塌方，工程人員和學(xué)者一致認(rèn)為，隧道圍巖或者隧道洞口段千枚巖風(fēng)化嚴(yán)重，在以軟弱千枚巖為主的地質(zhì)條件下，降雨導(dǎo)致的地表滲水會弱化隧道圍巖，導(dǎo)致塌方。

對塌方事故產(chǎn)生的原因進(jìn)行歸總和整理，總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

第一，山區(qū)隧道埋深數(shù)值較大，在這種情況下，受地質(zhì)勘察技術(shù)、工程經(jīng)費(fèi)支出等多方面的約束，不可能提前預(yù)料到整個(gè)隧道的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素，導(dǎo)致在施工過程中會遇到一些突發(fā)事件，因?yàn)闆]有提前做好應(yīng)急處理措施，導(dǎo)致塌方事故產(chǎn)生。

第二，設(shè)計(jì)及施工的問題。隧道施工前期，由于欠缺經(jīng)驗(yàn)或者技術(shù)水平不足，對地質(zhì)條件預(yù)期存在偏差，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)存在缺陷，支護(hù)強(qiáng)度不夠，也有可能導(dǎo)致塌方事故。

第三，其他不可抗力因素。例如，強(qiáng)降雨導(dǎo)致隧道圍巖軟化、失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)塌方，地震對隧道圍巖造成極大干擾，形成塌方等。

2 千枚巖塌方的處理措施

對于軟弱千枚巖的地質(zhì)條件，需要施工單位及時(shí)變更施工支護(hù)參數(shù)，針對性地采取塌方處理措施。目前，千枚巖塌方的治理主要是采用分項(xiàng)處理措施。

第一，對于松散的千枚巖坍塌體，由于其自穩(wěn)能力極差，因此需要圍繞隧道圍巖承載能力的提升，采用超前錨桿、管棚法、注漿導(dǎo)管等進(jìn)行支護(hù)，控制住坍塌體區(qū)段的圍巖穩(wěn)定因素。

第二，針對塌方影響因素進(jìn)行針對性處理。軟弱千枚巖屬于較為典型的不良地質(zhì)條件，要采取圍巖注漿、噴錨加固、導(dǎo)管注漿等方式進(jìn)行治理。對于富水隧道，則要采取綜合治水措施，一方面采用注漿導(dǎo)管進(jìn)行有效堵水，減少水壓力；另一方面，加強(qiáng)排水，以更好地保護(hù)隧道圍巖的完整性。在施工過程中，還要針對工程進(jìn)展進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘察，結(jié)合工程實(shí)際情況，做好支護(hù)設(shè)計(jì)與施工參數(shù)的適時(shí)調(diào)整，以有效降低塌方風(fēng)險(xiǎn)。

3 軟弱千枚巖塌方處理案例分析

3.1 工程概況

少下梁隧道布設(shè)于舟曲縣少下梁村，為單洞雙車道雙向通行短隧道，隧道里程樁號K31+920～K32+325，長度為405m，隧道縱坡為2.7%，隧道最大埋深72m。

少下梁隧道屬構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)地貌，地勢起伏較大，相對高差80m。隧道進(jìn)出口山坡坡度較陡，一般為45～60。隧道頂部多剝蝕地貌，隧址區(qū)地層按其時(shí)代及成因分類，在勘察深度范圍內(nèi)從上而下地層為全新統(tǒng)坡積角礫、沖洪積物，局部夾漂石，下伏基巖層為志留系（S）中-上志留統(tǒng)白龍江群青灰色板巖。隧道圍巖級別為IV-V 級。

3.2 塌方基本情況及其分析

由于隧道周邊圍巖均為中風(fēng)化的千枚巖，屬于軟巖隧道，水文條件較發(fā)育，因此隧道施工過程中，曾發(fā)生多起塌方事故，現(xiàn)將較為典型的事故羅列如下。

2021年9月17日22∶30 左右，K32+064～K32+066初期支護(hù)在施工超前小導(dǎo)管時(shí)拱頂出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，及時(shí)撤離現(xiàn)場施工人員，至當(dāng)日23：30 左右，拱頂出現(xiàn)大面積塌方，致使已經(jīng)施工完成的2 榀鋼拱架及開挖臺車被壓毀。塌方處洞頂埋深約60m，塌腔具體大小不明。

2021年9月18日，對已施工完成的K32+064～K32+094 段增設(shè)雙排φ42×4mm 鎖腳錨管進(jìn)行加固。

2021年9月23日，業(yè)主組織各參建單位對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，并給出初步處理方案。2021年9月24日，根據(jù)處理方案對掌子面虛渣進(jìn)行C25 混凝土噴射封閉后，在K32+066 處做臨時(shí)套拱并施做φ108×6mm 超前大管棚并注漿，φ108×6mm 大管棚環(huán)向間距35cm，每根長21m，2021年10月21日注漿完成。

2021年10月22日22∶30，開始對掌子面塌方堆 積體進(jìn)行清理，清理過程中掌子面原塌腔處又出現(xiàn)掉落并將已施工完成的φ108×6mm 大管棚壓毀，管棚中有7 根管完全失效。之后對洞頂山體進(jìn)行勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)冒頂。

經(jīng)過對地質(zhì)條件的補(bǔ)充勘察，結(jié)合支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方案發(fā)現(xiàn)，該隧道施工過程中，頻繁出現(xiàn)塌方事故的原因主要是對地質(zhì)條件的了解不足，對圍巖級別的認(rèn)定出現(xiàn)了很大誤差，低估了圍巖的軟弱程度，導(dǎo)致支護(hù)設(shè)計(jì)不能滿足隧道施工的需求，參數(shù)嚴(yán)重偏低，且施工方法沒有綜合考慮圍巖自穩(wěn)能力極差的特性，沒有采用有效的施工控制方法，導(dǎo)致圍巖塌方事故屢次發(fā)生。同時(shí)，隧道施工區(qū)域的地下水豐富，施工過程中，沒有采取針對性的排堵措施，導(dǎo)致水侵蝕進(jìn)一步減弱了圍巖的自穩(wěn)能力，圍巖失穩(wěn)最終導(dǎo)致大面積塌方。

3.3 塌方處理方案設(shè)計(jì)

首先，結(jié)合該隧道塌方事故原因分析，提出塌方處理的方案設(shè)計(jì)，確定以下塌方處理措施。

第一，對洞內(nèi)掌子面塌方體回填反壓后噴射C20混凝土封閉洞渣巖面，厚度20cm。

第二，對K32+064～K32+094 段初期支護(hù)采用木垛進(jìn)行臨時(shí)支撐，間距200cm，施工過程中根據(jù)實(shí)際情況局部增設(shè)方木和工字鋼作為斜撐、橫撐，確保施工安全。

第三，在K32+064～K32+094 段初期支護(hù)拱架兩側(cè)拱腳附近各增設(shè)一對φ42×4mm 鎖腳錨管，鎖腳錨管長400cm，縱向間距100cm。

第四，在K32+064～K32+078 段采用?42×4mm 注漿小導(dǎo)管對拱部洞周圍巖進(jìn)行徑向注漿加固，導(dǎo)管長L-350cm，間距200cm（環(huán)）×150cm（縱），梅花狀布置，注漿范圍可根據(jù)現(xiàn)場初支開裂、滲水情況靈活調(diào)整。注漿漿液采用水泥—水玻璃雙液漿，水玻璃濃度控制在35 玻美度左右（模數(shù)2.4），水灰比可采用1∶1（根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定），注漿時(shí)初壓為0.5MPa，壓力先小后大或間歇式注漿。注漿過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測。

第五，在K32+068 處把原有鋼拱架鑿出一榀作為導(dǎo)向支撐，在其拱腹上部按照環(huán)向間距35cm，施做管棚φ108×6mm，單根長度21m，一環(huán)31 根，管棚縱向仰角度12，φ108×6mm 管棚導(dǎo)管內(nèi)插加勁筋鋼筋籠，主筋為3 根φ22 鋼筋，固定環(huán)采用φ42 熱軋無縫鋼管制作，每段長4cm，間距150cm，與主筋焊接（見圖1）。在K32+070 處把原有鋼拱架鑿出一榀作為導(dǎo)向支撐，在塌腔正下方補(bǔ)打φ108×6mm 大管棚12 根，管棚縱向仰角度15，管棚長度、間距等其余設(shè)計(jì)參數(shù)同K32+068 處管棚。在K32+069 處增設(shè)一環(huán)注漿鋼花管，鋼花管縱向仰角度35，長度16m，環(huán)向間距1m。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

第六，對K32+064～K32+078 段（初支已施工）二次襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，環(huán)向主筋型號由φ16 調(diào)整為φ25，縱向間距由25cm 調(diào)整為20cm。

第七，對K32+050～K32+064 段襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，初支全斷面封閉，拱架調(diào)整為I20a，間距50cm，噴混凝土，厚度為26cm。二次襯砌采用50cm 厚C30 鋼筋混凝土，環(huán)向主筋采用φ25 鋼筋，縱向間距20cm。前支護(hù)采用φ42×4.0 超前小導(dǎo)管，L=4.5m，間距150cm（縱）×35cm（環(huán)），a=30～45，超前小導(dǎo)管與管棚環(huán)向交錯(cuò)布置。拱部圍巖加固厚度應(yīng)不小于3m，結(jié)石率應(yīng)不小于85%。

第八，對地表塌坑進(jìn)行回填，回填采用摻4%水泥粉煤灰，回填厚度控制在5m 左右，頂部鋪設(shè)1m 厚黏土隔水層。塌坑周圍5m 處設(shè)置截水溝，防止雨水沿坡面進(jìn)入塌坑。

第九，加密K32+040～K32+080 段環(huán)向排水管，環(huán)向排水管間距由6m 一道調(diào)整為2m 一道，塌方段水量大時(shí)可增加至1m 一道。

第十，針對隧道軟弱千枚巖圍巖屬性，設(shè)計(jì)隧道施工支護(hù)方案。調(diào)整圍巖級別并實(shí)施V 級加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)處理。

3.4 施工處理及監(jiān)控量測

支護(hù)方面，用C30 鋼筋混凝土砌二襯，用土工布及EVA 防水板砌防水層，采用C20 噴射混凝土進(jìn)行一次初期支護(hù)和二次初期支護(hù)，確保初期支護(hù)為兩層，且兩層初期支護(hù)均布設(shè)小8 鋼筋網(wǎng)，用藥卷錨桿對圍巖進(jìn)行加固。

施工工序方面，采取三臺階法，開挖順序如圖2所示，依次為左上—右上—左中—右中—左下—右下，然后拆除臨時(shí)支護(hù)，并及時(shí)施作二次襯砌。

圖2 三臺階法施工工序圖示

監(jiān)控量測是信息化施工的基礎(chǔ)和新奧法施工體系中不可或缺的環(huán)節(jié)，主要是對圍巖變形和支護(hù)荷載等數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、高效的搜集。主要包括現(xiàn)場勘察，如掌子面的地質(zhì)勘察、支護(hù)裂縫及變形情況；隧道圍巖的水平收斂、拱頂圍巖的沉降、鋼架拱棚內(nèi)力等。每天進(jìn)行周期性的、全面的、全過程的監(jiān)控量測，及時(shí)搜集施工相關(guān)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)規(guī)律的分析，及時(shí)讓施工方了解到圍巖的變形情況和支護(hù)受力狀態(tài)，這樣就能采取針對性的調(diào)整措施，減少塌方事故和其他突發(fā)事故的發(fā)生，確保隧道施工的穩(wěn)定性。監(jiān)控量測的預(yù)警體系，能夠及時(shí)預(yù)報(bào)施工險(xiǎn)情，給施工方以應(yīng)對的時(shí)間和機(jī)會，進(jìn)而提升隧道施工的安全性。

4 結(jié)語

軟弱千枚巖隧道圍巖具有遇水軟化、易發(fā)生大變形、自穩(wěn)能力差等特點(diǎn)。在施工前加強(qiáng)地質(zhì)勘察，針對性地設(shè)計(jì)支護(hù)方案，并采取更科學(xué)的施工處理技術(shù)，提高圍巖的自穩(wěn)能力，有效控制塌方風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，除了加強(qiáng)支護(hù)以外，還應(yīng)該采取綜合治理措施及時(shí)治理地下水，以提高圍巖的承載能力。在實(shí)際施工過程中，注漿加固可以很大程度地提高圍巖的承載性能，適用于軟弱千枚巖的隧道加固。其他較為有效的施工處理技術(shù)還有三臺階法，初支與臨時(shí)支護(hù)承載比例更大，圍巖受力更小，能夠控制圍巖變形總量及變形速度，適當(dāng)調(diào)整二襯支護(hù)時(shí)機(jī)，能夠充分發(fā)揮二襯材料的優(yōu)勢，有利于改善圍巖受力和大變形，防止圍巖失穩(wěn)破壞。相信隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道施工的安全性和穩(wěn)定性將會不斷提高，隧道工程質(zhì)量也會得到更有力的保障。