高含水率黃土公路隧道塌方涌泥處理方案

趙 棟

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 721000)

洞室開挖解除了拱頂圍巖的豎向支撐，拱部圍巖將向下發(fā)生變形，越軟弱的的圍巖底部成梁作用和側(cè)向抗剪作用越弱，變形區(qū)范圍越大。由于各層圍巖性質(zhì)的差異，開挖后空洞上方柱體圍巖的重力平衡由原來(lái)的均勻體轉(zhuǎn)變?yōu)榭锥瓷戏絿鷰r失去支撐后的成梁作用與洞頂圍巖柱體四周剪力或摩阻力共同提供。軟弱的圍巖轉(zhuǎn)換過程持續(xù)時(shí)間較久，對(duì)洞頂影響范圍越大。對(duì)黃土隧道而言，自然沉積久遠(yuǎn)且未經(jīng)水?dāng)_動(dòng)的黃土具有一定的粘結(jié)力，保留一定的成梁能力和抗剪強(qiáng)度，塌方常沿節(jié)理面或軟弱面產(chǎn)生，不致連鎖反應(yīng)至地表。但當(dāng)受地下水?dāng)_動(dòng)時(shí)，黃土飽和將失去自穩(wěn)能力，塌方可以發(fā)展至地表產(chǎn)生冒頂。其原因多為土柱下方無(wú)成梁可以阻止變形，變形的增加導(dǎo)致滑動(dòng)面的形成而出現(xiàn)空腔，空腔導(dǎo)致四周腔壁失穩(wěn)，該過程連鎖上行成為漏斗狀陷坑。在完全沒有自穩(wěn)能力的黃土隧道段落，如果不進(jìn)行圍巖預(yù)加固，單純采取普通的常規(guī)支護(hù)由于初支不密貼和剛度不足的問題，無(wú)法阻止土體位移，產(chǎn)生較大規(guī)模塌方的概率增加，影響了施工安全性的同時(shí)也增加了工程造價(jià)。本文以西安外環(huán)高速公路白鹿原隧道黃土隧道塌方處理實(shí)踐為例，介紹高含水率黃土隧道的的塌方處理方案。

1 隧道概況

西安外環(huán)高速公路白鹿原隧道采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，最大埋深135 m，隧道全長(zhǎng)2 820 m，最大埋深133 m。該隧道共設(shè)置車行橫洞3處、人行橫洞8處。隧道進(jìn)口左右線間距最小為37.0 m，出口左右線間距最小為34.3 m。

隧道洞身段位于黃土塬下部含水層內(nèi)，該段塬面起伏變化較大，塬面自東南向西北傾斜，海拔680～780 m，東北側(cè)高出灞河240～320 m，西南側(cè)高出浐河150～200 m。隧址區(qū)揭露地層由老至新依次有新近系泥巖，中更新統(tǒng)黃土(Q2eol)和上更新統(tǒng)黃土(Q3eol)。隧道涌水量較大，左線達(dá)到13 494 m3/d，右線為13 477 m3/d。隧道所在塬面起伏變化較大，塬面自東南向西北傾斜，海拔680～780 m，東北側(cè)高出灞河240～320 m，西南側(cè)高出浐河150～200 m。隧道大部位于飽和黃土層內(nèi)，為典型的高含水率黃土公路隧道。

2 塌方情況

自雨季以來(lái)隧址區(qū)域連續(xù)強(qiáng)降雨影響，塌方涌泥、冒頂段落圍巖長(zhǎng)時(shí)間受大氣降雨補(bǔ)給，含水量增大，使圍巖全部泥化，完全失去自穩(wěn)能力，開挖車行橫洞時(shí)發(fā)生了塌方。洞內(nèi)出現(xiàn)了較大規(guī)模涌泥，塌方兩側(cè)涌出，擠進(jìn)主洞，洞頂出現(xiàn)圓形冒頂，地表出現(xiàn)了較大陷坑，如圖1所示。

圖1 地表陷坑與洞內(nèi)涌泥情況

2.1 塌方經(jīng)過

隧道出口準(zhǔn)備開始破除車行橫洞預(yù)留洞口初期支護(hù)，切割二襯混凝土，準(zhǔn)備車行橫洞施工。9月28日凌晨，開始切割車行橫洞預(yù)留洞口拱架，拱架切割完成后，車行橫洞掌子面拱部范圍發(fā)生滑塌，土體滑移至主洞，距離約5 m，整體呈斜面狀?；l(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)采取了噴射混凝土加泵送混凝土等措施進(jìn)行封閉，隨后拉土反壓。

2.2 原設(shè)計(jì)情況

原設(shè)計(jì)該段主洞圍巖為V級(jí)圍巖，洞室埋深約60 m，洞室圍巖主要為新近系泥巖泥質(zhì)膠結(jié)、Q3黃土及Q2黃土，遇水、暴露黃土遇水軟化。圍巖穩(wěn)定性差，可能出現(xiàn)坍塌，地下水富集，開挖過程中可能出現(xiàn)突水、涌水現(xiàn)象。從開挖及塌方情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)情況基本與勘察資料一致。

該段原設(shè)計(jì)車行橫洞的支護(hù)參數(shù)為超前支護(hù)采用加強(qiáng)超前支護(hù)類型，環(huán)向間距40 cm。初期支護(hù)：鋼架采用I18工字鋼，加強(qiáng)段縱向間距60 cm，普通段縱向間距80 cm；Φ8單層鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；24 cm厚C25噴射混凝土，系統(tǒng)錨桿采用Φ22藥卷錨桿，長(zhǎng)3.5 m，環(huán)向、縱向間距1 m；鎖腳采用Φ22錨桿，長(zhǎng)度3 m。設(shè)計(jì)預(yù)留變形量10 cm。模筑C35混凝土襯砌厚40 cm。

主洞與車行橫洞交叉段的支護(hù)參數(shù)主要為超前支護(hù)采用Φ50 mm×4 mm超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)5 m，環(huán)向間距40 cm。初期支護(hù)：鋼架采用I25a工字鋼，縱向間距50 cm；Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；31 cm厚C25噴射混凝土，系統(tǒng)錨桿采用Φ22藥卷錨桿，長(zhǎng)4.5 m，環(huán)向、縱向間距1 m；鎖腳采用Φ50 mm×4 mm鋼管，長(zhǎng)度5 m。設(shè)計(jì)預(yù)留變形量25 cm。模筑C35混凝土襯砌厚65 cm。

2.3 塌方原因

塌方段受連日降雨影響，洞周土體已趨飽和。加之隧道位于含水黃土層內(nèi)，塬心地下水位較高，黃土塬附近秦嶺各峪口地下水補(bǔ)給來(lái)源較多，圍巖富水無(wú)自穩(wěn)能力。經(jīng)開挖擾動(dòng)后，洞頂土體失去約束后向洞內(nèi)蠕變使初支發(fā)生變形，松動(dòng)圈的位移層層傳導(dǎo)增大初支結(jié)構(gòu)受力。最終越過極限平衡狀態(tài)，在塌方瞬間由于沖擊作用產(chǎn)生更大空腔?？涨灰l(fā)洞室上方土體連鎖反應(yīng)直至地表。

3 塌方處理方案

3.1 緊急處理預(yù)案

塌方發(fā)生后采用緊急預(yù)案盡可能減少次生施工風(fēng)險(xiǎn)。為了穩(wěn)固掌子面圍巖，便于地質(zhì)災(zāi)害處理，同時(shí)保證不發(fā)生次生災(zāi)害，首先進(jìn)行坡面防護(hù)與坍塌體加固，再進(jìn)行車行橫洞封堵。

(1)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，待塌方體穩(wěn)定后，再開始應(yīng)急處置施工。

(2)反壓塌方體。安排隨車吊，運(yùn)送預(yù)壓墩袋，將墩袋吊運(yùn)至坍塌體坡腳位置，碼放兩層，固定坡腳。

(3)塌方體加固。對(duì)整個(gè)坡面進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿防護(hù)，同時(shí)設(shè)置泄水孔，將涌出來(lái)的泥固定。

(4)抽排積水。對(duì)塌方體積水進(jìn)行抽排，防止長(zhǎng)時(shí)間浸泡塌方體。

(5)車行橫洞封堵。待整個(gè)坡面掛網(wǎng)噴漿施工結(jié)束后，在車行橫洞口，采用人工裝填碎石砂袋，對(duì)車行橫洞口進(jìn)行反壓回填處理。車行橫洞口反壓后，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，設(shè)置泄水孔排水，再噴射混凝土，將車行橫洞口完全封閉。

(6)采用鍍鋅鐵絲石籠對(duì)塌方體涌泥進(jìn)行支擋。

(7)對(duì)洞頂塌陷外周安裝圍擋。沿冒頂范圍四周安裝圍擋，將整個(gè)冒頂區(qū)域完全封閉。并設(shè)置足夠的警示標(biāo)牌、爆閃燈等，禁止無(wú)關(guān)人員靠近。

(8)挖天溝截水。沿冒頂范圍四周，挖截水溝，確保塌陷體四周排水通暢。

(9)洞頂彩條布覆蓋。為防止?jié)B水進(jìn)一步進(jìn)入圍巖，采用彩條布對(duì)塌陷體進(jìn)行覆蓋處理。先在塌陷體上方拉鋼絲繩，組成防護(hù)網(wǎng)，再在防護(hù)網(wǎng)上面覆蓋彩條布，阻止雨水進(jìn)入塌陷體。待天氣好轉(zhuǎn)，再進(jìn)行塌陷體回填處理。

3.2 塌方治理方案

結(jié)合塌方實(shí)際情況，初步建議現(xiàn)場(chǎng)采用地表+洞內(nèi)處理方式進(jìn)行塌方處理。對(duì)洞內(nèi)塌方體采用大管棚進(jìn)行上半斷面帷幕注漿。同時(shí)對(duì)洞內(nèi)情況進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。視變形情況進(jìn)行處治。洞內(nèi)的后期加固應(yīng)在地表加固完成后方可實(shí)施。同時(shí)在地表對(duì)隧道周邊圍巖采用垂直高壓旋噴樁加固處理。采用地表高壓旋噴樁施工加固圍巖不僅可以起到防滲帷幕作用，同時(shí)固結(jié)塌方體，增大粘聚力和內(nèi)摩擦角，提高土體強(qiáng)度，防止出現(xiàn)坍塌，可以限制地下水的滲流，降低動(dòng)水壓力，為洞內(nèi)進(jìn)行加固處理提供安全的施工環(huán)境。地表高壓旋噴漿施工時(shí)樁徑可采用Φ600～800 mm，加固范圍內(nèi)梅花形布置，樁間距根據(jù)樁徑和范圍靈活設(shè)置。目前高壓旋噴樁工法主要有RJP和MJS兩種，較先進(jìn)的工法實(shí)現(xiàn)了地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)和孔內(nèi)強(qiáng)制排漿，防止地表隆起并提升了注漿效果，施工時(shí)對(duì)地表及周邊影響較小，并最大限度的保證施工加固效果。通過地表高壓旋噴，可以極大的對(duì)洞周圍巖進(jìn)行改良，從而提高圍巖自穩(wěn)能力。

高壓旋噴樁采用三管法施工，其中水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。樁身28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于2.0 MPa，室內(nèi)混合料試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度不宜小于3.0 MPa。施工前先進(jìn)行成樁實(shí)驗(yàn)性施工，以確定適用于本黃土地層的水泥漿濃度、冒漿量、噴射壓力、旋噴提升速度等施工工藝參數(shù)，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定質(zhì)量評(píng)定和檢驗(yàn)方法。為正式施工提供依據(jù)，試樁數(shù)量不得少于5根。最終要對(duì)加固效果和范圍進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)施過程應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)及地表監(jiān)控量測(cè)，出現(xiàn)異常及時(shí)預(yù)警、及時(shí)處置。

地表垂直高壓旋噴僅在洞室隔水層上方10 m以下范圍內(nèi)旋噴，底部成樁盡可能對(duì)洞室行車幕墻圍護(hù)，在施工能力和造價(jià)控制方面進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。鉆孔上方鉆孔利用冒漿填充，最后采用種植土進(jìn)行孔鉆孔頂段回填處理，地表旋噴完后對(duì)塌陷區(qū)域進(jìn)行二次處理，確保塌方上方土體不致匯水。具體的塌方處理方案應(yīng)根據(jù)各方案步驟的處理效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際處治效果靈活調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

黃土隧道塌方治理無(wú)論是施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)都較大。且黃土隧道的塌方原因較為復(fù)雜，涉及到設(shè)計(jì)理念、技術(shù)方法和管理手段等不同層面的問題。只有采取合理的隧道開挖及支護(hù)方法，才能防患于未然，將塌方事故風(fēng)險(xiǎn)降低到最低。在施工中對(duì)判定為失去自穩(wěn)能力的高含水率隧道，不應(yīng)一律套用柔性襯砌和圍巖變形時(shí)機(jī)支護(hù)理念，特別是對(duì)一些穿越重要段落的隧道，可以預(yù)加固、盾構(gòu)或預(yù)制拼裝襯砌為備選方案進(jìn)行各方面比選，復(fù)合式襯砌應(yīng)結(jié)合圍巖預(yù)加固等手段充分控制變形及早控制圍巖位移，減少進(jìn)尺長(zhǎng)度加快初支剛度和施工速度，或提前形成加固圈，盡可能減少被動(dòng)式的阻止黃土地層變形。對(duì)位于含水層的洞室應(yīng)盡可能采取抬高路線或繞避方案。不可繞避的情況下采用盾構(gòu)施工造價(jià)過高，一次模筑施工速度太慢，或許采取機(jī)械化開挖拼裝一體臺(tái)車從而快速拼裝預(yù)制管片也可能是解決高含水率黃土隧道施工難題的有效途徑之一。