超大跨度改擴(kuò)建隧道深塌方冒頂處理技術(shù)

閆憲政

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司,北京 101500)

0 引 言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的跨越式發(fā)展,隧道改擴(kuò)建工程在國(guó)內(nèi)越來越多。然而,在隧道改擴(kuò)建施工過程中,塌方冒頂事故時(shí)有發(fā)生,給工程安全和人員生命帶來嚴(yán)重威脅。特別是對(duì)于超大跨度改擴(kuò)建隧道工程,由于其工程規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜,塌方冒頂事故發(fā)生的概率更大[1]。因此,開展超大跨度改擴(kuò)建隧道深塌方冒頂處理技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)擴(kuò)建隧道在擴(kuò)挖施工過程中發(fā)生的冒頂進(jìn)行技術(shù)研究,綜合采用超前支護(hù)、護(hù)拱法穩(wěn)固初期支護(hù)、超前注漿、系統(tǒng)錨桿、分區(qū)開挖、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等技術(shù)有效地處理塌方冒頂段落。

1 現(xiàn)有隧道基本情況

原隧道修建于二十世紀(jì)六七十年代,斷面形式為直墻拱形單層襯砌,主洞標(biāo)準(zhǔn)襯砌厚度0.7～1.0 m,口部加強(qiáng)段襯砌厚度0.8～1.3 m,施工現(xiàn)場(chǎng)揭露襯砌內(nèi)為2～3層鋼筋,隧道襯砌結(jié)構(gòu)為2 m左右一環(huán),每環(huán)間設(shè)置榫槽狀施工縫。限于當(dāng)時(shí)的爆破方式和襯砌施工水平,施工過程中在既有隧道外側(cè)存在大量超挖空洞和施工導(dǎo)洞,在施工完畢后均采用木材、片石、碎石、鋼軌等回填,同時(shí)開挖腔壁由于多年來不斷松動(dòng),巖石松動(dòng)圈范圍不斷擴(kuò)大,與回填雜物共同組成了既有隧道外側(cè)較大范圍的松散地層。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱少雨,春季多風(fēng)沙,秋季秋高氣爽。地層巖性為出露棕褐色黏土、亞黏土與黃褐色沙土,河流沖擊區(qū)間或雜有礫石,土層較厚,含有較豐水肥,形成適于各種植物和農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤基礎(chǔ)。

既有襯砌澆筑完成后,超挖、坍塌部分無處理措施,幾十年以來內(nèi)部空間一直坍塌發(fā)展,內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜。原隧道襯砌凈空跨度14 m,拱頂凈高 6 m。單側(cè)橫向擴(kuò)挖8 m,高度擴(kuò)挖2 m;改擴(kuò)建后隧道開挖寬度最大為26 m,拱頂最大開挖高度 9.5 m,襯砌凈跨度22 m,凈高8 m。本工程開挖施工至K0+149處,K0+149～K0+179段落冒頂,地面至拱頂實(shí)測(cè)高差57 m,塌坑地表直徑11 m,面積94.98 m2。

對(duì)既有隧道軸線布設(shè)7條測(cè)線以地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)襯砌背后空腔及回填情況,通過加密地勘鉆孔、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)判斷,既有結(jié)構(gòu)背后不同程度地存在空腔或松散堆積體、原木、鋼軌、塊石等回填物,高度為2.4～24.9 m,無規(guī)則分布、貫穿整個(gè)隧道。擴(kuò)建施工時(shí)多次發(fā)生拱部松散堆積體、回填物垮塌及溜坍,最終壓潰既有初支結(jié)構(gòu),形成大規(guī)模冒頂。

2 原因分析

塌方發(fā)生后技術(shù)人員對(duì)塌方冒頂?shù)乃淼拦こ踢M(jìn)行實(shí)地考察,了解現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、施工環(huán)境以及塌方冒頂?shù)木唧w情況,通過測(cè)量?jī)x器取得現(xiàn)場(chǎng)第一手資料。設(shè)計(jì)單位利用數(shù)值模擬軟件,對(duì)隧道施工過程中的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)進(jìn)行模擬分析,探究塌方冒頂?shù)男纬蓹C(jī)理。在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),包括土體強(qiáng)度試驗(yàn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)等,以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。通過實(shí)地考察、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的綜合分析,得出以下結(jié)論。

(1)地質(zhì)條件是導(dǎo)致超大跨度改擴(kuò)建隧道深塌方冒頂?shù)闹饕蛑?。在?fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下,隧道開挖容易引起應(yīng)力重分布,從而導(dǎo)致塌方冒頂。

(2)不合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是導(dǎo)致塌方冒頂?shù)闹匾蛑?。在超大跨度改擴(kuò)建隧道工程中,支護(hù)結(jié)構(gòu)需要承受更大的荷載,若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,容易造成支護(hù)失效,進(jìn)而引發(fā)塌方冒頂。

(3)施工方法的選擇對(duì)于防止塌方冒頂至關(guān)重要。合理的施工方法可以降低塌方冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn),例如采用超前大管棚預(yù)加固、超前注漿預(yù)加固、系統(tǒng)錨桿、小斷面開挖等施工工藝可以有效提高隧道施工的安全性。

(4)不合理的爆破施工參數(shù)也是導(dǎo)致塌方冒頂?shù)闹匾蛑?。在超大跨度改擴(kuò)建隧道工程中,爆破施工參數(shù)的選擇直接影響隧道圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。若爆破施工參數(shù)選擇不當(dāng),容易造成圍巖破壞、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效,進(jìn)而引發(fā)塌方冒頂。

3 處理方法

3.1 塌方處理原則

(1)總體原則:結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮塌方體開挖施工階段及使用運(yùn)營(yíng)階段圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力安全性。塌方體開挖施工階段按照施工分塊分步開挖,模擬施工開挖過程。通過數(shù)值計(jì)算得到場(chǎng)地范圍內(nèi)塌方體的變形情況和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力大小,根據(jù)隧道處理塌方體過程中的塑性區(qū)分布對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,充分利用管棚、錨桿來提高圍巖、塌方體自身的成拱效應(yīng)和自身承載性能,采用大管棚+巖石錨桿+初期支護(hù)+分塊開挖方式,確保開挖過程中隧道圍巖處于安全狀態(tài)。

(2)應(yīng)力分析:隧道各部位荷載由主要荷載(塌方體壓力、結(jié)構(gòu)自重、水壓力以及使用荷載)、附加荷載(注漿壓力、局部落石荷載和施工荷載等)以及特殊荷載(地震荷載、爆炸荷載等)組成。確定了支護(hù)體系由圍巖自身(經(jīng)管棚、系統(tǒng)錨桿、長(zhǎng)錨桿注漿改良加固后的圍巖)、初期支護(hù)、二次襯砌三者共同受力[2]。

(3)洞外處理原則:洞外首先將裸露塌方處進(jìn)行保護(hù),開挖截水溝,做好安全防護(hù),穩(wěn)定后及時(shí)對(duì)塌方周邊山體進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用刷坡減載、錨網(wǎng)噴支護(hù)等方式進(jìn)行加固。

(4)洞內(nèi)處理原則:本處塌方位于軟弱圍巖破碎帶位置,風(fēng)險(xiǎn)較大,洞內(nèi)要封閉塌體四周,并對(duì)既有初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)并做好監(jiān)測(cè),防止塌方體繼續(xù)蔓延。待二次襯砌緊跟封堵墻并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,再進(jìn)行開挖處理。

(5)關(guān)鍵因素:處理塌方的關(guān)鍵是提升帷幕注漿加固效果,注漿是穩(wěn)固塌方松散體的重要手段,通過注漿固結(jié)塌方體結(jié)構(gòu),使之能夠承受一定的自重和土壓力,保證開挖操作安全通過塌方區(qū)域,在二次襯砌結(jié)構(gòu)完成之前保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.2 地表處理措施

(1)塌坑范圍設(shè)置警戒線確保人員及機(jī)械設(shè)備安全,周邊圍巖穩(wěn)定情況下沿塌坑四周外5 m設(shè)置截水溝,并設(shè)置硬質(zhì)隔離圍擋及各類警示標(biāo)識(shí),待該段隧道二次襯砌完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后分層夯實(shí)回填密實(shí)。

(2)在塌體周邊穩(wěn)定情況下,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況自上而下對(duì)塌坑周邊山體進(jìn)行刷坡減載,坡面掛網(wǎng)噴錨防護(hù),并及時(shí)埋設(shè)沉降觀測(cè)樁進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.3 隧道內(nèi)處理措施

(1)在塌方塌腔段前后各20 m設(shè)置工字鋼護(hù)拱(I25a工字鋼鋼架,2 m/榀)確保已完工程實(shí)體穩(wěn)定。

(2)在擴(kuò)挖側(cè)設(shè)置反壓堆渣和中隔壁臨時(shí)支撐,在拆除側(cè)設(shè)置封堵墻兼止?jié){端墻(500 mm厚,C25素混凝土)保證塌體范圍不擴(kuò)大。

(3)對(duì)封堵墻后的剩余空隙進(jìn)行回填密實(shí),與堆積渣土形成反壓,穩(wěn)固塌方范圍,防止其進(jìn)一步擴(kuò)大。

(4)對(duì)塌腔底部堆積體通過注漿花管在止?jié){墻上進(jìn)行“四周帷幕深孔注漿加固”,并對(duì)注漿管的角度、壓力等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使塌腔脫落、溜塌對(duì)工程實(shí)體的沖擊得到有效的緩沖。注漿花管為70 mm 熱軋無縫鋼管。注漿材料主要為P·O 42.5硅酸鹽水泥單液漿,輔以普通硅酸鹽水泥和水玻璃雙液漿。P·O 42.5硅酸鹽水泥與單液漿的水灰比為0.6∶1～1∶1,P·O 42.5硅酸鹽水泥與水玻璃雙液漿的配比為(1∶1)∶1。

(5)在注漿加固達(dá)到25 MPa后,采用“Φ108 mm大管棚”的注漿方式,通過擴(kuò)挖側(cè)和兩面封墻設(shè)置管棚穿越塌體,防止零星流土掉塊;該管棚材料為外徑108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管和鋼花管,口內(nèi)設(shè)有止?jié){閥,超前管棚長(zhǎng)30 m,中鄰處側(cè)向管棚長(zhǎng)18 m。

(6)用孔內(nèi)成像法、P-Q-T曲線分析法對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)估,確保注漿效果及周邊帷幕注漿加固+108 mm大管棚穩(wěn)固后施工開挖的安全。

(7)待前后段落二次襯砌施工至封堵墻且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,破除封堵墻開挖既有混凝土拆除側(cè)隧道。掘進(jìn)施工采用上下臺(tái)階法掘進(jìn),隧道初支參數(shù)采用I25A鋼拱架+Φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)片+C25噴涂混凝土封閉,鋼構(gòu)件廠集中加工鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片,現(xiàn)場(chǎng)安裝。中間設(shè)置臨時(shí)中隔壁,中隔壁采用I25A臨時(shí)豎撐+Φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)片+C25噴涂混凝土封閉,下臺(tái)階底部設(shè)置I25A臨時(shí)仰拱+Φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)片+C25噴涂混凝土封閉,各循環(huán)進(jìn)尺在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制,各循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺的長(zhǎng)度不應(yīng)>1 m鋼架間距,在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制。

(8)隧道開挖后初期支護(hù)及中隔壁應(yīng)及時(shí)設(shè)置并封閉成環(huán),嚴(yán)禁采用長(zhǎng)臺(tái)階施工。初支形成后對(duì)上方堆積體進(jìn)行徑向注漿,注漿范圍為拱頂以上10 m,對(duì)松散堆積體進(jìn)行由下向上、由外向內(nèi)、間隔跳孔注漿施工作業(yè)。注漿固結(jié)完畢后對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn),合格后方可進(jìn)行下部施工。

(9)然后進(jìn)行本段二次襯砌,并對(duì)二襯進(jìn)行加強(qiáng)配筋;襯砌施工采用盤扣支架+拱架支撐工藝,保證施工安全。

(10)襯砌施工完成后,強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值再進(jìn)行冒頂空腔回填。上方塌腔進(jìn)行回填處理,回填主要靠自然密實(shí),故分層回填并留足自然沉降時(shí)間,下層土密實(shí)后再回填上一層土,并在回填混凝土?xí)r加入部分廢棄鋼筋、網(wǎng)片等增強(qiáng)回填整體性。

3.4 監(jiān)控量測(cè)

控制標(biāo)準(zhǔn)為:凈空變化速度持續(xù)>5.0 mm/d時(shí),圍巖處于急劇變形狀態(tài),加強(qiáng)初期支護(hù),密切監(jiān)視,必要時(shí)暫停施工。水平收斂(拱腳附近)速度<0.2 mm/d,拱頂下沉速度<0.15 mm/d,圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定,可以進(jìn)入下一步施工。

(1)通過預(yù)埋檢測(cè)點(diǎn)位,動(dòng)態(tài)的掌握圍巖和支護(hù)的變形情況,進(jìn)行日常施工動(dòng)態(tài)管理。

(2)驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果,及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法。

(3)確保隧道工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,確定二次襯砌時(shí)間。

(4)將監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果反饋于設(shè)計(jì)及施工中。

(5)了解隧道施工對(duì)附近既有構(gòu)筑物的影響。

(6)累積量測(cè)數(shù)據(jù),為信息化設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

3.5 主要注意事項(xiàng)

(1)隧道施工以“穩(wěn)”為主,初期支護(hù)“寧強(qiáng)勿弱”,開挖盡量采用弱爆破或不爆破采用機(jī)械開挖,在確保安全的前提下確保施工進(jìn)度。

(2)施工中,應(yīng)派專人值班,及時(shí)觀察圍巖狀況及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。有異常情況及時(shí)匯報(bào),及時(shí)采取施工措施,確保施工安全。

(3)隧道開挖應(yīng)采用“多打孔,少裝藥,弱爆破,輕擾動(dòng)”,盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),現(xiàn)場(chǎng)管理人員應(yīng)引起高度重視。

(4)開挖輪廓線應(yīng)采用全站儀測(cè)量進(jìn)行精準(zhǔn)控制,輪廓線和炮眼位置進(jìn)行精確定位測(cè)定。

(5)開挖爆破作業(yè)不得危及支護(hù)結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備及人員安全,鉆眼及裝藥應(yīng)分區(qū)定人。爆破后應(yīng)及時(shí)清理危石,清理工作宜采用機(jī)械作業(yè)。

(6)挖、裝、運(yùn)設(shè)備應(yīng)處于良好狀態(tài),必須定期檢查運(yùn)輸車輛的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和安全裝置。設(shè)置反光警示標(biāo)志、禁行和緩行標(biāo)志,避免通行機(jī)械車輛碰撞,安全員應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)指揮。

(7)隧道開挖周期較長(zhǎng),安全隱患陡增,要求架子隊(duì)指定專人調(diào)度指揮,車輛行車速度控制在5 km/h,施工照明、通風(fēng)良好。

(8)施工期間,現(xiàn)場(chǎng)施工負(fù)責(zé)人會(huì)同安全、技術(shù)、測(cè)量人員對(duì)各部位支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢查。

(9)錨桿的質(zhì)量、長(zhǎng)度,錨噴混凝土的質(zhì)量、厚度,以及鋼拱架的安設(shè)位置、間距等應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)要求[3]。

(10)測(cè)量數(shù)據(jù)上傳量測(cè)群由大家進(jìn)行分析;若出現(xiàn)溜坍或者變形異常情況,人員機(jī)械立即撤出,并上報(bào)項(xiàng)目部。

4 應(yīng)急預(yù)案

針對(duì)可能發(fā)生的塌方冒頂事故,制定詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行演練。提高現(xiàn)場(chǎng)人員的應(yīng)急處理能力,確保在事故發(fā)生時(shí)能夠迅速、有效地進(jìn)行救援。同時(shí),應(yīng)配備足夠的應(yīng)急設(shè)備和物資,以便在緊急情況下及時(shí)投入使用。應(yīng)急處置措施如下。

(1)發(fā)生隧道坍塌事故后,要立即停止施工生產(chǎn),封閉作業(yè)區(qū)域,及時(shí)報(bào)告。

(2)要立即搶救傷員,及時(shí)使傷員脫離危險(xiǎn)區(qū),防止事故擴(kuò)大,同時(shí)有必要在現(xiàn)場(chǎng)采取緊急救護(hù)方案,若受外傷,可用溫開水洗傷,再用干凈繃帶或布類包扎。

(3)要迅速備車或呼叫救護(hù)車將傷員送往醫(yī)院或急救中心,搶救時(shí)應(yīng)注意到傷害部位,盡可能送往?？漆t(yī)院。

(4)要迅速保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),在事故調(diào)查人員趕到施工現(xiàn)場(chǎng)前,要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的原始狀態(tài),事故現(xiàn)場(chǎng)前后范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置警戒,派專人看守,或用硬質(zhì)隔離等方法標(biāo)示出警戒區(qū),禁止無關(guān)人員進(jìn)入保護(hù)范圍,采取搶險(xiǎn)、急救措施時(shí)要做好現(xiàn)場(chǎng)變動(dòng)記錄和拍照、錄像。

(5)在事故原因未查明、未采取有效防護(hù)措施之前,嚴(yán)禁繼續(xù)施工,必須經(jīng)事故調(diào)查組同意后方可恢復(fù)生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

擴(kuò)建隧道相較于新建隧道地質(zhì)條件更加復(fù)雜,尤其是隧道建成年代較遠(yuǎn),圍巖極為松散,開挖跨度26 m,且塌方直徑12 m,深度57 m,安全風(fēng)險(xiǎn)高,施工難度大。主要就施工中如何處理超大跨度擴(kuò)建隧道深塌方段落進(jìn)行了工程實(shí)踐,通過綜合采用超前管棚支護(hù)、超前注漿加固、護(hù)拱法加固初期支護(hù)、系統(tǒng)錨桿、監(jiān)控量測(cè)等常見的隧道支護(hù)方法,及時(shí)地對(duì)塌方體隧道進(jìn)行穩(wěn)固。