徐治中

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 問題的提出

近幾年來,隨著高速鐵路的建設,大斷面山嶺隧道的建設規(guī)模越來越大,由于受各種因素限制,往往隧道不能做到大面積高密度的勘探,導致設計、施工人員對隧道的地質情況認識不透徹,施工時所遇到的地質情況和設計采用的地質情況不完全相吻合,再加上有時施工方法不當,所以塌方就成為隧道施工中常遇到的工程事故之一。眾所周知,導致隧道塌方的因素有多種,概括起來主要有：自然因素,主要是地質情況的不確定性因素,即地層狀態(tài)、初始應力狀態(tài)、地下水變化等；另外就是人為因素,主要是對新奧法理論認識不足；施工方法和措施不當；操作工藝欠佳等。一旦發(fā)生塌方,往往會給施工帶來更大困難,延誤工期和造成不必要的經濟損失。根據目前文獻報道的隧道塌方多是在洞身圍巖較差或洞身圍巖整體較差,僅局部較好,或洞身圍巖一側較好,一側較差,這樣的圍巖情況往往導致隧道塌方從掌子面沿隧道走向向前方或掌子面后方形成一個由幾米到幾十米的半橢圓狀塌腔。但有時由于圍巖所含巖石礦物成分、結構、構造及節(jié)理狀況不同,抗風化能力不一致,形成差異風化,一般拱頂圍巖自承能力較差,隧道塌方易在隧道正上方形成一個近似圓錐形的塌腔,結合盤道嶺隧道進口段施工期間塌方情況,探討形成這種塌腔的塌方原因,提出處治該種塌腔的隧道塌方方案。以為同類工程提供寶貴的設計施工經驗。

2 工程背景

盤道嶺隧道為某城際鐵路中最長的隧道,隧道全長1 352 m,進口里程DK49+038,出口里程DK50+390。隧址區(qū)為低山丘陵區(qū),植被發(fā)育,林木茂密,進出口段各400 m左右埋深較淺,10～70 m,山體坡度較緩。

隧道按時速250 km設計,隧道斷面形式為單心圓,內輪廓最大寬度為12.8 m,初期支護采用錨噴網+鋼支撐,必要時采取小導管等超前支護,襯砌采用曲墻復合式襯砌形式,采用模筑鋼筋混凝土。

2.1 地質狀況

隧道塌方段所在區(qū)域范圍內對工程有影響的構造：是隧道進口端IDK49+420處存在一節(jié)理裂隙破碎帶：據鉆孔揭示破碎帶內安山巖節(jié)理裂隙極發(fā)育,巖芯破碎,采取率極低,多呈10～20 mm角礫,局部巖芯手可掰碎,并含有基巖裂隙水,對工程影響較大。

該段范圍內地層為上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質黏土,主要分布于地表,厚0.6～4.5 m,硬塑,土質不均勻,含角礫及碎石,表層0.3～0.6 m厚多為種植土,含植物根系。粉質黏土層下主要為粗、細角礫土,厚5～7 m,棱角狀～次棱角狀,一般粒徑2～60 mm,占60%～85%,最大粒徑200～300 mm,局部地段夾有厚約1 m的粉質黏土層,潮濕～飽和,密實。地層下伏基巖為二疊系上統(tǒng)安山巖,灰褐色,灰綠色,弱風化～強風化。巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育～發(fā)育,巖體完整性較差,巖芯多呈角礫狀、碎石狀,偶見花崗巖脈。以上可見洞身段圍巖差異性風化嚴重。

2.2 施工方案

塌方區(qū)處于隧道進口段,埋深約24 m,設計該段隧道為Ⅳ級圍巖,最大開挖寬度14.2 m,按新奧法原理設計施工,采用上、中、下3個臺階開挖(上臺階高約3.8 m,中臺階高約4.5 m,下臺階高約3.6 m),光面爆破,機械無軌運輸出砟。初期支護以錨噴網支護為主,并輔以18號工字鋼架支撐,1榀/m；一般采用錨桿超前支護,對Ⅳ級圍巖的局部破碎地段使用超前小導管支護。二次襯砌采用全斷面模板臺車一次性整體澆筑。

2.3 塌方情況

當隧道進口掘進到里程IDK49+327時,上午9：00放炮,爆破段落IDK49+327～331.4,12：00開始出砟,出砟后0.5 h掌子面拱頂左側出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,伴隨有塊石、角粒狀碎石土掉落,到下午1：00已出現(xiàn)3～4 m3的空洞。由于掉砟持續(xù)進行,施工人員未能進行塌方處理,到第2天上午,從IDK49+327斷面可以看塌下的洞砟基本已填滿洞身；塌方體左側有小股水滲出,從洞側挖開小塊塌方體,向洞頂看,塌腔呈圓錐形,塌方最高點在洞頂開挖線以上約8 m。初步推測塌方處的埋深(距坍塌洞輪廓線)約16 m。塌方區(qū)示意如圖1所示。

圖1 塌方段縱斷面示意

3 塌方原因分析

經過現(xiàn)場調查、勘測和分析,盤道嶺隧道塌方主要有以下3個方面的原因。

(1)地層原因

隧道在IDK49+393～IDK49+500段穿過一節(jié)理裂隙破碎帶,受破碎帶影響,拱頂以上1 m范圍為厚層安山巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,其上為第四系粗細角粒土。

(2)地下水原因

施工區(qū)段地下水為基巖裂隙水,由于該處地形處于山洼地帶,為地下水匯集地帶,該處地層中地下水集中豐富,形成了一個水囊,削弱了土顆粒之間的粘結力,使巖層自承拱效應減弱。

(3)施工原因

沒有根據該段圍巖實際情況及時變更支護形式,超前小導管注漿量不足；另外開挖步距太長,爆破振動對巖層擾動太大,施工工序不緊湊,上下臺階拉距過長,爆破出砟后沒有及時做初期支護,未及時對拱部進行支撐,造成圍巖松動圈過大,形成較大松散壓力,從而造成失穩(wěn)。

4 塌方處理方案

隧道塌方段雖然出現(xiàn)大面積的塌方,但塌方段空腔頂埋深仍有16 m,經地表觀察,塌方段地表未出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象,因此在確保施工人員安全的前提下,可以通過增強塌方區(qū)圍巖支撐結構的方式,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,以達到安全通過塌方區(qū)的目的。塌方區(qū)隧道處理分為以下步驟。

4.1 地表處理

(1)仔細檢查塌方處山體地表是否出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象,同時,在地表埋設監(jiān)測點,加強觀測。如出現(xiàn)塌陷或裂縫,應及時噴射混凝土,封閉地表裂縫,防止地表水滲入。塌方里程相應的地表位置采用圍欄進行保護,以防意外。

(2)在塌陷處沿地表走向,設置50 cm×50 cm矩形截水溝,防止地表水匯入塌方區(qū)。

4.2 洞內影響段處理

(1)塌方加固處理段為IDK49+327～IDK49+337。IDK49+317～IDK49+327內表面施作臨時工字鋼支撐(18號工字鋼),間距2榀/m,因其已侵入二襯界限,待塌方處理完畢后將其拆除。

(2)錨桿支護

對塌方附近未坍塌部分,及時采用錨桿支護的方法進行加固(徑向增加25號中空錨桿,長度6 m,縱橫間距為0.75 m×0.75 m)，以防止塌方進一步擴大。

(3)注漿加固

靠近塌體5 m的范圍內徑向打入φ42 mm×5 mm的注漿小導管,導管長7.0 m,環(huán)向間距100 cm,縱向間距100 cm(梅花形布置),以加固塌方段,確保塌體施工安全。

導管注漿體配合比：水∶水泥∶砂=1∶2∶1.86,注漿壓力0.8～2.5 MPa,注漿壓力應該逐漸加大,當達到設計終壓時再注20 min,注漿長度每循環(huán)4.0 m,注漿擴散半徑1.5 m,注漿按自下而上最后注拱部以上的順序進行。注漿厚度應保證洞內圍巖從設計拱頂高程以上3.0 m的松散體全部固結。小導管尾端和增設的臨時鋼拱架焊接牢固。

4.3 塌方段處理

塌方處理采用環(huán)形開挖留核心土法進行處理,具體施工工藝如下。

(1)將掌子面注漿封閉。對塌方掌子面噴C25混凝土防護,噴射厚度20 cm。對塌方體按1 m×1 m打入φ42 mm小導管,打入深度2 m,對掌子面進行注漿封閉。漿液采用水灰比為1∶1～1∶0.6的水泥漿。注漿壓力為0.2～0.5 MPa。

(2)對塌方體采用雙排φ42 mm的超前小導管預支護,小導管傾角分別采用10°和30°,長度4.5 m,每排環(huán)向間距40 cm,兩種不同傾角小導管縱向間距0.5 m(一榀鋼架),同一傾角的小導管縱向間距2 m(4榀鋼架),小導管環(huán)向范圍為拱部120°。當施工塌方位置拱頂部分發(fā)現(xiàn)松散軟弱層時,將該位置系統(tǒng)錨桿改為φ42 mm徑向注漿錨管加固地層。

超前小導管注漿材料根據水量大小選擇采用水泥-水玻璃雙液漿,具體措施及雙液漿的配合比等根據開挖后實際情況試驗確定。

(3)注漿結束12 h后,對坍方體施工,采用環(huán)形開挖留核心土法,支護參數調整為：初期支護采用I20b型鋼鋼架支護,鋼架的落腳處應采用鎖腳錨管進行加固,必要時可采用墊加鋼板等措施使鋼拱架基礎堅實。隨挖隨支,間距0.5 m/榀,拱架外側設2層鋼筋網片,鋼架與鋼架之間拱部采用小導管焊接為一體,然后分層噴混凝土,噴混凝土至50 cm,同時預留注漿管。

(4)以此為底板,通過預留的注漿管注入C25混凝土,形成1.5 m厚的素混凝土拱圈,使拱部形成一個安全的護拱,然后在護拱的防護下,安全地開挖塌方體核心土。循環(huán)施工直至塌方砟體清除完畢。

(5)洞內塌方段落通過后,塌方段二次襯砌由原來的50 cm加厚至55 cm,采用鋼筋混凝土襯砌,二次襯砌可采用簡易臺車及時進行澆筑,每次灌注長度為4.0 m。

(6)開挖前施工單位應做好應急預案設計,并準備足夠的備用材料,如沙袋、型鋼支撐、注漿設備、抽水設備等,確保安全。

(7)塌方處理完畢后,按圍巖加強段襯砌的開挖和支護方式向前掘進,并按設計要求施工超前支護。

(8)對于塌方段前方開挖時應縮短開挖進尺,嚴格控制用藥量,遵循短進尺、弱爆破的施工原則,同時應加強圍巖監(jiān)控,控制變形,嚴格控制工字鋼的焊接質量和安裝精度,確保施工安全。

(9)加強洞內監(jiān)控量測工作,量測頻率每天2次以上,發(fā)現(xiàn)異常,應引起足夠重視,必要時,上報主管部門,并做好應急準備,以確保安全。當開挖施工和初支通過該段后,可根據量測結果,適當減少監(jiān)測頻次。

(10)完善隧道的監(jiān)控量測工作,增加對塌方段的工字鋼的應力、應變、及地表沉降情況的量測,以指導施工,確保施工安全。

(11)在地表鉆φ89 mm的孔到塌腔,對塌腔吹沙進行回填。以防日后地表沉陷。

5 監(jiān)控量測

為了保證塌方處理的安全順利進行,成立專門的塌方處理監(jiān)控量測組,加強并完善監(jiān)控量測工作,具體方案如下。

(1) 地表量測

①定時觀察塌方地表的異常情況,如塌陷、裂縫等,做好記錄及時反饋信息,頻率：1～2次/d；

②地表下沉 根據地表實況選擇基準點并設置3～5處測點進行地表沉降量測,并記錄、分析數據,預測險情。

(2)洞內監(jiān)控量測

①洞內觀察 加強洞內照明,并派專人輪流24 h進行險情觀察,觀察圍巖及支護的異常情況,如：塌腔落石、圍巖裂隙擴大、初噴混凝土開裂等,做好安全記錄；

②內空收斂位移量測 在塌方區(qū)及影響段(K10+450～K10+470),加密測點,每5 m設一測點,進行拱頂下沉、周邊位移收斂的量測,頻率1～2次/d,記錄并及時做好數據分析,反饋信息,指導施工；

③圍巖內部位移、初支混凝土應力量測 在塌方影響段K10+455斷面增加圍巖內部位移和初噴混凝土應力量測,在塌方段K10+440斷面布設加強支護拱的應力量測,在塌方處理期間測量頻率1～2次/d,塌方處理完成后按規(guī)范進行跟蹤量測。

6 監(jiān)控分析結果

從坍塌至塌方處理結束,地表沒有出現(xiàn)裂縫、沉降等異?，F(xiàn)象,地表沉降量所測點的總沉降量最大值為11 mm,遠小于設計允許沉降量。塌方處理期間洞內觀察圍巖較穩(wěn)定沒有發(fā)現(xiàn)塌腔內有大的落石、圍巖裂隙擴大、初噴混凝土開裂等現(xiàn)象。塌方及影響段各量測斷面拱頂下沉量最大值為23.8 mm,周邊收斂量累計最大值為16.5 mm,均出現(xiàn)在塌方段,小于設計安全允許值。通過圍巖內部位移量測數據分析判斷圍巖松動圈為4 m,影響段補打6 m錨桿,用7 m小導管注漿處理是安全合理的。塌方影響段的初支均為壓應力,最大壓應力313.54 kPa,出現(xiàn)在左拱腳處。

7 處理效果及評價

由于塌方時間較久,塌方段圍巖處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài),且所形成的自然拱具有一定的自穩(wěn)承載力,本次塌方處理充分發(fā)揮了圍巖的自承能力,并且在塌腔下施做了安全棚架,在安全棚架下循環(huán)作業(yè),保障了施工安全,塌方處理比較順利,沒有出現(xiàn)二次塌方或較大落石現(xiàn)象。從監(jiān)控分析可以看出,處理方法是合理、安全、有效的。在塌方處理后一段時間內,對塌方段進行跟蹤監(jiān)控量測,坍方段處理完后沒有發(fā)生任何有害變形、下沉、開裂等現(xiàn)象,應力已經趨于穩(wěn)定,說明圍巖和結構處于穩(wěn)定狀態(tài),完全達到了預期“安全、穩(wěn)妥、便捷、保質、經濟”的目的,處理方法安全,可靠度較高。

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