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        強(qiáng)地震后松散巖體中的隧道塌方處理技術(shù)研究

        2012-10-27 09:30:28趙玉虎
        四川建筑 2012年1期
        關(guān)鍵詞:塌方空洞巖體

        趙玉虎

        (中交一公局橋隧工程有限公司,北京100070)

        巖體經(jīng)強(qiáng)震后,顆粒之間的粘結(jié)受到嚴(yán)重破壞,巖體表現(xiàn)為松散,抗拉強(qiáng)度極低,圍巖更易產(chǎn)生松弛大變形,更易發(fā)生隧道塌方事故。塌方治理不易,若不根據(jù)具體情況對(duì)癥下藥,很難將其根治,經(jīng)常出現(xiàn)邊治邊塌的情況;塌方治理不徹底,也將會(huì)為隧道運(yùn)行期造成安全隱患。因而在施工過(guò)程中要重視信息化施工,重視監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,及時(shí)采取措施,防止塌方發(fā)生[1]~[4]。

        1 隧道工程概況

        汶川“5·12”地震災(zāi)后重建工程唐家山隧道為單洞雙向行車隧道,起訖樁號(hào)為K0+865~K4+375,隧道總長(zhǎng)3 510 m。隧道凈寬9.0 m,凈高5.0 m。隧道采用上下臺(tái)階法分部開(kāi)挖。

        隧址區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上屬北川-映秀大斷裂的北西側(cè),以巖質(zhì)隧道為主。根據(jù)鉆探揭示,隧道圍巖體涉及地層為含粉土角礫、含粉土碎(塊)石、寒武系下統(tǒng)清平組(C—c1)粉砂巖夾千枚巖、灰?guī)r和碳硅質(zhì)千枚巖;地下水主要為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。受“5·12”地震影響,隧址區(qū)巖層受到強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,巖體松散破碎,富水含泥,粘結(jié)力差,自穩(wěn)能力極差,屬于富水性較強(qiáng)的構(gòu)造破碎帶。隧道塌方處圍巖為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖,受強(qiáng)地震影響,節(jié)理裂隙極發(fā)育,呈網(wǎng)狀,巖芯呈小碎塊狀,巖體破碎,呈散體-碎裂狀。

        2 塌方描述及探測(cè)

        圖1 塌方現(xiàn)場(chǎng)

        2010年3月17日上午12:30左右,唐家山隧道里程K0+905處開(kāi)挖上臺(tái)階時(shí)拱頂發(fā)生塌方事故,方量約30 m3,見(jiàn)圖1。上臺(tái)階毛洞開(kāi)挖時(shí)跨度約11 m,高度約3.5 m。

        2.1 普氏平衡拱理論分析[5]

        前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)·M·普洛托雅克諾夫(簡(jiǎn)稱普氏)以松散理論為基礎(chǔ),認(rèn)為在松散介質(zhì)中開(kāi)挖隧道后,隧道上方將形成拋物線的平衡拱(圖2),平衡拱高度h為:

        式中:b為平衡拱的半跨度(m);fm=R/10,為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

        其中:R巖石的抗壓極限強(qiáng)度(MPa),取值應(yīng)考慮巖石天然層理、裂隙及節(jié)理的影響。

        經(jīng)計(jì)算,唐家山隧道上臺(tái)階開(kāi)挖形成的平衡拱高度約為8 m。

        圖2 平衡拱寬度示意

        2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

        地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡(jiǎn)稱GPR)是利用無(wú)線電波檢測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描,以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置的電磁技術(shù)。其特點(diǎn)是快速便捷、分辨率高、地位準(zhǔn)確、探測(cè)和處理數(shù)據(jù)速度快、不影響施工,是當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的地球物理勘探手段之一[6]。

        本次塌方空洞探測(cè)的測(cè)線布置和分析后結(jié)果如圖3和圖4所示。

        圖3 測(cè)線布置

        圖4 空洞與隧道位置關(guān)系

        (1)空洞方位:空洞位于隧道左上方,空洞中心距隧道軸線約1.8 m,與豎直方向成20°角。

        (2)空洞尺寸:寬3.1 m(隧道橫斷面方向),長(zhǎng)2.8 m(洞軸線方向),高約4 m。

        與普氏理論計(jì)算結(jié)果比較,探測(cè)空洞范圍基本處于平衡拱范圍內(nèi)。

        3 事故原因分析

        (1)地質(zhì)條件太差,設(shè)計(jì)初期支護(hù)略顯薄弱。此次塌方里程K0+905正好位于洞口40 m長(zhǎng)管棚完畢處,由于“5·12”地震,該處巖層受到強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,巖體松散破碎,富水含泥,粘結(jié)力差,屬于富水性較強(qiáng)的構(gòu)造破碎帶。設(shè)計(jì)初期支護(hù)由系統(tǒng)錨桿、φ8(間距20 cm×20 cm)雙層鋼筋網(wǎng)、26 cm厚C20噴射混凝土、18工字鋼(縱距50 cm)鋼拱架結(jié)合超前小導(dǎo)管組成。

        采用上述設(shè)計(jì)支護(hù)難以滿足圍巖的穩(wěn)定,圍巖自穩(wěn)時(shí)間短,來(lái)不及噴混凝土就發(fā)生局部牽連性的小塌方。此外圍巖粘結(jié)力差,錨桿錨固力降低致使整個(gè)初期支護(hù)強(qiáng)度隨之降低。

        (2)監(jiān)控量測(cè)信息反饋不及時(shí),未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在塌方隱患,以致沒(méi)有及時(shí)采取可靠的預(yù)防措施。

        (3)施工過(guò)程中未能重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。該段隧道施工中未進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),未能及時(shí)了解前方地質(zhì)情況。

        4 塌方處理方案

        經(jīng)過(guò)雷達(dá)探測(cè)分析后,確定塌方處理措施為:先采用C20噴射混凝土封閉掌子面,然后用小導(dǎo)管注漿固定洞身周圍的松散土體,塌方空腔采用M20水泥砂漿填充,洞身開(kāi)挖增設(shè)16 m長(zhǎng)φ108大管棚加強(qiáng)支撐。具體施工步驟如下。

        (1)先采用20 cm厚C20噴射混凝土(掛φ8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格20 cm×20 cm)封閉掌子面,見(jiàn)圖5。

        圖5 掌子面封閉

        (2)施工第一排小導(dǎo)管37根,鋼管長(zhǎng)度3.5 m,環(huán)向間距40 cm,打入角度30°~35°。小導(dǎo)管采用外徑42 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管,鋼管上鉆φ6注漿孔,間距15 cm,左右對(duì)稱布置在圓心角為145°的頂弧上。

        (3)注漿:將小導(dǎo)管編號(hào),先注奇數(shù)號(hào),后注偶數(shù)號(hào)。注漿過(guò)程中出現(xiàn)冒漿時(shí),暫停注漿10~30 min,并采取堵塞措施;如果長(zhǎng)時(shí)間壓力不上升,也暫停注漿10~30 min,然后換孔再進(jìn)行注漿,以控制注漿量。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,水灰比為1∶1,水玻璃濃度為35波美度,模數(shù)2.4,注漿壓力控制在0.5~1.0 MPa。注漿參數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)按實(shí)際情況確定。

        (4)施工第二排小導(dǎo)管16根,鋼管長(zhǎng)度3.5 m,環(huán)向間距40 cm,打入角度50°~55°??紤]到塌方中心位于拱頂左側(cè),因此在拱頂左側(cè)約44°范圍內(nèi)布置9根鋼管,右側(cè)約30°范圍內(nèi)布置6根(圖6),6#~8#孔采用無(wú)孔鋼管,先注M20水泥砂漿,壓力達(dá)到2.0 MPa時(shí)停止注漿,然后對(duì)其它孔進(jìn)行注水泥漿,注漿要求同第(3)步。

        (5)施工大管棚,環(huán)向間距45 cm,長(zhǎng)度16 m,角度控制在7°,大管棚采用φ108,壁厚6 mm,節(jié)長(zhǎng)3 m、6 m的熱軋無(wú)縫鋼管。管棚內(nèi)均勻植入3根φ22鋼筋,并與管棚內(nèi)壁緊貼。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿參數(shù)同第(3)步。導(dǎo)向墻采用工字鋼臨時(shí)支撐搭設(shè)。

        (6)填充塌方空腔。塌方空腔采取在下方打鋼管的方式注漿,根數(shù)兩根,角度為68°~72°,長(zhǎng)度1#管4.5 m,2#管直抵巖面(預(yù)計(jì)長(zhǎng)度5 m),主要對(duì)1#孔注M20水泥砂漿。注漿過(guò)程中,如果2#孔冒漿,應(yīng)立即堵塞,并繼續(xù)注漿,當(dāng)壓力達(dá)2.0 MPa時(shí),繼續(xù)注漿10 min后停止注漿。

        (7)開(kāi)挖,并進(jìn)行臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐按Ⅴ級(jí)圍巖襯砌的上半斷面實(shí)施,工字鋼每環(huán)5片,鋼筋網(wǎng)為單層,鎖腳錨桿按原設(shè)計(jì)長(zhǎng)350 mm、D25中空注漿方式施工,徑向錨桿不施工。臨時(shí)襯砌長(zhǎng)度為3.0 m,掘進(jìn)進(jìn)尺為1榀臨時(shí)拱架,施工時(shí)注意留好核心土。臨時(shí)支撐完成后,按正常設(shè)計(jì)進(jìn)行掘進(jìn)施工。

        (8)正常掘進(jìn)10 m后(或根據(jù)實(shí)際施工情況),返回拆除臨時(shí)支撐,并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行襯砌。拆除進(jìn)尺為50 cm,拆除后施工的第一榀拱架增設(shè)一環(huán)超前小導(dǎo)管,每拆除一環(huán)后立即按設(shè)計(jì)進(jìn)行初期支護(hù)。初期支護(hù)完成后,及時(shí)跟上二次襯砌。施工設(shè)計(jì)圖如圖6、圖7所示。

        圖6 立面布置

        圖7 縱剖面布置

        從處理效果看,本次塌方處理采取的措施是正確的、及時(shí)的。通過(guò)處理,加強(qiáng)了支護(hù)措施和襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,較穩(wěn)妥、安全、順利地通過(guò)了改塌方段。經(jīng)過(guò)設(shè)點(diǎn)觀測(cè),未發(fā)現(xiàn)拱頂下沉變形現(xiàn)象,處理效果較好。

        5 結(jié)論和建議

        本文較為詳細(xì)的介紹了富水軟弱破碎圍巖隧道塌方處理的全過(guò)程,根據(jù)本次處理措施,對(duì)預(yù)防和處理類似圍巖中的隧道塌方有以下認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

        (1)新奧法在我國(guó)隧道施工中已被廣泛采用,但在實(shí)踐中人們對(duì)其原理的理解和實(shí)施仍有一定的距離?!霸O(shè)計(jì)-施工-量測(cè)-設(shè)計(jì)”是新奧法的根本所在,屬動(dòng)態(tài)信息管理[6]。而實(shí)際中人們只是執(zhí)行了量測(cè)-施工,往往忽略了量測(cè)-設(shè)計(jì),在類似圍巖地段加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè),及時(shí)反饋信息指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工顯得尤為重要。

        (2)本次塌方處理方案是建立在對(duì)隧道圍巖及塌方空洞的充分認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上的。其中地質(zhì)雷達(dá)的空洞探測(cè)為方案設(shè)計(jì)和塌方處理起到了很好的作用。

        (3)本次塌方正好位于大管棚完畢處,說(shuō)明在松散巖體中選取適當(dāng)?shù)某爸ёo(hù)尤為重要。

        (4)隧道塌方的原因復(fù)雜多樣,但地質(zhì)因素是決定性的。因此預(yù)防隧道塌方的根本措施是加強(qiáng)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)工作[7]。包括運(yùn)用先進(jìn)的科技手段對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行探測(cè)、預(yù)報(bào)、分析等工作,為設(shè)計(jì)提供依據(jù)及指導(dǎo)工程施工。

        [1]李志厚.公路隧道特大塌方病害處治方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2004

        [2]許向?qū)?地震烈度區(qū)山體變形破裂機(jī)制地質(zhì)分析與地質(zhì)力學(xué)模擬研究[D].成都理工大學(xué),2006

        [3]陳亞林.隧道塌方原因與處理[J].廣東地質(zhì),2006(2):1-5

        [4]劉傳孝,楊水杰,蔣金泉.探地雷達(dá)技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),1998(6):99-101

        [5]朱漢華,尚岳全,符文熹,等.公路隧道設(shè)計(jì)與施工新法[M].北京:人民交通出版社,2002

        [6]陳豪熊,殷杰.隧道工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003

        [7]何曉東.巖穩(wěn)定性與塌方處置措施分析[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009

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