杜石文，李敏瑞，陳首君

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

玉希莫勒蓋公路隧道塌方治理及效果評價

杜石文，李敏瑞，陳首君

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

以新疆在建玉希莫勒蓋隧道為研究對象，分析了隧道K723+398—K723+404段發(fā)生塌方事故的原因。變?nèi)_階超短臺階法施工為CRD法施工，并優(yōu)化先前隧道支護參數(shù)以及采用超前小導管注漿的方法處理塌方段。處理后隧道累計拱頂沉降和水平收斂值控制在35 mm范圍以內(nèi)。格柵內(nèi)力和圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果亦驗證了變形監(jiān)測結(jié)果，表明對塌方段采取的措施及時有效，可為類似工程借鑒。

隧道工程 塌方 原因分析 監(jiān)控量測 效果評價

在隧道修建過程中，塌方是最為常見的安全事故之一。隧道塌方影響因素概括起來可歸為地質(zhì)條件、隧道埋深、隧道斷面形式及大小、地下水、爆破擾動、施工措施不當?shù)龋?］。偏壓段圍巖軟弱、破碎、自穩(wěn)時間極短，如果施工方法和支護方式不當，則極易發(fā)生塌方或地表有害下沉［2］。許多學者對不同類型的隧道塌方原因和處理技術(shù)進行了研究［3-4］，雖有共性但在不同工程背景下又各有差異。本文在前人研究基礎(chǔ)上，分析新疆玉希莫勒蓋隧道K723+398—K723+404段塌方原因，針對性地給出支護加固方案，并結(jié)合實測結(jié)果對處理效果進行評價。

1 工程概況

玉希莫勒蓋隧道全長1 943 m，位于新疆G217線上，隧道進出口里程K722+095—K724+038。隧道進出口平均高程3 200 m以上，普通段凈空寬度9.8 m，凈空高度6.9 m。隧道出口段所穿斷層分布在玉希莫勒蓋達坂頂部偏南，長度＞60 km，斷層總體走向N49°W，傾向 NE，局部略有曲折，傾角 80°～85°，與隧道線路在K723+750(設(shè)計樁號)處斜交，斷層破碎帶寬度150～200 m，施工中發(fā)現(xiàn)實際影響范圍更廣。其中K723+398—K723+404塌方段實際揭露的圍巖為強風化火山角礫凝灰?guī)r，圍巖受斷裂構(gòu)造影響，較為破碎，局部存在滲、涌水及突泥現(xiàn)象，該段圍巖按照Ⅴ級斷面施工。

隧道在斷層及破碎帶地段最初設(shè)計支護參數(shù):拱部120°范圍內(nèi)采用 φ42 mm×3.5 mm，長3.0 m超前小導管，環(huán)向間距0.4 m;邊墻采用中空 φ25注漿錨桿，長3.5 m，間距1.0 m(環(huán)向)×0.5 m(縱向)，梅花形布置;φ22格柵鋼架間距為0.5 m/榀;全斷面設(shè)置HPB235級φ6鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格尺寸15 cm×15 cm;初支為厚30 cm C25噴射混凝土;二襯為厚50 cm C30S8鋼筋混凝土。

隧道在穿越斷層及破碎帶時采用的工法為三臺階超短臺階法，上、中臺階各長5 m，仰拱與下臺階間距10～15 m，二次襯砌與仰拱端頭間距不大于50 m。

2 塌方過程

2012年8月17日下午15點20分，K723+404里程處完成中臺階的爆破開挖后，在架設(shè)初支鋼拱架之前，中臺階上部出現(xiàn)了小股水流和不間斷的掉塊現(xiàn)象，并逐漸形成頂尖下寬的錐形體。該錐形體進一步發(fā)展，在其后方1～2 m范圍內(nèi)，已施工好的中臺階初支出現(xiàn)明顯的環(huán)向裂縫，在中臺階初支下部，出現(xiàn)了拱腳破碎開裂，鋼筋網(wǎng)露出的現(xiàn)象。接著噴射混凝土封閉錐形體，并施作臨時鋼支撐。到19點30分，該錐形體頂部已發(fā)展到圍巖內(nèi)部3 m左右，最終誘發(fā)了大范圍的隧道塌方，塌方蔓延到前方K723+398里程處。本次塌方從中臺階右側(cè)向前發(fā)展到整個斷面，已施作超前小導管被塌落塊體砸彎、砸壞，上臺階掌子面附近的3榀初支鋼拱架被砸壞，隧道塌方一直持續(xù)到當日晚上22點多才基本穩(wěn)定。

3 隧道塌方原因分析

3.1 偏壓作用

在塌方處理過程中發(fā)現(xiàn)隧道右上方一側(cè)的空洞區(qū)面積遠大于左側(cè)，同時K723+404附近鋼拱架內(nèi)力量測數(shù)據(jù)顯示，右側(cè)拱腰位置的壓力明顯比左側(cè)拱腰位置大，兩側(cè)結(jié)構(gòu)受力存在非對稱性，表明K723+398—K723+404段右側(cè)受斷層影響存在偏壓作用，這樣就加劇了右側(cè)圍巖的破壞進程，直接誘發(fā)了此次隧道塌方事故。

3.2 巖性因素

塌方段為斷層破碎帶，巖性主要為強風化火山角礫凝灰?guī)r，力學強度低、松散破碎、存在大量遇水易軟化夾層、自穩(wěn)時間短，從塌方堆積體構(gòu)成可以看出，洞體巖石性質(zhì)屬軟硬相間，硬質(zhì)巖石中夾雜軟弱泥化巖石，巖石的整體剛度較差。

3.3 地下水的侵蝕作用

隧道穿越斷層屬于中等富水斷層，地下水的影響不容忽視。地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用，可造成圍巖從局部變形失穩(wěn)逐步發(fā)展為整體失穩(wěn)。此外，由于巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，連通性好，徑流條件以垂直排泄為主，地下水補給量大。再加上高海拔原因，7月下旬以來經(jīng)常有雨雪交替天氣，使得巖土層富含大量地下水，降低了巖土體抗剪強度，加劇了隧道圍巖的失穩(wěn)。

3.4 施工影響

隧道施工經(jīng)過斷層破碎帶時，并未采取配套的控制爆破措施，使得巖體受到較大擾動，加速了巖體的失穩(wěn)。本隧道開挖過程中，受爆破振動影響，圍巖體節(jié)理、裂隙的力學強度進一步降低。而臨空面形成以后，圍巖體由初始應(yīng)力場變?yōu)槎螒?yīng)力場，在支護結(jié)構(gòu)尚未施作，或者尚未完全發(fā)揮作用，圍巖體結(jié)構(gòu)面處所受的應(yīng)力超過其本身強度時，會產(chǎn)生破壞，導致坍塌的發(fā)生。

另外，在隧道出現(xiàn)險情后，應(yīng)急措施不徹底、不及時、相關(guān)人員不夠重視也是隧道塌方原因之一。

4 塌方段綜合治理方案

對隧道塌方體噴射混凝土進行封閉后，根據(jù)現(xiàn)場具體施工條件，考慮超前小導管注漿施工靈活，壓漿效果好，決定采用超前小導管注漿并優(yōu)化先前隧道支護參數(shù)的方法處理隧道塌方段。超前小導管注漿主要為滲入性注漿，對于破碎帶圍巖，依靠注漿壓力，使水泥漿液滲入到孔隙、裂隙中，以水泥漿作為膠結(jié)物使得破碎圍巖膠結(jié)形成整體，使地層發(fā)揮自承拱的作用。

因斷層影響隧道圍巖比較破碎，將三臺階超短臺階法施工變?yōu)镃RD法施工，開挖中嚴格控制每循環(huán)進尺，塌方段采取人工配合風鎬挖掘。拱部超前小導管長度增加為6.0 m，縱向間距1.0 m，環(huán)向間距25 cm，仰角10°～16°。注漿壓力1.0～2.0 MPa，漿液水灰比0.5～1.0，注漿前先以噴射混凝土封閉掌子面，必要時在孔口設(shè)置止?jié){塞。處理時以I18工字鋼架作為臨時支撐，將拱架之間已下沉開裂的噴射混凝土鑿除，拆除已嚴重變形的格柵拱架和鋼筋網(wǎng)。同時加密格柵鋼架的縱向連接鋼筋，加強其縱向聯(lián)結(jié)，以提高初期支護中鋼支撐的整體強度。塌方區(qū)超前支護斷面及具體支護參數(shù)見圖1。

圖1 塌方區(qū)超前支護斷面

具體施工步驟:①小導管注漿超前支護;②上部導洞開挖;③施作上部初期支護;④施作臨時仰拱、上部臨時鋼支撐;⑤下部導洞開挖;⑥施作下部邊墻初期支護;⑦施作下部臨時鋼支撐;⑧施作仰拱初期支護;⑨鋪設(shè)防水層，模筑二次襯砌。

5 塌方治理結(jié)果分析

隧道塌方治理后的監(jiān)測至關(guān)重要。通過監(jiān)測可以正確判斷塌方治理后圍巖的穩(wěn)定性情況，以防坍塌災(zāi)害的再次發(fā)生。

5.1 圍巖位移

為正確判斷塌方處理后圍巖的穩(wěn)定性，對塌方段增設(shè)了 K723+398，K723+401，K723+404三個監(jiān)控量測斷面，分別量測隧道拱頂下沉值和水平收斂值，測點布置見圖2，監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖2 測點布置示意

圖3 塌方段處理后各斷面拱頂沉降和水平收斂累計時程曲線

由圖3可知，在加固處理后，各斷面累計沉降值和收斂值控制在35 mm以內(nèi)，隧道的拱頂下沉相對值在K723+401斷面處最大，為0.31%，收斂位移相對值在K723+398斷面處最大，為0.25%，塌方段埋深約為250 m。規(guī)范規(guī)定隧道在Ⅴ級圍巖中埋深在50～300 m的允許相對位移值為0.60% ～1.60%(脆性圍巖取較小值，塑性圍巖取較大值)［5］，塌方段位移值遠小于該范圍的較小值，滿足規(guī)范要求。因此，可以認為該塌方治理方案是可靠有效的。

5.2 格柵拱架內(nèi)力及圍巖壓力

為更加全面準確地預報圍巖穩(wěn)定性，在斷面K723+401處施作格柵拱架時，分別在其拱頂、左右拱腰位置布置了振弦式鋼筋計和壓力盒，分別用來量測格柵拱架內(nèi)力和圍巖壓力，監(jiān)測結(jié)果見圖4。

由圖4可見，格柵內(nèi)力和圍巖壓力最大的地方出現(xiàn)在右拱腰，這與隧道右側(cè)存在偏壓作用有關(guān)。另外，從圖中可以看出，塌方段在經(jīng)過處理后，格柵內(nèi)力和圍巖壓力在7～10 d左右達到峰值，之后逐漸趨于穩(wěn)定。這與前面圍巖位移量測穩(wěn)定時間基本一致，同時說明塌方處理效果較為理想，圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 K723+401斷面格柵拱架內(nèi)力和圍巖壓力時程曲線

6 結(jié)論

1)該偏壓隧道塌方采用CRD法施工、超前小導管注漿支護、鋼筋格柵支撐并輔以I18工字鋼架臨時支撐、中空注漿錨桿及噴射混凝土的處理方法是切實可行的，可為類似穿越斷層及其破碎帶的隧道施工提供借鑒。

2)塌方一旦發(fā)生或在發(fā)生前有明顯的預兆時，應(yīng)立即采取積極有效的應(yīng)急處理預案，以免錯過最佳治理時間。

3)塌方處理完成后，應(yīng)加強對塌方段及塌方影響區(qū)的監(jiān)控量測，分析處理效果，為后續(xù)類似塌方的處理提供借鑒經(jīng)驗。

［1］汪成兵，朱合華．隧道塌方機制及其影響因素離散元模擬［J］．巖土工程學報，2008，30(3):450-456．

［2］何成滔，王小林，肖鵬飛．淺埋偏壓段隧道塌方綜合處理技術(shù)［J］．鐵道建筑，2010(11):54-56．

［3］董新平．大跨度隧道初期支護大變形原因分析［J］．鐵道建筑，2011(9):40-43．

［4］楊杰．新建包西鐵路東山二號隧道塌方工程地質(zhì)特征分析［J］．鐵道建筑，2011(1):24-26．

［5］中華人民共和國建設(shè)部．GB 50086—2001 錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2001．

U458．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．14

1003-1995(2013)09-0045-03

2013-01-20;

2013-08-20

國家自然科學基金(51204168)

杜石文(1988— )，男，山東臨沂人，碩士研究生。

(責任審編 葛全紅)