顧鑫杰,閆興田

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

山嶺隧道塌方成因分析及治理

顧鑫杰,閆興田

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

基于“新奧法”的基本原理，結(jié)合地質(zhì)條件分析，歸納出山嶺隧道4種常見(jiàn)的塌方模型。根據(jù)施工過(guò)程中塌方的成因及形態(tài)，分為2類，即承載拱塌方、松散體塌方，給出了相應(yīng)的處理原則。以某工程隧道塌方治理為案例，按“穩(wěn)固后方、超前注漿、分步開(kāi)挖、加強(qiáng)支護(hù)”的原則，順利通過(guò)塌方段。關(guān)鍵詞：隧道；新奧法；塌方模型；承載環(huán)塌方；松散體塌方

0 前 言

當(dāng)前中國(guó)隧道在建里程占世界總里程比例超50%，建設(shè)規(guī)模大，安全、經(jīng)濟(jì)、快速的施工隧道工程是隧道建設(shè)者共同的目標(biāo)。由于不利地質(zhì)條件、施工工法等因素引起的隧道塌方不僅對(duì)工程工期和投資造成不利影響，甚至?xí){生命，防塌、治塌始終是隧道施工關(guān)鍵點(diǎn)。目前關(guān)于塌方治理，相關(guān)規(guī)范只涉及指導(dǎo)性條款；相關(guān)的文獻(xiàn)中個(gè)案[1-6]分析居多，系統(tǒng)性的總結(jié)較少[7-8]。本文依托雅礱江卡拉、楊房溝水電站對(duì)外交通專用公路已建成的33座隧道工程，從設(shè)計(jì)原理、地質(zhì)條件分析入手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，淺談塌方成因及治理。

1 依托工程隧道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

1.1 工程簡(jiǎn)介

專用公路全長(zhǎng)約92.4 km，按Ⅲ級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速30 km/h。全線設(shè)33座隧道，其中3座為特長(zhǎng)隧道，隧道總長(zhǎng)48.2 km(含特長(zhǎng)隧道下行線為66.51 km)，占線路總長(zhǎng)50%以上。隧道建筑限界分為4種：

(1) 場(chǎng)內(nèi)隧道，9.5 m×5.0 m(限寬×限高)；

(2) 一般隧道，8.5 m×5.0 m；

(3) 特長(zhǎng)隧道上行線，6.0 m×5.0 m；

(4) 特長(zhǎng)隧道下行線，5.5 m×4.5 m。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理——新奧法

隧道光面爆破開(kāi)挖后，開(kāi)挖邊界巖體發(fā)生松動(dòng)，同時(shí)圍巖應(yīng)力重分布，其松動(dòng)圈具在一定時(shí)間內(nèi)有一定的自穩(wěn)能力，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)封閉，可改變洞室的應(yīng)力狀態(tài)，使松動(dòng)圈成為穩(wěn)定承載拱，與初期柔性支護(hù)共同受力，直至新的平衡，這是隧道設(shè)計(jì)采用“新奧法”的基本原理。

圖1 光面爆破圖

初期支護(hù)采用柔性支護(hù)，與圍巖共同受力、變形，充分發(fā)揮圍巖的“自承”能力，二次襯砌為剛性支護(hù)，作為安全儲(chǔ)備，對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，增加超前支護(hù)改善圍巖條件。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的基本受力理論

(1) 軟弱松散體壓力理論

圖2 平衡拱圍巖壓力計(jì)算圖

1907年俄國(guó)普羅托季亞科諾夫[9]根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將洞室圍巖的山體看成散粒體，提出“普氏理論”，也即平衡拱理論。認(rèn)為隧洞開(kāi)挖后，洞頂有一部分巖石將因松動(dòng)而坍落，坍落之后形成一個(gè)拋物線形的平衡拱，然后才能穩(wěn)定。

(1)

式中：h為坍落拱高度，當(dāng)巖石較好時(shí)，可用h/f；b1為平衡拱寬度的1/2；f為普氏系數(shù)，對(duì)于一般巖石，f值可按Rc/100計(jì)算或查普氏堅(jiān)固系數(shù)表確定，Rc為巖石極限抗壓強(qiáng)度；b為洞室開(kāi)挖寬度的1/2。

該理論適用于松散體地層，在覆蓋層厚度不足1/2洞徑的風(fēng)化破碎巖石中也可采用，在實(shí)踐中已取得良好的效果。而對(duì)于深埋完整巖石段，則過(guò)于保守浪費(fèi)。

(2) 深埋隧道圍巖壓力理論

Ⅰ～Ⅳ級(jí)圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力主要為形變壓力，其值可按釋放荷載計(jì)算(地層-結(jié)構(gòu)模型)?！靶聤W法”認(rèn)為，圍巖本身為支護(hù)結(jié)構(gòu)體的一部分。初期支護(hù)與圍巖密貼，及時(shí)封閉是關(guān)鍵，參數(shù)一般按經(jīng)驗(yàn)法確定。

松散壓力與變形壓力的對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 松散壓力與變形壓力圖

(3) 松動(dòng)圈支護(hù)理論

圍巖松動(dòng)圈是隧道開(kāi)挖后客觀存在、普遍存在的支護(hù)對(duì)象為松動(dòng)破裂發(fā)展中的巖石碎脹變形或碎脹力，支護(hù)的作用一方面是維護(hù)破裂的巖石在原位不跨落，另一方面是限制圍巖松動(dòng)圈形成過(guò)程中的有害變形。

1.4 襯砌結(jié)構(gòu)形式選擇

綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)因素，專用公路襯砌結(jié)構(gòu)形式采用復(fù)合式襯砌及單層襯砌，其特點(diǎn)及運(yùn)用范圍見(jiàn)表1。

2 山嶺隧道塌方基本模型及成因分析

2.1 塌方模型

當(dāng)隧道“圍巖-結(jié)構(gòu)”體系的平衡被打破，即發(fā)生塌方。實(shí)際圍巖碎脹力或碎脹變形、松散壓力與圍巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、埋深條件、卸荷程度等密切相關(guān)，本文結(jié)合地質(zhì)條件及隧道塌方后的形態(tài)，概括4種常見(jiàn)塌方模型，見(jiàn)表2。

表1 山嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式表

表2 塌方模型表

塌方的共同特征為掌子面失穩(wěn)或初期支護(hù)、以及其與圍巖共同承載體系的失穩(wěn)。

2.2 塌方因素識(shí)別

引起隧道塌方的主因有3種：① 不良地質(zhì)；② 施工方法與支護(hù)不當(dāng)；③ 設(shè)計(jì)缺陷。

圖9 緩傾角節(jié)理切割層理(正面) 圖

圖10 節(jié)理切割層理(側(cè)面)圖

圖11 二次塌方渣體填滿隧道圖

圖12 塌方空腔見(jiàn)斷層泥及破碎巖體圖

不良地質(zhì)主要包括斷層破碎帶、突水、涌泥、溶洞、不利結(jié)構(gòu)面切割等；施工方法與支護(hù)不當(dāng)主要包括超挖空腔、支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱、工法不當(dāng)、二襯滯后等；設(shè)計(jì)缺陷主要為隧道線形、線位不合理等。

結(jié)合施工現(xiàn)狀，對(duì)塌方因素的識(shí)別與分析見(jiàn)表3。

表3 塌方因素識(shí)別與分析表

3 塌方分類及治理

3.1 塌方分類

根據(jù)塌方后圍巖自穩(wěn)能力不同，將山嶺隧道塌方歸納為2類：承載環(huán)塌方、松散體塌方，見(jiàn)表4。

表4 塌方的分類及特征表

3.2 塌方治理基本原則

塌方治理的目標(biāo)為：圍巖-結(jié)構(gòu)體系平衡的重建。

常用的塌方治理方法見(jiàn)表5。

表5 塌方治理方法表

4 某隧道工程山嶺段塌方治理案例

4.1 塌方概況

某隧道工程，某日早晨5:40左右，開(kāi)挖至K2+130 m時(shí)掌子面右側(cè)1/3面出現(xiàn)塌方，至上午9:30，掌子面再次發(fā)生大面積滑塌，導(dǎo)致緊鄰掌子面的2榀拱架壓塌，約4-5榀拱架出現(xiàn)嚴(yán)重變形，已完成的初期支護(hù)面開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)約3 m，寬約4 cm，塌方體方量約250 m3，現(xiàn)場(chǎng)情況,見(jiàn)圖13。次日晚上20:30左右，完成背拱加固工字鋼9榀，在打設(shè)鎖腳錨桿過(guò)程中，圍巖再次出現(xiàn)塌方，塌方導(dǎo)致作業(yè)臺(tái)車(chē)壓塌，二次塌方體方量超過(guò)200 m3，見(jiàn)圖14。

圖13 初始進(jìn)洞襯砌及地形圖

4.2 地形地質(zhì)條件

掌子面塌方段圍巖巖性為中風(fēng)化粉砂巖夾泥巖，受構(gòu)造帶影響，裂隙發(fā)育巖體破碎，充填為方解石巖脈，強(qiáng)度低、裂隙面光滑、摩擦力?。槐径蔚乇頌樯襟w溝谷地段，埋深約35 m，存在地表徑流。

圖14 洞口段20 m初期支護(hù)施工期塌方圖

4.3 治理方案

塌方主要因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)面不利組合導(dǎo)致的承載環(huán)塌方，考慮到該段埋深淺、裂隙發(fā)育、夾泥巖、薄層狀結(jié)構(gòu)，因此采用固結(jié)法處理。

(1) 穩(wěn)固后方、避免塌方范圍擴(kuò)大

K2+150 m～K2+135 m段增設(shè)I20a臨時(shí)支撐@80 cm，密貼既有初期支護(hù)，工字鋼間采用C22螺紋鋼縱向連接筋連接，@50 cm，加強(qiáng)塌方口部段既有襯砌。

對(duì)塌方堆碴體采用C25噴射混凝土封閉固結(jié)，噴混凝土厚度8 cm，穩(wěn)定掌子面。

K2+135 m～K2+140 m段拱頂120°范圍打設(shè)徑向注漿小導(dǎo)管補(bǔ)償注漿，固結(jié)厚度為拱頂上方2 m。注漿小導(dǎo)管采用?42×4無(wú)縫鋼管，L=450 cm@1.0×0.8 m，水泥漿水灰比1∶1。

(2) 超前注漿+泵送混凝土回填

塌方體固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度，采用雙層超前小導(dǎo)管注漿后，回填C35泵送混凝土，拱頂上方厚度不小于80 cm。取代塌方圍巖形成新的“承載拱”。

(3) 分步通過(guò)，加強(qiáng)支護(hù)

待混凝土回填完成3 d后，采用預(yù)留核心土三臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)工法。開(kāi)挖方式采用機(jī)械開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m，往小里程方向加強(qiáng)支護(hù)：采用I22a型鋼拱架@50 cm，噴射混凝土厚30 cm。

經(jīng)參建各方共同努力，順利通過(guò)塌方段。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 山嶺隧道設(shè)計(jì)按新奧法原理為基礎(chǔ)，注重圍巖與結(jié)構(gòu)共同受力。Ⅰ～Ⅳ級(jí)圍巖洞室穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面控制，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖洞室穩(wěn)定性主要由松散壓力與結(jié)構(gòu)抗力控制。根據(jù)破壞機(jī)理分析，歸納出2種塌方類形：承載拱塌方和松散體塌方。承載拱塌方與松散體塌方的本質(zhì)區(qū)別在于塌方后空腔體前者仍然具有一定時(shí)間內(nèi)的自穩(wěn)能力。塌方發(fā)生后，應(yīng)第一時(shí)間調(diào)查分析地質(zhì)、水文情況，因地制宜，綜合處理。

(2) 承載拱塌方后，空腔體具有短時(shí)間內(nèi)的自穩(wěn)能力，應(yīng)把握“快速封閉”的原則，在保證施工安全的前提下，盡可能采取措施封閉塌腔，發(fā)揮圍巖的自承能力，再及時(shí)采用“先護(hù)拱、后回填”的措施快速通過(guò)。回填應(yīng)保證一定的厚度，一般取60～100 cm，使得襯砌結(jié)構(gòu)具有較大剛度，同時(shí)，縮減空腔體積，提高其自穩(wěn)能力。混凝土回填不宜過(guò)厚，防止施工期間自重壓力過(guò)大破壞護(hù)拱，回填后，向空腔內(nèi)吹砂，作為緩沖層。

(3) 松散體塌方的處理類似淺埋暗挖法，塌方的處理要堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原則，塌方處理前須加固后方、步步為營(yíng)、不留后患，防止塌方的范圍的擴(kuò)大。

(4) 從塌方產(chǎn)生的原因來(lái)看，存在很多非地質(zhì)因素，因此塌方是可以預(yù)防的，不但要從技術(shù)的角度出發(fā)，而且要從科學(xué)管理和合理體制上做到規(guī)范施工。

[1] 鄒金杰,顧鑫杰,章立峰,胡賢國(guó).淺埋暗挖原理在西部某隧道冒頂塌方治理中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2016,53(02):202-206.

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Cause Analysis and Treatment of Collapse in Mountain Tunnel

GU Xinjie, YAN Xingtian

(Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

Based on the principle of New Austrian Tunneling Method and in combination with analysis on the geological conditions, four models of collapse often occurring in mountain tunnel are concluded. According to causes and types of collapses during construction, collapses are classified two types: bearing arch collapse and loose mass collapse. Accordingly, corresponding treatment principles are proposed. With case of the collapse treatment in one tunnel, the principles of reinforcing the tunneled section, grouting in advance, excavating in step and strengthening support are followed so that the collapse sections are passed over.Key words: tunnel; New Austrian Tunneling Method; collapse model; bearing ring collapse; loose mass collapse

1006—2610(2016)06—0017—05

2016-09-13

顧鑫杰(1984- )，男，浙江省海寧市人，工程師，從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)工作.

U458

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.005