林運(yùn)飛

(廣西龍靖高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

在公路山嶺隧道建設(shè)過程中，隧道施工塌方的案例比比皆是。造成塌方的因素也有很多，例如圍巖破碎、圍巖節(jié)理具有不利組合、地下水影響、支護(hù)不及時(shí)、開挖方法不當(dāng)?shù)?。目前所?bào)導(dǎo)過的塌方大多是發(fā)生在圍巖巖性比較單一的情況下，且塌方體以土質(zhì)為主；對(duì)于穿越巖性分界面，且塌方體為石質(zhì)的報(bào)道較少，因此有必要對(duì)穿越兩種巖性的接觸地段且同種圍巖風(fēng)化程度上下不均的隧道圍巖施工進(jìn)行研究，為以后的隧道工程安全施工提供指導(dǎo)。

2016年7月，位于靖西市的靖西至龍邦高速公路樂村隧道右線發(fā)生了大面積塌方。原因在于隧道穿越巖性分界面，掌子面拱頂為強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖，與強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖捕擄體交界，拱頂輝綠巖巖體破碎，呈塊狀，裂隙發(fā)育，與硅質(zhì)巖結(jié)合性差。在掘進(jìn)過程中，拱頂輝綠巖巖體連續(xù)坍塌。因此，及時(shí)正確地處理和分析穿越巖性分界面、圍巖強(qiáng)度不均、塌方體為石質(zhì)的隧道塌方，對(duì)隧道的安全施工具有重要意義。

1 工程概況

1.1 隧道區(qū)地質(zhì)情況

樂村隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，右洞長315 m，里程樁號(hào)為YK22+785～YK23+100，凈寬10.75 m，凈高5 m的建筑限界，單向縱坡為1.996%。隧道區(qū)屬巖溶峰叢谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏較大，山體連綿起伏。隧道穿越一山體，谷地和山頂相對(duì)高差約115 m。隧道兩頭為灰?guī)r出露區(qū)，中間為頁巖出露區(qū)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探成果可知，隧道兩端以沉積巖為主，地層巖性主要為泥盆系上統(tǒng)硅質(zhì)巖及泥盆系中統(tǒng)灰?guī)r；中間以巖漿巖為主，地層巖性主要為中生代輝綠巖。受巖漿侵入及后期地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化作用，圍巖巖性、風(fēng)化程度變化大。

2 塌方段地質(zhì)及塌方情況

2.1 塌方區(qū)工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件

樂村隧道YK22+958～YK22+949塌方段平均埋深約72 m，屬深埋情況。隧洞區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，隧道單位長度用水量預(yù)測(cè)為0.42 m3/d·m，隧道圍巖富水程度屬弱富水區(qū)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探成果，YK22+960～YK22+985段可見強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖捕擄體，YK22+958～YK22+949段設(shè)計(jì)圍巖以全風(fēng)化輝綠巖為主，大部分已風(fēng)化成硬塑～堅(jiān)硬黏土狀，局部為強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖及強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖，裂隙發(fā)育，巖體破碎，施工時(shí)洞室可能有滴水狀或淋雨?duì)畛鏊，F(xiàn)場(chǎng)施工表明，掌子面下部以全風(fēng)化輝綠巖為主，大部分已風(fēng)化成硬塑～堅(jiān)硬黏土狀。掌子面上部拱頂為強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖與強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖交界，輝綠巖呈塊狀，巖體破碎，裂隙發(fā)育；硅質(zhì)巖呈褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖石極軟，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯多呈碎塊狀、土柱狀(圖1)。掌子面設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，支護(hù)形式為S5-B(表1)。

1.硅質(zhì)巖 2.輝綠巖圖1 YK22+958圍巖結(jié)構(gòu)縱向示意圖

襯砌類型圍巖級(jí)別超前支護(hù)初期支護(hù)錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土鋼拱架預(yù)留變形量二次襯砌S5-BⅤ級(jí)?42×4 mm超前小導(dǎo)管,環(huán)向間距40 cm,縱向間距3 m,小導(dǎo)管長度4.5 m?25中空注漿錨桿,長度3.5 m,間距100 cm×75 cm;?25中空注漿錨桿,長度3.5 m,間距100 cm×50 cm?8鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm,單層24 cm Ⅰ18工字鋼 75 cm12 cm仰拱二襯均為45 cm

2.2 塌方情況描述

隧道掘進(jìn)到里程YK22+960時(shí)，隧道拱頂出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)有小塌方。隨著掌子面繼續(xù)掘進(jìn)至YK22+958，挖掘機(jī)在找頂過程中，拱頂發(fā)生局部塌方，在清理塌方體時(shí)，拱頂輝綠巖巖體發(fā)生大面積坍塌。塌方體以強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖為主，夾雜黃褐色強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖，極破碎。塌方體估算有400～500 m3，掌子面前方坍塌深度未知，高度預(yù)計(jì)有30 m以上。塌方體堆滿掌子面后，拱頂上部圍巖仍不穩(wěn)定，偶有巖體墜落沖擊發(fā)出聲響，塌方體不時(shí)從拱頂滑落。

2.3 塌方原因分析

根據(jù)初期物探，塌方段圍巖應(yīng)以全風(fēng)化輝綠巖為主，大部分已風(fēng)化成硬塑～堅(jiān)硬黏土狀；但掌子面實(shí)際情況顯示，掌子面下部基本為全風(fēng)化輝綠巖，上部為強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖，巖體破碎，裂隙發(fā)育，較堅(jiān)硬，巖體表面較光滑，粘結(jié)性極差。掌子面穿越強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖與強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖交界面，這兩種巖體的風(fēng)化程度、巖性截然不同。強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖大部分已風(fēng)化成堅(jiān)硬黏土狀，因此該交界面可以認(rèn)為是一種軟弱結(jié)構(gòu)面。由此可知，隧道拱頂輝綠巖在軟弱接觸面的影響和自身重力作用下產(chǎn)生坍落是導(dǎo)致隧道塌方的決定因素。

塌方段在掘進(jìn)過程中由于采用機(jī)械開挖，開挖時(shí)間較長，存在一定的空頂現(xiàn)象，且掘進(jìn)過程中發(fā)生過小塌方，對(duì)拱頂上部圍巖造成了擾動(dòng)；開挖過程中也未嚴(yán)格落實(shí)預(yù)留核心土三臺(tái)階開挖，核心土預(yù)留面積過小，塌方體可滑動(dòng)面積較大，從而導(dǎo)致拱頂塌方進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，圍巖失穩(wěn)前支護(hù)結(jié)構(gòu)不能及時(shí)有效地支護(hù)是造成塌方的促成因素，未嚴(yán)格按照開挖方法施工是造成塌方擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。

3 塌方處理方案與效果

3.1 塌方處理方案的確定

塌方發(fā)生后，項(xiàng)目公司、設(shè)計(jì)院、總監(jiān)辦、總承包部等相關(guān)人員立即到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察。由于塌方體不穩(wěn)定，塌方高度高，塌方巖體主要為較堅(jiān)硬的強(qiáng)～中風(fēng)化輝綠巖，塌方體墜落沖擊力極大，因此不能對(duì)掌子面塌方體進(jìn)行清理，須等待圍巖穩(wěn)定，而超前小導(dǎo)管注漿加固又不足以支撐拱頂上方塌方體。針對(duì)塌方具體情況，經(jīng)研究討論，提出了采用雙層小導(dǎo)管注漿固結(jié)拱圈上方塌方體、管棚支護(hù)支撐掌子面前方塌方體、加強(qiáng)初期支護(hù)的方案來處理此次塌方。具體措施是：

(1)封閉塌方體回填噴混凝土：采用黏土對(duì)塌方體進(jìn)行覆蓋，覆蓋厚度40 cm，并修整成臺(tái)階，再噴射10 cm混凝土，形成全封閉狀態(tài)，便于掌子面松散塌方體注漿。

(2)初支加固：臨近掌子面3榀初支鋼架內(nèi)側(cè)加設(shè)臨時(shí)護(hù)拱，形成雙層拱架增強(qiáng)初支受力，并加強(qiáng)鎖腳小導(dǎo)管支護(hù)。要求護(hù)拱與初支面做到密貼，不密貼處要進(jìn)行噴射混凝土填充密實(shí)。

(3)雙層小導(dǎo)管注漿固結(jié)拱圈上方塌方體：小導(dǎo)管第一層沿開挖輪廓線布置39根，傾角10°，環(huán)向間距40 cm，第二層傾角19°，環(huán)向間距40 cm與第一層導(dǎo)管成梅花型布置，注漿材料為M30水泥砂漿。小導(dǎo)管長4.5 m，每次搭接≥1.5 m，注漿壓力在1.2 MP以上，保證注漿效果。

(4)管棚支護(hù)：掌子面塌方范圍施作φ108管棚。管棚長9 m(暫定，視塌方大小而定)，傾角10°，環(huán)向間距50 cm，注M30水泥砂漿。

(5)掌子面掘進(jìn)：嚴(yán)格按照預(yù)留核心土三臺(tái)階法開挖，控制每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，按S5-A襯砌類型支護(hù)(見表2)，施工時(shí)做好超前小導(dǎo)管支護(hù)。

(6)塌方體空腔泵送混凝土：在處理YK22+958塌方體向前掘進(jìn)過程中，采用管棚鉆機(jī)鉆孔探明塌方區(qū)域，如在3 m范圍內(nèi)還有空腔，從初支拱頂至塌方體臨空面預(yù)留排氣管、泵送混凝土管，并及時(shí)向空腔內(nèi)泵送混凝土，使初支背后形成一道護(hù)拱，防止腔體內(nèi)松散石塊塌落壓塌初支拱架威脅作業(yè)人員安全，消除安全質(zhì)量隱患。

表2 分離式隧道S5-A復(fù)合式襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 塌方的處理效果

為監(jiān)測(cè)塌方段的處理效果，確保施工安全，保障隧道安全順利掘進(jìn)，在塌方段內(nèi)設(shè)置YK22+957、YK22+953兩個(gè)斷面分別對(duì)拱頂沉降及周邊收斂進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過觀測(cè)數(shù)據(jù)來掌握這段圍巖的變形情況。通過一個(gè)多月的監(jiān)測(cè)，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示，拱頂沉降、周邊位移已趨于穩(wěn)定，其中YK22+957斷面拱頂累計(jì)下沉量為5.8 mm(拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖見圖2、拱頂下沉速率時(shí)態(tài)曲線圖見圖3)，周邊位移累計(jì)位移量為5.26 mm(周邊位移時(shí)態(tài)曲線圖見圖4、周邊位移速率時(shí)態(tài)曲線圖見圖5)；YK22+953斷面拱頂累計(jì)下沉量為11.8 mm(拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖見圖6、拱頂下沉速率時(shí)態(tài)曲線圖見圖7)，周邊位移累計(jì)位移量為5.29 mm(拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖見圖8、拱頂下沉速率時(shí)態(tài)曲線圖見圖9)。

圖2 YK22+957拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖

圖3 YK22+957拱頂下沉速率時(shí)態(tài)曲線圖

圖4 YK22+957周邊位移時(shí)態(tài)曲線圖

圖5 YK22+957周邊位移速率時(shí)態(tài)曲線圖

圖6 YK22+953拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線圖

圖7 YK22+953拱頂下沉速率時(shí)態(tài)曲線圖

圖8 YK22+953周邊位移時(shí)態(tài)曲線圖

圖9 YK22+953周邊位移速率時(shí)態(tài)曲線圖

通過上述處理，隧道施工順利通過了該塌方段，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明該段落初支已基本穩(wěn)定，拱頂下沉量、周邊位移量比較小。該段落澆筑完二次襯砌后，通過近一年的觀察，總體無異?，F(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)隧道在遇到不良地質(zhì)條件時(shí)，一定要嚴(yán)格按照審批的施工方案進(jìn)行施工，及時(shí)對(duì)掌子面進(jìn)行初噴封閉，初支及時(shí)跟進(jìn)，縮短開挖時(shí)長，避免掌子面后方長時(shí)間空頂，從而降低塌方風(fēng)險(xiǎn)，減小大塌方的概率。

(2)隧道在穿越巖性分界面地段，特別是同一地段圍巖強(qiáng)度相差較大，掌子面前方為破碎石質(zhì)圍巖，巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖體結(jié)合性差時(shí)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)超前支護(hù)，必要時(shí)可考慮增設(shè)管棚，縮短開挖進(jìn)尺，減少圍巖擾動(dòng)，以提高掌子面拱頂及前方圍巖的承載能力。

(3)對(duì)于塌方部分必須回填密實(shí)，若塌方高度過高，必須保證泵送混凝土有適當(dāng)厚度，塌方后的拱頂部分在回填密實(shí)之前仍可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可采取增設(shè)護(hù)拱的方式增強(qiáng)初支受力，并加強(qiáng)鎖腳小導(dǎo)管支護(hù)，防止突然塌落的巖體壓塌初支拱架威脅作業(yè)人員的安全。

[1]吳旻碩，李 曉.隧道圍巖強(qiáng)度不均地段塌方成因及其處理方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008(5)：672-676.

[2]JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].