程曉剛

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

0 引言

馬蘭黃土以粉粒成分為骨架，相互間多為點(diǎn)接觸，孔隙較大，具有垂直節(jié)理，一般情況下穩(wěn)定性較好，但其抗水性能差，遇水易崩解，具有濕陷性。將馬蘭黃土作為隧道開(kāi)挖對(duì)象，在施工過(guò)程中黃土天然應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變，隨著圍巖支護(hù)的施作，黃土?xí)俅伟l(fā)生應(yīng)力重分布，隧道圍巖的應(yīng)力一部分向附近區(qū)域傳遞，另一部分以沉降變形或塌方等地質(zhì)災(zāi)變的形式進(jìn)行應(yīng)力釋放。這對(duì)圍巖的穩(wěn)定性、施工進(jìn)度及施工安全帶來(lái)極大威脅。為了解決以上工程問(wèn)題，本文以銀昆高速公路某隧道為例展開(kāi)研究。

1 工程概況

該隧道圍巖由新黃土與老黃土組成，洞身為V級(jí)圍巖,黃土層成巖性差，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，其自身強(qiáng)度低，抵抗外力破壞的性能差，垂直節(jié)理發(fā)育，彼此在水平方向的連接力較弱，干燥時(shí)，黃土的強(qiáng)度較高，襯砌受力較小，遇水后顆粒連接力削弱，黃土強(qiáng)度隨之降低，易引起襯砌受力不均勻，并且由于隧道表層黃土厚度分布多不均勻，使隧道易形成偏心壓力，成為偏壓隧道，造成塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

2022 年5月13日下午該隧道右線進(jìn)口K130+138—K130+147左側(cè)地質(zhì)突變發(fā)生沉降，導(dǎo)致套拱及初支發(fā)生嚴(yán)重變形及沉降，此時(shí)仰拱施工里程為 K130+147，距離突變處0m，二次襯砌施工里程為K130+197，距離地質(zhì)突變處50m。洞頂一級(jí)坡平臺(tái)出現(xiàn)輕微裂縫，K130+138—K130+140套拱左側(cè)明顯向右收斂1.6m，K130+140—K130+147左側(cè)初支明顯向右偏移1m，且鋼拱架明顯變形，K130+147位置鋼拱架斷裂，出現(xiàn)1m范圍的空洞，且持續(xù)掉土，K130+147—K130+187初支出現(xiàn)沉降變形，如圖1所示。

圖1 套拱與初支變形及沉降

2 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)處理方案

沉降發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)人員第一時(shí)間進(jìn)行緊急處理，防止工程災(zāi)變擴(kuò)大，同時(shí)為事故調(diào)查爭(zhēng)取更多時(shí)間，具體措施為：①塌陷土體穩(wěn)定后，項(xiàng)目部安排人員對(duì)洞內(nèi)及頂部塌陷位置進(jìn)行圍擋警戒；②對(duì)偏壓沉降部位兩側(cè)下臺(tái)階進(jìn)行初次回填并施作臨時(shí)仰拱，待初次臨時(shí)仰拱凝固后進(jìn)行二次回填施作二次臨時(shí)仰拱進(jìn)行加固，如圖2a所示；③對(duì)斷裂部位進(jìn)行噴漿支護(hù)，防止二次坍塌，如圖2b所示；④對(duì)仰坡及一級(jí)坡平臺(tái)進(jìn)行二次防水布覆蓋，如圖2c所示，安排測(cè)量人員保證安全的前提下及時(shí)對(duì)洞內(nèi)圍巖進(jìn)行量測(cè)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)處理方案

3 隧道坍塌成因

沉降發(fā)生后，多方調(diào)查人員趕赴第一現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，最終發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致套拱及初期支護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重變形及沉降的主要原因?yàn)椋核淼烙揖€進(jìn)口段在施工過(guò)程中，處于天然應(yīng)力狀態(tài)的土體發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致突發(fā)性坍塌，本次坍塌對(duì)隧道其他位置的圍巖產(chǎn)生較強(qiáng)烈擾動(dòng)，進(jìn)而造成進(jìn)口洞內(nèi)K130+140—K130+187段隧道大面積坍塌，以及隧道坍塌處至洞口方向47m范圍初期支護(hù)的嚴(yán)重下沉，并產(chǎn)生大量裂縫。

4 處治方案

針對(duì)以上工程災(zāi)變成因分析，本項(xiàng)目采取“洞口臨時(shí)支護(hù)→洞內(nèi)反壓回填→地表、超前小導(dǎo)管注漿→臺(tái)階法開(kāi)挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側(cè)及洞頂回填”的方法進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)治理，具體處治方案如下。

4.1 反壓回填

洞口臨時(shí)支護(hù)加固完成后，在二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求的前提下，對(duì)K130+140—K130+187段進(jìn)行全斷面反壓回填，并在 K130+187處往洞口方向由洞頂至路面設(shè)置 1∶0.5 斜坡進(jìn)行錨噴護(hù)面，如圖3所示。

圖3 反壓回填(單位：cm)

4.2 地表、超前小導(dǎo)管注漿

1)地表注漿 從K130+159—K130+201段42m 范圍垂直打入φ42鋼管進(jìn)入地表進(jìn)行注漿，先根據(jù)放樣將鋼管的孔位用紅油漆標(biāo)出，間距 100cm×100cm(環(huán)向×縱向)，利用挖掘機(jī)將注漿管打入地下。鋼管長(zhǎng)8m，管口車(chē)絲設(shè)止?jié){閥，在管尾后段50cm處將麻絲纏繞在管壁上呈紡錘狀，麻絲上涂抹錨固劑，將孔口管頂進(jìn)注漿孔后，埋設(shè)牢固并用錨固劑將孔口管與地表間隙封堵，防止注漿過(guò)程中漏漿。

2)超前小導(dǎo)管注漿 徑向注漿達(dá)到強(qiáng)度后，拱頂縱向設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度L=4.5m,α=12°，環(huán)向間距40cm。小導(dǎo)管采用φ42 熱扎無(wú)縫鋼管，注漿材料采用水泥液漿，水灰比為 1∶1， 注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，注漿施工如圖4所示。

圖4 注漿施工示意

4.3 臺(tái)階法開(kāi)挖、換拱

1)開(kāi)挖注意事項(xiàng) 超前小導(dǎo)管注漿達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行開(kāi)挖、換拱，開(kāi)挖方式采用臺(tái)階法。開(kāi)挖要達(dá)到拆除1榀支護(hù)1榀。鋼拱架設(shè)計(jì)間距60cm。拆除時(shí)宜從上往下施工，拱頂施工完畢噴漿后再拆除下部鋼拱架，保證安全。進(jìn)行測(cè)量放線時(shí)，應(yīng)加大15cm，防止圍巖再變形侵限。加強(qiáng)施工中的監(jiān)控量測(cè)工作，及時(shí)反饋信息以調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

2)初噴混凝土 鋼拱架拆除完畢后，用高壓風(fēng)槍清除干凈粉塵，立即采用濕噴工藝初噴混凝土，噴射作業(yè)應(yīng)分段、分片由上而下順序進(jìn)行，每段長(zhǎng)度≤6m。 初噴厚度4cm，如終凝后間隔1h以上且初噴表面已蒙上粉塵，受?chē)娒嬗酶邏簹怏w清除干凈。

3)錨桿施工 錨桿鉆孔利用開(kāi)挖臺(tái)車(chē)，按設(shè)計(jì)間距120cm×60cm(環(huán)向×縱向)布孔，鉆孔方向盡可能垂直于結(jié)構(gòu)面或初噴混凝土表面，錨桿孔比桿徑大15mm，成孔后采用高壓風(fēng)清孔，鉆孔本身呈直線，方向沿隧道周邊徑向，并盡量與巖面垂直，不得平行于巖層面打設(shè)錨桿。注漿及錨桿安裝利用開(kāi)挖臺(tái)車(chē)作為施工平臺(tái)，藥卷使用風(fēng)槍將錨固劑打入錨桿孔內(nèi)，錨固劑藥卷經(jīng)風(fēng)槍打入孔底，藥卷打入結(jié)束后立即進(jìn)行錨桿桿體安裝，在距錨桿底部30cm處設(shè)止?jié){段，進(jìn)回漿管在孔口通過(guò)鋼墊板預(yù)留孔口引出?？卓诔袎簤|座鋼墊板面與錨孔軸線垂直，承壓墊座必須平整、牢固。若鋼墊板面與錨孔軸線不垂直，孔口外側(cè)可用快凝砂漿找平。

4)鋼架施工 隧道各部開(kāi)挖完成噴混凝土后，分單元及時(shí)安裝鋼架，利用系統(tǒng)錨桿及雙側(cè)鎖腳錨管固定，縱向采用鋼筋連接，鋼架間鋪掛鋼筋網(wǎng)，然后復(fù)噴混凝土到設(shè)計(jì)厚度。鋼架安裝前把按設(shè)計(jì)加工好各單元鋼架組織試拼，檢查鋼架尺寸及輪廓是否合格。在施工過(guò)程中需加強(qiáng)對(duì)鋼架安裝以后的監(jiān)控測(cè)量，必要時(shí)采取有效措施進(jìn)行加固，以防止拱頂鋼架下沉。

5)掛網(wǎng)施工 鋼筋網(wǎng)宜在初噴混凝土后掛設(shè)，使其與噴射混凝土形成一體，初噴混凝土的厚度宜≥4cm； 鋼筋網(wǎng)搭接長(zhǎng)度應(yīng)為1～2個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)；噴射混凝土?xí)r，應(yīng)調(diào)整噴頭與受?chē)娒娴木嚯x、噴射角度，以減少鋼筋振動(dòng)，降低回彈，并保證鋼筋網(wǎng)噴射混凝土保護(hù)層厚度≥4cm；噴射時(shí)如有脫落的塊體或混凝土塊被鋼筋網(wǎng)卡住，應(yīng)及時(shí)清除。

4.4 仰拱、二襯施工

初期支護(hù)施作一定距離后，由于K130+197—K130+147段仰拱已施作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及時(shí)施作二襯，二襯及時(shí)跟進(jìn)封閉成環(huán)，起到早閉合、防塌方的作用，同時(shí)能保證洞內(nèi)道路暢通，便于洞內(nèi)排水。

4.5 隧頂回填

洞頂塌陷段二襯施作后，對(duì)隧頂采用4%水泥土進(jìn)行回填，表層50cm回填種植土?；靥钔瓿珊?，做好防排水工作。

5 沉降監(jiān)測(cè)

為了及時(shí)掌握施工中隧道圍巖和初期支護(hù)變形收斂程度，確保洞內(nèi)開(kāi)挖及施工安全，本隧道必須進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。其目的是進(jìn)行隧道日常的施工管理，經(jīng)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理與必需的計(jì)算判斷后進(jìn)行預(yù)測(cè)和反饋，以保證施工安全和隧道穩(wěn)定，并為今后設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

監(jiān)測(cè)對(duì)象包括地表沉降監(jiān)測(cè)、水平收斂監(jiān)測(cè)和拱頂下沉監(jiān)測(cè)。其中，地表沉降監(jiān)測(cè)目的是了解隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道頂部對(duì)應(yīng)地表的最大沉降值，為調(diào)整隧道開(kāi)挖速度和支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)提供依據(jù)；水平收斂及拱頂下沉監(jiān)測(cè)是反映圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)形態(tài)變化的最直接、最明顯的參數(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)可了解圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。以里程K130+170處的地質(zhì)突變沉降點(diǎn)為例(見(jiàn)圖5)，結(jié)合該位置處的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析。

圖5 里程K130+170處地質(zhì)突變沉降監(jiān)測(cè)

由圖2可發(fā)現(xiàn)，在2022年5月13日前，里程K130+170處隧道拱頂沉降并不明顯，但在這期間地表沉降幅度較大，水平收斂速度較快，說(shuō)明該位置處隧道存在發(fā)生潛在地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。2022年5月13日下午，拱頂沉降量、地表沉降量和水平收斂發(fā)生陡增，隨即發(fā)生隧道坍塌，事故發(fā)生后，施工單位組織人員進(jìn)行緊急處理，直至14日完成，處治方案詳見(jiàn)第3節(jié)。該段隧道經(jīng)過(guò)專(zhuān)項(xiàng)處治(2022年5月15日)后，地表沉降、水平位移和拱頂下沉的累積量迅速收斂，最終滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中Ⅴ級(jí)圍巖沉降量要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以銀昆高速公路某隧道為依托，研究馬蘭黃土隧道在開(kāi)挖施工過(guò)程中突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的處治方案，本項(xiàng)目在事故發(fā)生后進(jìn)行了緊急處理，防止工程災(zāi)變進(jìn)一步擴(kuò)大。并根據(jù)隧道坍塌成因，采取“洞口臨時(shí)支護(hù)→洞內(nèi)反壓回填→地表、超前小導(dǎo)管注漿→臺(tái)階法開(kāi)挖、換拱→施作仰拱、二襯→兩側(cè)及洞頂回填”的方案進(jìn)行治理，最后對(duì)隧道圍巖和初期支護(hù)變形收斂程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)地表沉降、水平收斂及拱頂下沉均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中Ⅴ級(jí)圍巖沉降量要求，從而驗(yàn)證了該專(zhuān)項(xiàng)處治施工方案的可靠性，并為以后類(lèi)似事故治理提供了借鑒。