摘要:文章通過(guò)對(duì)在建天峨至北海公路(天峨經(jīng)鳳山至巴馬段)某隧道的病害特征、隧道地表變形的成因、隧道病害的機(jī)理和發(fā)展趨勢(shì)、地表變形的危害進(jìn)行分析,提出地表病害、隧道內(nèi)病害的工程處理建議,可為類似隧道的病害處治提供參考。
關(guān)鍵詞:隧道;拱腰;張裂縫;塌陷坑;沉降裂縫;斜向裂縫;冒頂
U457+.2A351093
0 引言
廣西高速公路建設(shè)規(guī)模日益龐大,截至2022年年底,高速公路通車總里程已超8 000 km,歷史性實(shí)現(xiàn)縣縣通高速公路,廣西2023年新增高速公路通車?yán)锍虒⒊^(guò)800 km。在建的高速公路中,特別是已開(kāi)通、運(yùn)營(yíng)的高速公路隧道易發(fā)生各種病害。本文通過(guò)對(duì)在建天峨至北海公路(天峨經(jīng)鳳山至巴馬段)某隧道的病害特征、隧道地表變形的成因、隧道病害的機(jī)理和發(fā)展趨勢(shì)、地表變形的危害進(jìn)行分析,提出地表病害、隧道內(nèi)病害的工程處理建議,為類似隧道的病害處治提供參考。
1 項(xiàng)目工程概況
天峨至北海公路(天峨經(jīng)鳳山至巴馬段)某隧道為越嶺隧道,設(shè)計(jì)隧道為分離式+小凈距特長(zhǎng)隧道[1],設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為4 720.00 m,最大埋深約為430 m。隧道在施工過(guò)程中,左線ZK45+660~ZK45+900段斜坡地表陸續(xù)出現(xiàn)了多處裂縫、冒頂,居民房墻壁、地板開(kāi)裂;左線ZK45+756~ZK45+792段二襯和仰拱發(fā)生開(kāi)裂;左線ZK45+768~ZK45+780段右側(cè)拱腰存在襯砌混凝土塊掉落,危及坡上、坡下居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí),給隧道的正常施工帶來(lái)不利影響,甚至危及隧道結(jié)構(gòu)安全[2]。
2 隧道病害路段工程地質(zhì)條件
2.1 隧道病害路段工程地質(zhì)及設(shè)計(jì)概況
ZK45+660~ZK45+900段隧道埋深為80.3~94.5 m,地形呈凹槽狀,地表覆蓋第四系殘坡積土碎石混黏土,土層厚度為27~60 m,土層厚度較大,植被茂密;下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)中風(fēng)化灰?guī)r,巖面凹凸不平,巖體較破碎,溶洞、溶隙發(fā)育。根據(jù)詳勘資料,ZK45+680~ZK45+940段為Ⅴ級(jí)圍巖,襯砌類型為S5-P,ZK45+670~ZK45+950段采用超前支護(hù)采用雙環(huán)小導(dǎo)管,ZK45+670~ZK45+950段采用CRD開(kāi)挖法施工。
2.2 隧道病害路段地層巖性
根據(jù)鉆探揭示和地質(zhì)調(diào)查,斜坡地表變形病害段地層主要由第四系殘坡積層(Qel+dl)、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)組成。
2.2.1 第四系殘坡積層(Qel+dl)
碎石混黏土,褐黃、褐灰色,稍密~中密狀,混35%~50%的黏土,碎石成分主要為風(fēng)化泥砂巖碎石,土質(zhì)不均勻,局部以黏土混碎石為主。揭示厚度為27.00~60.00 m。
2.2.2 二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)
中風(fēng)化灰?guī)r:灰色,隱晶質(zhì)~微晶結(jié)構(gòu),厚層~巨厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,裂隙發(fā)育,大部分巖體較完整,局部巖體破碎~較破碎,表層溶蝕、溝槽、垂直裂隙發(fā)育,大部分被裂隙切割呈鑲嵌結(jié)構(gòu)的塊體,局部發(fā)育有溶洞,鉆探巖芯多呈短柱狀,少量呈碎塊狀。層厚一般為10~40 m。
2.3 地質(zhì)構(gòu)造
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,隧道區(qū)內(nèi)為十二坡斷裂(F3)通過(guò),十二坡斷裂(F3)位于坡堂、林光、拉光、巴英、十二坡、陳家灣一帶,斷裂長(zhǎng)度約為7.8 km,走向大致為50°,傾向、傾角不明,為性質(zhì)不明斷層。該斷層在林光一帶錯(cuò)斷了巴臘峒-隆茶坡斷層,巴臘峒-隆茶坡斷層為性質(zhì)不明斷層,其傾向、傾角不明。
3 隧道病害特征
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該隧道ZK45+660~ZK45+900段斜坡地表變形病害主要分布于ZK45+660~ZK45+740段、ZK45+751~ZK45+853段,病害的外在表現(xiàn)主要為二襯和仰拱等部位出現(xiàn)了開(kāi)裂、裂縫,地表陸續(xù)出現(xiàn)了多處裂縫、冒頂,居民房墻壁、地板開(kāi)裂。
3.1 地表變形的類型及特征
3.1.1 地面塌陷坑
截至2022-09-15,ZK45+660~ZK45+900段地表共發(fā)現(xiàn)2處塌陷坑,分別為ZK45+655處左側(cè)約85 m塌陷坑(編號(hào)為TX1)、K45+685處左側(cè)約5 m塌陷坑(編號(hào)為TX2)??辈爝M(jìn)場(chǎng)前,塌陷坑已回填,坑口大致呈圓形,直徑為3~5 m,TX1標(biāo)高約為806 m,TX2標(biāo)高約為852 m。根據(jù)向當(dāng)?shù)卮迕窳私?,塌陷坑TX1大致形成于2022年3月底,塌陷坑TX2大致形成于2022年4月,具體形成時(shí)間不詳,即塌陷坑TX1先形成于塌陷坑TX2。
3.1.2 地表裂縫
隧道地表發(fā)現(xiàn)多處裂縫,所有的裂縫均出現(xiàn)在塌陷坑地勢(shì)較高一側(cè)的坡面,多為張拉裂縫,少量為下錯(cuò)的剪切裂縫,寬度從幾厘米至幾十厘米不等,最大沉降錯(cuò)臺(tái)高度約為100 cm,裂縫最大寬度約為40 cm。主要發(fā)育的裂縫情況分析見(jiàn)表1。
3.1.3 房屋病害
房屋病害最嚴(yán)重的是上行線K45+660處右側(cè)15 m的一棟民房,房屋為磚混結(jié)構(gòu),樓層為2層,該民房底層面積約為184.5 m2;其次為上行線K45+790處右側(cè)25 m的兩棟3戶民房,底層面積分別為180.9 m2、152.4 m2、140.5 m2。主要病害有房屋外墻的開(kāi)裂、地板開(kāi)裂。
3.2 隧道內(nèi)病害基本情況
根據(jù)施工方提供資料,天峨端左洞ZK45+756~ZK45+792段二襯和仰拱發(fā)生開(kāi)裂,此段右側(cè)二襯存在幾條貫穿性裂縫;ZK45+768~ZK45+780段右側(cè)拱腰存在兩處分別為2 m2、0.3 m2的襯砌混凝土塊掉落。詳見(jiàn)圖1。
4 隧道病害的機(jī)理和發(fā)展趨勢(shì)
4.1 地表變形的成因分析
通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、智能監(jiān)測(cè),并綜合前期地質(zhì)勘察成果,隧道地表變形的演變過(guò)程如圖2所示。由圖2可知,這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,并具有前因后果的關(guān)系。產(chǎn)生地表變形的原因是多方面的,可歸納為以下幾點(diǎn):
(1)隧道地表變形區(qū)域處于山坡的凹槽部位,松散坡殘積土層厚度大,下伏基巖裂隙發(fā)育,風(fēng)化、溶蝕強(qiáng)烈。該隧道天峨端左洞ZK45+756~ZK45+792段埋深為80.9~86.7 m,掌子面埋深約80.5 m左右。隧道從巖土交界面附近穿過(guò),圍巖以巖石夾土為主,含水量高,穩(wěn)定性較差,在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)施工過(guò)程中容易發(fā)生突泥、坍塌、冒頂?shù)仁┕さ刭|(zhì)災(zāi)害。
(2)隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生較大規(guī)模的塌方、突泥,在隧道拱頂上方形成較大的空腔,使上方土體向下產(chǎn)生沉陷變形,形成塌陷坑。
(3)塌陷坑得不到及時(shí)填埋,地表排水系統(tǒng)得不到及時(shí)恢復(fù),使得塌陷坑周圍土體不斷坍塌,塌陷坑不斷擴(kuò)大,地勢(shì)較高一側(cè)臨空土體產(chǎn)生向下蠕動(dòng)變形,出現(xiàn)拉裂縫,局部發(fā)生滑移。
(4)降雨使得變形區(qū)域土體含水量增加,重度增大,抗剪強(qiáng)度減弱,穩(wěn)定性降低,使圍巖中已存在的空腔拱壁進(jìn)一步坍塌,直至冒頂,產(chǎn)生更多的塌陷坑;已有塌陷坑進(jìn)一步擴(kuò)大,地勢(shì)較高一側(cè)土體向下蠕動(dòng)變形加劇,甚至可能發(fā)生整體滑移。
(5)隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生較大規(guī)模的塌方,在隧道拱頂上方形成較大的空腔,使得塌方周圍土體不斷坍塌,坍塌不斷擴(kuò)大,地勢(shì)較高一側(cè)的居民房地基下方的土體產(chǎn)生向下蠕動(dòng)變形,在房子自重力作用下容易產(chǎn)生地基不均勻沉降,使房屋墻面、地板等開(kāi)裂。
4.2 隧道病害的機(jī)理
(1)根據(jù)鉆探、物探成果,碎石混黏土結(jié)構(gòu)松散,承載力低,碎石混黏土層存在空腔或空隙;隧道底板溶洞、大溶洞發(fā)育,洞內(nèi)多為碎石土、黏土充填,穩(wěn)定性差。這是引起隧道襯砌產(chǎn)生拉張裂縫產(chǎn)生的主要原因。
(2)碎石混黏土層厚度大,壓縮性大,承載力低,在上部碎塊石層重力作用下容易產(chǎn)生壓縮變形,從而引起隧道二襯開(kāi)裂、拱腰襯砌混凝土塊掉落和初支變形。
(3)局部隧道頂板基巖厚度較薄,碎塊石層空隙較大,結(jié)構(gòu)不密實(shí),地下水作用帶走地基中的細(xì)小顆粒。在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中,由于隧道放炮開(kāi)挖產(chǎn)生振動(dòng),從而引起地面產(chǎn)生裂縫、冒頂及房屋墻體、地板產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。詳見(jiàn)圖3。
4.3 隧道病害的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、智能監(jiān)測(cè)及收集到的有關(guān)資料,病害主要表現(xiàn)為地表開(kāi)裂、冒頂、房屋墻體、地板開(kāi)裂,隧道二襯開(kāi)裂、拱腰襯砌混凝土塊掉落和初支變形,左洞產(chǎn)生病害較嚴(yán)重。根據(jù)鉆探及物探成果,左洞仰拱底面存在物探低阻異常[3],根據(jù)智能監(jiān)測(cè),隧道上方土體持續(xù)保持低速位移狀態(tài),坡面整體保持低速變形狀態(tài)。勘察期間對(duì)隧道進(jìn)行觀察,未發(fā)現(xiàn)隧道邊墻、拱腰等部位裂縫出現(xiàn)明顯變化,也未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫產(chǎn)生,表明地基產(chǎn)生沉降速度緩慢,處于相對(duì)緩慢沉降變形狀態(tài)。因此,目前地基出現(xiàn)快速沉降對(duì)隧道產(chǎn)生破壞可能性較小。但隨著地下水升降作用和后期車輛動(dòng)載影響,地基沉降變形的狀態(tài)會(huì)持續(xù)惡化,危及隧道結(jié)構(gòu)安全。
5 地表變形的危害評(píng)價(jià)
由于該隧道天峨端出現(xiàn)了嚴(yán)重的地表變形、居民房屋開(kāi)裂現(xiàn)象,已給隧道施工單位以及生活在坡上、坡下的隆申峒居民帶來(lái)了很大影響,當(dāng)?shù)卣鲇诎踩紤],已將生活在地表變形區(qū)上方、下方的近40戶居民從家中搬出來(lái),安置于救災(zāi)帳篷中,并在下方設(shè)置警戒線,安排專職人員蹲守值班,嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員靠近。而施工單位也對(duì)天峨端左洞及右洞暫停各工序施工,封閉掌子面,撤離所有人員及機(jī)械設(shè)備,加強(qiáng)洞口進(jìn)出洞管理;組織人員對(duì)塌陷坑及局部地表裂縫進(jìn)行封閉、回填,防止雨水灌入。
從地質(zhì)專業(yè)角度,對(duì)該隧道ZK45+660~ZK45+900段斜坡地表變形病害的危害程度評(píng)價(jià)如下:
(1)目前雖然已對(duì)塌陷坑及局部地表裂縫進(jìn)行封閉、回填,但從現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及走訪來(lái)看,塌陷坑回填較松散,并未分層夯實(shí),沒(méi)有剔除植物根莖及腐植物,容易形成空腔或空隙,容易使塌陷坑周圍土體不斷坍塌,其上方裂縫進(jìn)一步發(fā)展,上方的地表裂縫將可能率先發(fā)生淺層滑塌。
(2)待雨季來(lái)臨,雨水通過(guò)裂縫、塌陷坑大量注入斜坡土體中,將使塌陷坑以下土體含水量急劇升高,重度增加,抗剪強(qiáng)度降低,在水壓力的共同作用下,塌陷坑上下附近土體極可能從其下方20~50 m處整體剪出,形成中厚層滑坡,嚴(yán)重危及坡上、坡下居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí),在滑坡體巨大的牽引力作用下,可能造成隧道洞體嚴(yán)重變形或垮塌。
(3)據(jù)調(diào)查,目前,在塌陷坑地勢(shì)較低一側(cè)的坡下民居附近地表尚未發(fā)現(xiàn)新鮮裂縫,說(shuō)明坡下民居的地基是穩(wěn)定的。居民房大多分布于坡下較平緩區(qū)域,其地基不具備整體滑移的地質(zhì)條件,因此,坡下民居聚集區(qū)不存在整體滑移危險(xiǎn)。但在塌陷坑附近的坡上居民房,由于離塌陷坑較近,受臨空土體產(chǎn)生向下蠕動(dòng)變形的影響,使房屋地基產(chǎn)生不均勻沉降而出現(xiàn)地板、墻面裂縫,若塌陷坑不能得到有效控制,從而導(dǎo)致房屋地基產(chǎn)生不均勻沉陷,有進(jìn)一步使地板、墻面裂縫的可能,對(duì)坡上的居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。
6 工程處治建議
該隧道ZK45+660~ZK45+900段出現(xiàn)的地表變形現(xiàn)象遵循圖3所示發(fā)展規(guī)律,并具有前因后果的關(guān)系,因此,在本隧道開(kāi)挖過(guò)程中,采取有效措施“減少塌方、避免大塌方和突泥”是減少地表出現(xiàn)變形的基本指導(dǎo)思想。出現(xiàn)地表變形后,應(yīng)盡快填埋塌陷坑、封閉裂縫和恢復(fù)地表正常排水系統(tǒng),防止地質(zhì)病害進(jìn)一步發(fā)展,避免因此釀成嚴(yán)重后果。按照“先急后緩、標(biāo)本兼治”的原則,提出以下處治建議。
6.1 地表病害工程處治建議
(1)填埋所有塌陷坑,按就近取土的原則從周圍凸出地塊中取土作為填料,取土?xí)r應(yīng)剔除植物根莖及腐植物,并分層夯實(shí);
(2)夯實(shí)封閉所有地表裂縫,平整作業(yè)區(qū)的地表,恢復(fù)以面流排水為主的地表排水系統(tǒng);
(3)恢復(fù)作業(yè)區(qū)的植被。
6.2 隧道病害工程處治及建議
(1)對(duì)局部軟弱圍巖和仰拱基底進(jìn)行加強(qiáng)處治;對(duì)襯砌開(kāi)裂段全斷面注漿加固圍巖,對(duì)二襯開(kāi)裂段進(jìn)行換拱處理;對(duì)尚未開(kāi)挖的左洞、右洞加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào),加強(qiáng)巖溶探測(cè),實(shí)施大仰角超前鉆探,并加強(qiáng)隧道初期支護(hù),控制圍巖變形。
(2)加強(qiáng)地表、隧道內(nèi)監(jiān)測(cè),加強(qiáng)洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè),繼續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)期變形觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)裂縫變形、地表變形及隧道變形進(jìn)行觀測(cè),并對(duì)采集的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),指導(dǎo)后續(xù)處治工作;加強(qiáng)隧道病害段日常巡查,內(nèi)容包含隧道內(nèi)的巡查以及地表影響區(qū)的巡查,尤其是雨季期間應(yīng)提高巡查頻率,若發(fā)現(xiàn)新增病害,應(yīng)及時(shí)上報(bào)處理。
(3)襯砌開(kāi)裂段全斷面注漿加固圍巖,對(duì)二襯開(kāi)裂段進(jìn)行換拱處理。
(4)對(duì)尚未開(kāi)挖的左洞、右洞加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào),加強(qiáng)巖溶探測(cè),實(shí)施大仰角超前鉆探,并加強(qiáng)隧道初期支護(hù),控制圍巖變形。
(5)隧道從山體斜坡的水源點(diǎn)一、水源點(diǎn)二下方穿過(guò),該兩水源點(diǎn)為隆申峒村民飲用水及灌溉水渠的主要水源,且覆蓋層碎石混黏土為強(qiáng)透水層,隧道放炮開(kāi)挖產(chǎn)生振動(dòng),容易引起地面產(chǎn)生裂縫,從而引起地表水體下滲現(xiàn)象。因此,隧道開(kāi)挖時(shí)應(yīng)采用短進(jìn)尺,小藥量爆破,控制爆破振動(dòng)對(duì)地表斜坡的影響。
(6)盡快實(shí)施隧道病害處治,在施工期間應(yīng)加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè),做好施工應(yīng)急預(yù)案;隧道行車時(shí),應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)工作,為行車安全提供及時(shí)數(shù)據(jù)。
7 結(jié)語(yǔ)
該隧道ZK45+660~ZK45+900段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的病害,主要表現(xiàn)為地表開(kāi)裂、冒頂、房屋墻體、地板開(kāi)裂,隧道二襯和仰拱發(fā)生開(kāi)裂,左洞產(chǎn)生病害較嚴(yán)重。目前地表變形仍在發(fā)展,強(qiáng)降雨將使地表變形進(jìn)一步加劇,處治不當(dāng)將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此,必須盡快對(duì)地質(zhì)病害進(jìn)行治理,以消除安全隱患及當(dāng)?shù)鼐用耦檻]。建議繼續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)期變形觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)地表變形及隧道變形進(jìn)行觀測(cè),并對(duì)采集的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),指導(dǎo)后續(xù)處治工作。目前未發(fā)現(xiàn)隧道邊墻、拱腰等部位裂縫出現(xiàn)明顯變化,也未發(fā)現(xiàn)有新的裂縫產(chǎn)生,判斷目前隧道地基產(chǎn)生沉降速度緩慢,處于相對(duì)緩慢沉降變形狀態(tài)。因此,應(yīng)加強(qiáng)隧道病害段日常巡查,尤其是雨季期間應(yīng)提高巡查頻率。同時(shí),盡快實(shí)施隧道病害處治,在施工期間應(yīng)加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè),做好施工應(yīng)急預(yù)案。隧道在行車時(shí),應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)工作,為行車安全提供及時(shí)數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn):
[1]JTG 3370.1-2018,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(第一冊(cè) 土建工程)[S].
[2]韋世貴.某隧道病害分析及處治建議[J].西部交通科技,2016(5):75-77.
[3]DB45T 2148-2020,公路工程物探規(guī)范[S].