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        某隧道地表斜坡變形病害分析及處治建議

        2024-01-01 00:00:00韋世貴
        西部交通科技 2024年5期
        關鍵詞:冒頂隧道

        摘要:文章通過對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、隧道病害的機理和發(fā)展趨勢、地表變形的危害進行分析,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,歷史性實現(xiàn)縣縣通高速公路,廣西2023年新增高速公路通車里程將超過800 km。在建的高速公路中,特別是已開通、運營的高速公路隧道易發(fā)生各種病害。本文通過對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、隧道病害的機理和發(fā)展趨勢、地表變形的危害進行分析,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,設計隧道為分離式+小凈距特長隧道[1],設計長度為4 720.00 m,最大埋深約為430 m。隧道在施工過程中,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、地板開裂;左線ZK45+756~ZK45+792段二襯和仰拱發(fā)生開裂;左線ZK45+768~ZK45+780段右側拱腰存在襯砌混凝土塊掉落,危及坡上、坡下居民的生命財產(chǎn)安全。同時,給隧道的正常施工帶來不利影響,甚至危及隧道結構安全[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)及設計概況

        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級圍巖,襯砌類型為S5-P,ZK45+670~ZK45+950段采用超前支護采用雙環(huán)小導管,ZK45+670~ZK45+950段采用CRD開挖法施工。

        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)

        中風化灰?guī)r:灰色,隱晶質(zhì)~微晶結構,厚層~巨厚層狀構造,巖質(zhì)較堅硬,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構的塊體,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,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處左側約85 m塌陷坑(編號為TX1)、K45+685處左側約5 m塌陷坑(編號為TX2)??辈爝M場前,塌陷坑已回填,坑口大致呈圓形,直徑為3~5 m,TX1標高約為806 m,TX2標高約為852 m。根據(jù)向當?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)在塌陷坑地勢較高一側的坡面,多為張拉裂縫,少量為下錯的剪切裂縫,寬度從幾厘米至幾十厘米不等,最大沉降錯臺高度約為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表1。

        3.1.3 房屋病害

        房屋病害最嚴重的是上行線K45+660處右側15 m的一棟民房,房屋為磚混結構,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裂、地板開裂。

        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)生開裂,此段右側二襯存在幾條貫穿性裂縫;ZK45+768~ZK45+780段右側拱腰存在兩處分別為2 m2、0.3 m2的襯砌混凝土塊掉落。詳見圖1。

        4 隧道病害的機理和發(fā)展趨勢

        4.1 地表變形的成因分析

        通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、智能監(jiān)測,并綜合前期地質(zhì)勘察成果,隧道地表變形的演變過程如圖2所示。由圖2可知,這是一個循序漸進的過程,并具有前因后果的關系。產(chǎn)生地表變形的原因是多方面的,可歸納為以下幾點:

        (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,風化、溶蝕強烈。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,圍巖以巖石夾土為主,含水量高,穩(wěn)定性較差,在隧道開挖掘進施工過程中容易發(fā)生突泥、坍塌、冒頂?shù)仁┕さ刭|(zhì)災害。

        (2)隧道開挖過程中發(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)塌陷坑得不到及時填埋,地表排水系統(tǒng)得不到及時恢復,使得塌陷坑周圍土體不斷坍塌,塌陷坑不斷擴大,地勢較高一側臨空土體產(chǎn)生向下蠕動變形,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,抗剪強度減弱,穩(wěn)定性降低,使圍巖中已存在的空腔拱壁進一步坍塌,直至冒頂,產(chǎn)生更多的塌陷坑;已有塌陷坑進一步擴大,地勢較高一側土體向下蠕動變形加劇,甚至可能發(fā)生整體滑移。

        (5)隧道開挖過程中發(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,坍塌不斷擴大,地勢較高一側的居民房地基下方的土體產(chǎn)生向下蠕動變形,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、地板等開裂。

        4.2 隧道病害的機理

        (1)根據(jù)鉆探、物探成果,碎石混黏土結構松散,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,結構不密實,地下水作用帶走地基中的細小顆粒。在隧道開挖施工過程中,由于隧道放炮開挖產(chǎn)生振動,從而引起地面產(chǎn)生裂縫、冒頂及房屋墻體、地板產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。詳見圖3。

        4.3 隧道病害的發(fā)展趨勢

        根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、智能監(jiān)測及收集到的有關資料,病害主要表現(xiàn)為地表開裂、冒頂、房屋墻體、地板開裂,隧道二襯開裂、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,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)??辈炱陂g對隧道進行觀察,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,處于相對緩慢沉降變形狀態(tài)。因此,目前地基出現(xiàn)快速沉降對隧道產(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載影響,地基沉降變形的狀態(tài)會持續(xù)惡化,危及隧道結構安全。

        5 地表變形的危害評價

        由于該隧道天峨端出現(xiàn)了嚴重的地表變形、居民房屋開裂現(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了很大影響,當?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,安置于救災帳篷中,并在下方設置警戒線,安排專職人員蹲守值班,嚴禁無關人員靠近。而施工單位也對天峨端左洞及右洞暫停各工序施工,封閉掌子面,撤離所有人員及機械設備,加強洞口進出洞管理;組織人員對塌陷坑及局部地表裂縫進行封閉、回填,防止雨水灌入。

        從地質(zhì)專業(yè)角度,對該隧道ZK45+660~ZK45+900段斜坡地表變形病害的危害程度評價如下:

        (1)目前雖然已對塌陷坑及局部地表裂縫進行封閉、回填,但從現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及走訪來看,塌陷坑回填較松散,并未分層夯實,沒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)待雨季來臨,雨水通過裂縫、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,嚴重危及坡上、坡下居民的生命財產(chǎn)安全。同時,在滑坡體巨大的牽引力作用下,可能造成隧道洞體嚴重變形或垮塌。

        (3)據(jù)調(diào)查,目前,在塌陷坑地勢較低一側的坡下民居附近地表尚未發(fā)現(xiàn)新鮮裂縫,說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。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,從而導致房屋地基產(chǎn)生不均勻沉陷,有進一步使地板、墻面裂縫的可能,對坡上的居民的生命財產(chǎn)安全構成威脅。

        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系,因此,在本隧道開挖過程中,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)變形的基本指導思想。出現(xiàn)地表變形后,應盡快填埋塌陷坑、封閉裂縫和恢復地表正常排水系統(tǒng),防止地質(zhì)病害進一步發(fā)展,避免因此釀成嚴重后果。按照“先急后緩、標本兼治”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,取土時應剔除植物根莖及腐植物,并分層夯實;

        (2)夯實封閉所有地表裂縫,平整作業(yè)區(qū)的地表,恢復以面流排水為主的地表排水系統(tǒng);

        (3)恢復作業(yè)區(qū)的植被。

        6.2 隧道病害工程處治及建議

        (1)對局部軟弱圍巖和仰拱基底進行加強處治;對襯砌開裂段全斷面注漿加固圍巖,對二襯開裂段進行換拱處理;對尚未開挖的左洞、右洞加強超前地質(zhì)預報,加強巖溶探測,實施大仰角超前鉆探,并加強隧道初期支護,控制圍巖變形。

        (2)加強地表、隧道內(nèi)監(jiān)測,加強洞內(nèi)地質(zhì)雷達及應力應變監(jiān)測,繼續(xù)推進長期變形觀測系統(tǒng),對裂縫變形、地表變形及隧道變形進行觀測,并對采集的變形數(shù)據(jù)進行分析與評價,指導后續(xù)處治工作;加強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,尤其是雨季期間應提高巡查頻率,若發(fā)現(xiàn)新增病害,應及時上報處理。

        (3)襯砌開裂段全斷面注漿加固圍巖,對二襯開裂段進行換拱處理。

        (4)對尚未開挖的左洞、右洞加強超前地質(zhì)預報,加強巖溶探測,實施大仰角超前鉆探,并加強隧道初期支護,控制圍巖變形。

        (5)隧道從山體斜坡的水源點一、水源點二下方穿過,該兩水源點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透水層,隧道放炮開挖產(chǎn)生振動,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,隧道開挖時應采用短進尺,小藥量爆破,控制爆破振動對地表斜坡的影響。

        (6)盡快實施隧道病害處治,在施工期間應加強隧道結構安全監(jiān)測,做好施工應急預案;隧道行車時,應加強檢測、監(jiān)測工作,為行車安全提供及時數(shù)據(jù)。

        7 結語

        該隧道ZK45+660~ZK45+900段出現(xiàn)了較嚴重的病害,主要表現(xiàn)為地表開裂、冒頂、房屋墻體、地板開裂,隧道二襯和仰拱發(fā)生開裂,左洞產(chǎn)生病害較嚴重。目前地表變形仍在發(fā)展,強降雨將使地表變形進一步加劇,處治不當將產(chǎn)生嚴重后果。因此,必須盡快對地質(zhì)病害進行治理,以消除安全隱患及當?shù)鼐用耦檻]。建議繼續(xù)推進長期變形觀測系統(tǒng),對地表變形及隧道變形進行觀測,并對采集的變形數(shù)據(jù)進行分析與評價,指導后續(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,處于相對緩慢沉降變形狀態(tài)。因此,應加強隧道病害段日常巡查,尤其是雨季期間應提高巡查頻率。同時,盡快實施隧道病害處治,在施工期間應加強隧道結構安全監(jiān)測,做好施工應急預案。隧道在行車時,應加強檢測、監(jiān)測工作,為行車安全提供及時數(shù)據(jù)。

        參考文獻:

        [1]JTG 3370.1-2018,公路隧道設計規(guī)范(第一冊 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].

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