玉希莫勒蓋隧道塌方分析及治理

炊鵬飛,李 輝,張宏剛,孫錦家

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安710055;2.西安理工大學 水利水電學院,陜西西安 710048;3.陜西元創建筑設計有限公司,陜西西安 710075)

0 引 言

我國是一個多山的國家[1],為縮短交通里程和提高公路等級,山區公路建設需要修建大量隧道,而隧道工程所遇到的地質條件千變萬化,圍巖與支護相互作用十分復雜,特別是隧道穿越軟弱地質層部分。因此,監控量測對于隧道工程設計施工顯得尤為重要。隧道塌方事故在隧道修筑過程中頻繁出現,隧道穿過斷層等軟弱地質層時尤甚,國內一些專家學者在這方面做了大量的研究[2～4]。及時準確的分析隧道塌方原因,提出合理的施工方法,對隧道的后續施工和我國隧道施工提供寶貴經驗顯得尤為重要。

1 工程概況

玉希莫勒蓋隧道位于新疆G217線上,全長1 943 m。G217線是一條溝通南北疆的大通道,是新疆“二縱三橫”公路主骨架中的一縱,同時又是國家國防公路網絡中的一條重要組成路線,在新疆公路網中占據著最重要的地位。而其中喬爾瑪至那拉堤段需翻越天山玉希莫勒蓋達坂,是其中重要的一段。為使車輛安全運行,同時縮短交通里程,修建了玉希莫勒蓋隧道。隧道進出口里程K722+095～K724+038。隧道進口高程約為3 200m,出口高程約為3 230 m,隧道在出口段穿越斷層,斷層分布在玉希莫勒蓋達坂頂部偏南,長度大于60 km,斷層總體走向N49°W,傾向 NE,局部略有曲折,傾角80°～85°,與線路在K723+750(設計樁號)處斜交,斷層破碎帶寬度150 m～200 m,其主要為因強烈的構造擠壓變質作用形成的綠泥石片巖及絹云母片巖,巖體基本質量指標BQ=178.5。隧道洞身于K723+600～K724+038通過該斷層破碎帶,受斷裂構造影響,圍巖巖體極為破碎,易產生透水、坍塌等不良地質問題。

隧道斷層帶最初設計支護方式參見表1。

隧道穿越斷層及其破碎帶部分采用三臺階超短臺階法施工,上、中臺階長5m,仰拱距下臺階10 m～15 m,二次襯砌距仰拱端頭不大于50 m,各施工工序間距如圖1所示。

表1 隧道斷層帶支護參數

圖1 斷層帶施工工序

2 監控量測點布設情況及量測結果

2.1 監控量測點的布設

量測點的布設應盡快進行[5,6],以盡量及早獲得靠近推進工作面的動態數據,一般規定,應測項目測點的初讀數,應在爆破后24 h內,并在下一循環爆破前取得。量測初始值時,測點位置距離開挖工作面距離不應超過2 m,實際上有的測點已經安設在距離開挖掌子面0.5 m左右的斷面上(拱頂沉降測點、凈空位移測點一般焊接在拱架上),觀測效果更佳,但需加強測點保護。

在隧道出口端斷層帶沿隧道縱向每隔5 m布置測點分別對初次支護拱頂下沉、凈空位移(拱腳水平收斂及墻腰水平收斂和二次襯砌的收斂)等進行量測。監測儀器分別使用DSZ2水準儀(配測微器)和JSS30A型數顯收斂計,測點布置見圖2。

圖2 測點布置示意圖

2.2 量測結果

拱頂沉降和周邊收斂是圍巖及支護應力形態變化最直觀的反映,能為地下洞室穩定性提供可靠直接的信息,且易測取[7]。

本文主要對塌方段K723+911～K723+919之間的K723+915橫斷面上所布監測點的監測結果予以研究。K723+915斷面監測結果見表2,監測項目曲線如圖3和圖4所示。

表2 K723+915斷面拱頂沉降和拱腳水平收斂(2-3)實測值

3 監測數據綜合分析及信息反饋

3.1 拱頂沉降監測數據分析

從圖3、圖4可以看出,量測第8 d～9 d出現沉降速率增大的情況,沉降速率均值超過了10 mm/d,說明沉降不正常,需要對支護結構予以加強。通過采取加長超前小導管、中空注漿錨桿的長度,以及豎立臨時中隔墻(工字鋼)支撐的方法,從而使累計沉降曲線和沉降速率曲線回歸正常變化方式。而從第11 d開始,沉降速率又迅速增大。在量測的第13 d時,沉降速率突然增大為33 mm/d,累積沉降值達到121 mm,是預留變形量的4倍,從而使車輛建筑界限達不到設計標準要求。

圖3 K723+915拱頂沉降和水平收斂累計時程曲線

3.2 周邊收斂監測結果分析

從圖3、圖4可以看出,拱腳水平收斂量測數據變化情況和拱頂沉降相似,收斂速率也在量測的第10 d出現速率大于10 mm/d的情況。只不過在采取支護加強措施后累計水平收斂值仍然變化較大,收斂速率在加強支護后的2 d出現較小的下降,但收斂速率最小也有6.1 mm/d,而從第 11 d又繼續迅速增長。量測的第14d速率增大到31.01 mm/d,累積收斂值達到128.93 mm。

圖4 K723+915拱頂沉降和水平收斂速率曲線

3.3 綜合分析及塌方過程描述

4 塌方原因分析

7月29日早晨9點鐘塌方處出現大量涌水現象,圍巖碎屑伴隨著水流一起擁下來。在塌方處理過程中發現隧道上方右側的空洞區面積遠大于左側,同時測量數據顯示隧道右側(1-3)收斂值為負,說明隧道右側的測點沉降值相對拱頂沉降值要大,說明存在偏壓。綜合考慮隧道塌方的原因,主要從以下幾個方面來分析:

(1)巖石性質因素。該段是斷層破碎帶,主要為綠泥石片巖及絹云母片巖,通常力學強度低、松散、整體性差、遇水軟化、崩解等。

(2)水的影響。在無地下水的情況下,隧道通過斷層破碎帶時圍巖的穩定性總是較好的或危害比較輕微且易于克服的,當存在地下水時,情況就要復雜的多。而該斷層屬于中等富水斷層,單位洞身涌水量為16.42 m3/d。地下水可產生三方面的作用:帶走細小顆粒、軟化結構面、產生空隙水壓力,這些作用可使圍巖由局部變形失穩發展到整體失穩。此外,頻繁降雨是塌方的誘因,平均每3 d就有一次降雨,降雨次數多且時間間隔短。雨水的入侵導致了圍巖的重量增加,巖體間的膠結性降低,從而使強度和自穩能力都降低,加劇了隧洞圍巖的失穩和坍塌。

(3)施工過程對隧洞穩定性的影響。隧道施工中斷層破碎帶段的爆破沒有采取相應的控制爆破措施,從而使巖體受到較大的擾動,加速了圍巖的失穩。另一方面,應急措施方案不徹底、不及時、相關人員重視程度不夠。

5 塌方后的綜合處理方案

變三臺階超短臺階法施工為CRD法施工,開挖過程中嚴格控制每循環進尺長度,開挖方式主要為人工配合風鎬挖掘。施工總體思路和施工工序:首先施作超前注漿小導管對洞室四周塌方體進行超前注漿加固,防止開挖過程中發生坍塌;接著開挖左、右上導洞巖體,施作初期支護、臨時仰拱和臨時支撐。最后開挖左、右下導洞部分巖體,施作初期支護和臨時支撐。隧道支護參數基本上同表1,拱部120°范圍內的超前小導管長度變為6 m,加密格柵鋼架的縱向連接鋼筋φ 25,環向間距50 cm,其余支護參數都不變。塌方后隧道橫斷面施工步驟和支護參數見圖5。

圖5 塌方后隧道橫斷面施工步驟及支護方式示意圖

具體施工步驟如下:Ⅰ小導管超前支護,2開挖上部導洞,Ⅲ上部初期支護,Ⅳ施做臨時仰拱、上部臨時鋼支撐,5開挖下部導洞,Ⅵ下部邊墻初期支護,Ⅶ施做下部臨時鋼支撐,Ⅷ施做仰拱初期支護,Ⅸ鋪設防水層、模筑二次襯砌。

6 塌方處理效果評價

6.1 塌方處理后塌方段監測結果

塌方處理后各斷面拱頂沉降和水平收斂(2-3)隨時間變化曲線見圖6、圖7。

圖6 塌方段各斷面拱頂沉降累計時程曲線

圖7 塌方段各斷面水平收斂累計時程曲線

6.2 塌方處理后數據分析

從塌方處理后的累計拱頂沉降值和累計水平收斂值的數據分析可知,各斷面的累計沉降量和收斂量都在15 mm～25 mm之間,小于預留變形量30 mm。分別經過7 d～10 d和8 d～11 d的變形之后,拱頂沉降速率和周邊收斂速率分別降低到1mm/d以下。由此可知,經過塌方處理后,該段的變形是穩定的,處理方案是可靠有效的。

7 結 論

(1)在隧道施工時,建立完整的監控量測及信息反饋系統,對準確判斷隧道的穩定性和確保施工人員的安全是重要和必要的。

(2)該類型隧道塌方采用CRD法施工,超前注漿小導管支護、鋼筋格柵支撐、中空注漿錨桿及噴射混凝土的處理方式來處理是有效可行的,可以為類似穿越斷層及其破碎帶的隧道施工提供借鑒。

(3)隧道通過斷層破碎帶等軟弱圍壓夾層,當采用爆破掘進時,應采取相應的控制爆破措施。

(4)該類型隧道出現險情時,相關人員應充分重視,及時采取徹底可靠的應急處理措施,避免險情進一步擴大而發生塌方。

[1]朱漢華,尚岳全.公路隧道設計與施工新法[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]劉志春,李文江,孫明磊,等.烏鞘嶺隧道F4斷層區段監控量測綜合分析[J].巖石力學與工程學報,2006,25(7):1502-1511.

[3]楊會軍,胡春林,諶文武,等.斷層及其破碎帶隧道信息化施工[J].巖石力學與工程學報,2004,23(22):3917-3922.

[4]張志勇,傅錢俊,方文俊,等.桃樹埡隧道塌方原因分析及處治方案[J].中外公路,2010,30(3):226-229.

[5]徐干成,白洪才,鄭穎人,等.地下工程支護結構[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[6]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7]李曉紅.隧道新奧法及其量測技術[M].北京:科學出版社,2002.