九嶷山隧道洞口淺埋段塌方處理及總結

李昕 張濤

近年來,我國公路建設得到了迅猛的發展,高速公路隧道數量越來越多,并不斷的向山區延伸。九嶷山隧道跨湘粵省界,貫穿九嶷山脈右線全長6385 m,左線全長6378.746 m。隧道左洞施工到ZK140+133時,發生了頂部坍塌。該段隧道為偏壓地段,覆蓋層最薄處約18 m,圍巖級別為Ⅴ級、Ⅳ級圍巖過渡地段,本文著重對本次塌方的原因及處理方案進行探討及分析。

1 塌方情況

2009年9月25日,九嶷山隧道左線在對ZK140+133.6掌子面進行爆破開挖至ZK140+136,出渣完畢后,在噴射拱頂混凝土時,拱頂開始不間斷掉塊,并于次日凌晨拱頂塌方,塌方體塌至拱頂,隨后塌體基本穩定無擴大。在該樁號位置發現有地表沉陷,沉陷范圍縱向8.9 m、橫向10 m,沉降最淺1.5 m、最深13 m。至26日6時,塌方基本穩定無擴大,塌體呈較穩定狀態。

2 原因分析

1)工程地質原因:塌方部分處在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖過渡地段,由于風化分層級節理切割,掌子面不均勻風化嚴重。斷面右側圍巖弱風化花崗巖,穩定性較好,左側拱頂圍巖為強風化花崗巖(設計為弱～微風化花崗巖),伴有股水流出,穩定性很差,且存在偏壓。圍巖處于軟硬巖交替地段,在開挖掘進的擾動下,造成拱頂失穩。2)地表擾動原因:在拱頂左側山體因施工需要,修建臨時用房,臨時開挖坡面人為造成了隧道左洞偏壓程度加大,使洞頂全、強風化層。3)施工方案原因:施工單位在施工到該地段時,未根據掌子面地質情況及時調整施工方案及開挖斷面,且在一次進尺過大(ZK140+133.6～ZK140+136,達 2.6 m),破壞了超前支護的受力,從而造成凌空面失穩。

3 塌方處理方案

1)洞內加固措施。首先對塌方形成的掌子面進行封閉處理,先采用30cm厚的掛網噴射混凝土進行臨時封堵,再采用φ 42×4的鋼管對塌方體進行注漿(水泥漿)固結,鋼管長 6 m、間距1.0 m梅花形布置,拱頂及左側鋼管間距適當加密。塌方后段加固,在靠近掌子面的ZK140+127～ZK140+133段,原有初期支護內緣采用Ⅰ18工字鋼作臨時加強支護,間距0.5 m,鋼拱架與原初期支護間存在的空隙采用C20噴射混凝土墊實,縱向用φ 22螺紋鋼進行連接,間距1.0 m;臨時加固拱架完成后,采用3.5 m長的φ 42小導管,對其周邊進行加固注漿處理。通過以上措施,使塌方后段支護得到加強,并且由于對塌方體進行臨時封閉,防止了整個松動圈的繼續擴大。

2)洞外處置措施。在洞外地表沉陷范圍3 m以外開挖臨時排水溝,同時對地表拉裂范圍采用彩條布進行覆蓋,防止雨水灌入,加大沉陷量。對地表塌陷坑采用φ 42×4的鋼管進行注漿(水泥漿)加固,長6 m、間距1.0 m梅花形布置。然后回填土并進行夯實,同時在回填土表面噴射10cm厚C20混凝土。對施工臨時用房開挖所形成的臨時邊坡,按永久防護要求,補充坡面錨桿、護面墻,穩定,防止塌方體前后地段發生類似事件。

3)塌方地段的通過。在周邊臨時加強支護施作完畢后,打設兩環長8 m,φ 89的鋼管進行超前管棚注漿(水泥漿)支護,鋼管環距0.4 m,通過φ 89超前管棚,使得塌方體內拱部形成一個注漿加固圈,形成開挖條件。超前管棚支護下采用Ⅰ18工字鋼進行支護,間距0.5 m,同時為防止管棚間隙掉塊,開挖前根據管棚間隙設置超前小導管,進行補充超前支護。塌方體的開挖采用短進尺,徑向錨桿、鎖腳錨桿均采用φ 42×4、長4 m的鋼管進行注漿加固,擴大注漿加固圈范圍。在通過塌方體的過程中,要求認真做好各項施工監測工作,并且根據監控結果,隨時調整支護范圍及支護參數,以確保施工安全。初期支護完成后,要求對塌方體前后地段及時進行二次襯砌的施作。

4 經驗及總結

1)在隧道淺埋、偏壓地段,必須按要求進行地表監控量測,并與洞內初期支護收斂觀測數據進行互相校核,以及時掌握圍巖在開挖過程中的動態和支護結構的穩定狀態,提供有關隧道施工的全面、系統信息資料,以便及時調整支護參數。2)開挖過程中尤其在設計圍巖級別變化地段,由于掌子面圍巖的不均勻風化,使洞室在軟、硬不均的巖石中開挖,洞周圍巖往往會在巖節理裂隙面間錯動,出現掉塊乃至坍塌。這種情況下,需根據前后掌子面地質素描,短距離超前預報,對前方圍巖情況進行判斷,調整超前支護、系統錨桿的分布范圍及打設方向,以確保開挖的安全。3)超前錨桿(超前小導管)的作用在于預支護掌子面前方圍巖,其一端焊接于已架設拱架上,另一端錨固于未開挖圍巖當中,其受力模式接近于一端鉸支、一端固定梁。施工開挖進尺過大時,未開挖圍巖如產生松動,使超前支護設計受力模式發生改變,原本固定端被破壞,從而使超前錨桿失去作用。因此隧道施工時必須控制施工進尺,使超前支護充分發揮作用。4)當圍巖發生變化時,拱頂圍巖為Ⅴ級時,需適時調整施工方案,采用臺階法施工時,需保留核心土,第一個臺階高度不宜大于2.5 m,以便快速將頂部工字鋼架或格柵鋼架安裝就位,確保施工安全。5)防范于未然:隧道在淺埋、偏壓、富水斷層帶施工,需將洞周作為重大危險源,事先擬訂事故發生的應急方案,在掌子面附近預備搶險物資,并提前進行安全演練,以便在發生事故時,及時處理。

當隧道發生坍塌后,由于坍塌的處理是一項高危工作,因此擬訂處理方案必須及時、恰當,組織需嚴密、到位,才能順利的完成塌方善后工作。

1)發生塌方后,應及時查看洞內、外情況,分析原因及塌方發展趨勢。在摸清情況的基礎上,擬訂處理方案。2)此類型塌方的處置要點是對塌體的封堵和對未塌方地段的加固。及時封堵掌子面及塌落面能穩定圍巖,防止空腔擴大,通過掌子面封堵和后方塌方地段的加固后,才能對塌方體處理提供安全保障。3)淺埋段的塌方往往伴隨著地面沉陷乃至冒頂,對于地面沉陷地段,需及時采取措施,防止地面水的下滲。由于下方為空洞段,地面沉陷段的處理需尤其注意安全,回填處理需在洞內形成穩定支護后方能進行。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2] 關寶樹.隧道工程設計、施工要點集[Z].2005.

[3] 羅元明.隧道塌方原因分析與處理[J].山西建筑,2009,35(10):321-322.