桑樹灣隧道Ⅲ級圍巖水平巖層防塌施工技術

曹康俊

1 工程概況

包西鐵路通道桑樹灣隧道位于陜西省洛川線西側約12 km,起訖里程為DK598+359～DK603+525(在 DK603+100處有一長鏈,長11.98 m),全長5 177.98 m。隧道區地貌上屬黃土臺塬區,進出口均位于洛河左岸基巖裸露的斜坡地帶,隧道洞身最大埋深200 m,主要通過三疊系頁巖夾砂巖、砂巖夾泥巖,節理發育,有裂隙水滲出,圍巖軟硬相間,巖層近水平,傾角 2°～7°。隧道設計為雙線隧道,隧道斷面有效面積(軌面以上)為80 m2。隧道圍巖以Ⅲ級為主,占隧道全長的93%。

2 隧道塌方的預防

2.1 發生塌方的原因

2.1.1 地質因素

1)水平巖層。本段線路在地質構造上屬中朝準地臺的二級構造單元——陜甘寧臺坳,構造作用主要表現為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升為主,這是隧道拱部穩定性較差的物質因素。2)垂直節理。本區巖體主要發育東西向和南北向兩組構造垂直節理,如果隧道遇到該兩組隱性節理,對巖體切割,隧道應力調整大、時間長,易產生塌方。3)軟硬相間。本區發育的巖層中,泥巖及頁巖一般以砂質為主,巖質相對較軟,砂巖以鈣質為主,巖質相對較硬,巖性軟硬相間,巖體風化不均,層間結合相對較差,開挖后圍巖應力調整時間較長,是拱部塌方滯后的原因之一。4)隧道初期支護施工后慢慢滲水并增大。隧道剛開挖時干燥無水,節理裂隙水沿爆破后形成的縱向裂隙慢慢下滲,首先雨水滲入黃土增大了隧道拱頂的荷載,其次下滲到隧道周邊,對隧道拱部的頁巖和泥巖夾層將起到軟化作用,已施工的隧道初期支護受到這兩種不利影響,造成拱部局部坍塌。5)拱頂覆蓋的水平巖層厚度較薄。如果實際的拱頂頁巖、泥巖厚度較薄,光面爆破效果很差,隧道拱部很難形成自然拱,在其上部較厚的黃土荷載壓力下,已經施工的隧道初期支護難以承受,造成拱部局部坍塌。

2.1.2 施工因素

1)開挖爆破震動。早期掌子面爆破震動大,拱部巖石慢慢剝落。噴射混凝土臨近掌子面,受爆破震動大,噴混凝土早期強度受到很大影響。后期仰拱開挖,拱部巖石、初期支護再次受到振動。故拱部先出現掉塊,慢慢發展成坍塌。2)原設計Ⅲ級圍巖支護措施過于薄弱。3)個別段落圍巖量測不可能預見所有塌方的發生。

2.2 水平巖層塌方的特點

一般拱部局部坍塌滯后隧道掌子面開挖里程2倍～3倍洞徑,約為30 m～50 m,該段初期支護施工已完成,并且分次逐步坍塌,開始小,慢慢牽引臨近地段,塌方段落長,影響范圍大,最長的約有35 m,一般拱部坍塌寬度約為5 m～8 m,高度約為2 m～3 m。

2.3 塌方前的預兆

1)水文地質條件的變化。如干燥圍巖突然出水、地下水突然增多、涌水量增大、水質由清變濁等都是即將發生塌方的前兆。2)拱頂不斷掉下小石塊,甚至較大的石塊相繼掉落,預示著圍巖即將發生塌方。3)圍巖節理面裂縫逐步擴大,很可能要發生塌方。4)支護結構變形,甚至發出聲響,有坍塌的可能。5)圍巖或支護結構拱腳附近的水平收斂率大于0.2 mm/d或拱頂下沉量大于0.1 mm/d,并繼續增大時,說明圍巖仍在發生變形,處于不穩定的狀態,有可能出現失穩塌方。

3 預防塌方的施工措施

3.1 超前地質預報

對地質條件復雜地段,要在地質的基礎上,進行物探超前地質預報,一般以TSP202,TSP203為主;對地下水發育的地段,要采用紅外探水對掌子面前方的地下水進行預報。對規模較大的區域性斷層、物探超前預報異常的地段,在地質編錄和物探超前預報的基礎上,要通過超前水平鉆探進一步確定掌子面前方的地質情況。對于地質超前預報揭示的不良地質或特殊巖土地段要高度重視,及時向有關單位和人員匯報,并采取必要的控制預防措施,制定得當的施工方案,避免工程災害事故的發生。

3.2 控制好開挖進尺及采用合理的爆破方案

1)為了減小對圍巖不必要的破壞,要注意同一段的共同作用裝藥量不能超過計算的最大單級允許裝藥量。2)靠近周邊眼的內圈炮眼應與周邊眼有相同的斜率傾角。3)周邊眼應嚴格按照設計位置布置,斷面拐角處應布置炮眼。4)炮眼一定要用黃泥進行封堵,以提高炮眼的效率。5)裝藥時一定要按光面爆破的起爆順序進行裝藥,避免混裝。6)為了取得較好的炮眼質量及提高鉆眼速度,要做到“四不鉆”,即不鉆殘眼、不鉆破碎層、不鉆石縫、不鉆軟夾層。7)每循環進尺嚴格控制在2.4 m左右(2榀鋼格柵間距),爆破后盡早封閉巖面,減少圍巖暴露時間。

3.3 拱部設置格柵拱架

1)砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀。a.如果隧道拱部圍巖為近水平砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀,節理發育,巖體完整性較差,層間結合差,多有分離現象;邊墻穩定性較好。基巖裂隙水不發育,局部偶有滲水,采用拱部 150°鋼格柵的措施,見圖 1。b.如果隧道拱部圍巖為近水平砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀,節理發育,巖體完整性較差,層間結合差,多有分離現象;邊墻穩定性較好。基巖裂隙水不發育,局部偶有滲水,在150°鋼架拱腳處圍巖破碎,則將拱腳下移,采用拱部180°鋼架的措施,見圖2。

2)砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁巖互層,薄層狀。如果隧道拱部圍巖為近水平砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁巖互層,薄層狀,節理發育,巖體完整性較差,層間結合差,多有分離現象;邊墻由于軟巖有風化現象,穩定性相對較差。基巖裂隙水較發育,局部偶有滴水,采用拱墻鋼格柵的措施,見圖3。

3)采用調整圍巖級別的加強措施。為了施工和運營安全,必要時采用調整圍巖級別的加強措施。如Ⅲ級水平成層圍巖臨近斷層及影響帶時,或拱部巖層厚度較小、地下水很大時,采用調整圍巖級別的加強措施以確保施工安全。

3.4 噴錨支護施工工藝

1)系統錨桿。隧道系統錨桿采用全長粘結φ 22 mm砂漿錨桿。錨桿打入方向一般應接近于隧道徑向,但在層狀圍巖中,錨桿的方向宜盡量與圍巖面大角度相交,在頁巖或砂巖的水平巖層地段,邊墻錨桿局部設置,其余改按等數量的拱部超前錨桿。2)格柵鋼架。格柵鋼架在洞外鋼構件廠鋼板作業平臺上,先按設計鋼格柵放出大樣圖,然后沿放出的大樣焊接短鋼筋,制作出格柵加工大樣,再將已彎制好的鋼筋放入格柵加工大樣焊接成鋼格柵。鋼架加工的焊接不得有假焊,焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。每榀鋼架加工完成后放在水泥地面上試拼,周邊拼裝允許誤差為±3 cm,平面翹曲小于2 cm。鋼架在開挖或噴混凝土后及時架設。

4 掌子面附近的掉塊現象

這種情況往往發生在爆破后6 h～8 h,正好是出完渣,用架子車立格柵鋼架的時間。開挖后圍巖應力重新分布,初期支護還未施工完成,頁巖在自重作用下從中間斷裂,發生掉塊現象。隧道每開挖循環在2.4 m左右,上一循環的初期支護施工完成,和圍巖共同受力,所以掌子面附近不會發生大塌方,但掉塊現象不可避免。掌子面附近又是作業人員比較集中的地方,很容易發生安全事故,這就要求我們在出渣排險時,工作一定要細致,盡可能用挖機把拱頂危石排除;作業人員上架后用鉆桿敲擊拱頂頁巖,從聲音可以判斷頁巖和上一層是否已經剝離,從而采取相應防護措施;作業架上要有專人觀察拱頂情況,及時發出預警。

5 結語

桑樹灣隧道2008年8月～10月間連續發生三次塌方,長度均在30 m左右。后來在水平巖層地段采取拱部設置格柵鋼架的處理措施,收到顯著效果。隧道進出口再未發生過拱部坍塌,月進尺都保持在150 m左右。在隧道的施工尤其是長大隧道的施工過程中,應該做到心中有數,把預防隧道塌方作為重點,將隧道塌方列入成本控制中,在隧道施工中樹立起“不塌方就是效益,塌方就是責任事故”的指導思想。

[1]馮 靖,田 斌,郭 建.客運專線大斷面軟弱圍巖隧道塌方預防與整治技術[J].鐵道標準設計,2007(sup):1.

[2]李新皇.淺談大窩山隧道進口段軟弱圍巖短臺階施工[J].山西建筑,2008,34(33):327-328.