新開嶺隧道圍巖軟弱夾層段塌方原因及工程對策

施洪乾

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

地下隧道工程開挖前，圍巖應(yīng)力在初始地應(yīng)力場處于三軸壓力的平衡狀態(tài)。當(dāng)隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整分布，使圍巖物理力學(xué)參數(shù)惡化，引起圍巖產(chǎn)生位移，形成松弛［1］－［3］。當(dāng)圍巖無自穩(wěn)能力且支護結(jié)構(gòu)沒及時形成或強度不足時，引起隧道塌方［4］、［5］，從而延誤工期、增加工程造價，也會對現(xiàn)場施工技術(shù)人員人身及生命造成巨大的危害。所以，如何避免塌方，分析塌方原因并提出合理的工程對策，保證隧道施工及運營階段安全是隧道工程界普遍關(guān)注的問題。

本文以安徽六安某高速公路新開嶺隧道圍巖軟弱夾層塌方段為工程背景，通過現(xiàn)場勘察分析其塌方原因，針對其塌方原因提出合理的工程對策，有效避免了塌方事故再次發(fā)生，確保隧道安全施工。本工程的經(jīng)驗可為類似隧道工程設(shè)計、施工提供參考。

1 工程概況

新開嶺隧道為雙車道公路隧道，右線隧道總長3 229 m，左線隧道總長3 179 m。隧址區(qū)節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，隧道部分區(qū)段穿越強風(fēng)化巖質(zhì)夾層。

隧道YK33+531～YK33+524段原設(shè)計為Ⅲ級圍巖，設(shè)計地質(zhì)情況為弱～微風(fēng)化花崗巖，巖石節(jié)理，裂隙較發(fā)育，巖體呈巨塊(石)碎(石)狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體較破碎。地下水不發(fā)育，主要為基巖裂隙水，水量貧乏，該段原設(shè)計支護形式為Ⅲ級圍巖錨噴支護，圍巖穩(wěn)定性較好。

通過對YK33+531處掌子面圍巖地質(zhì)觀察，其圍巖為強－中風(fēng)化花崗巖，巖石節(jié)理發(fā)育，掌子面圍巖較為破碎，風(fēng)化程度高。中部有一條自拱頂向底邊貫通的夾層，圍巖穩(wěn)定性較差。依據(jù)動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工的原則，將YK33+531～YK33+524段由原設(shè)計的Ⅲ級支護形式變更為Ⅳ級圍巖一般支護形式，且已經(jīng)開始施工。在施工里程YK33+526.5～YK33+524.5進(jìn)行立拱架、布設(shè)鋼筋網(wǎng)、安設(shè)錨桿等工序時，在無任何征兆的情況下，該段洞頂突然出現(xiàn)坍方，并延伸至YK33+530.5處，將YK33+530.5～YK33+526.5段已施工的I 12工字鋼拱架壓垮，塌陷總體積約為400 m3，塌陷最大高度達(dá)2.8 m，塌陷平均高度為1.2 m。

塌方區(qū)原設(shè)計為Ⅲ級圍巖，設(shè)計變更為Ⅳ級圍巖，采用Ⅳ級一般支護形式。其具體初期支護參數(shù):φ25中空注槳錨桿L=3.0 m，間距100 cm×100 cm，I 12工字鋼，間距100 cm，噴C25混凝土，厚度18 cm。

2 塌方原因分析

2.1 地質(zhì)因素

通過對塌方區(qū)地質(zhì)勘察，確定塌方體為強風(fēng)化花崗巖，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖層極其破碎，結(jié)構(gòu)松散，無黏結(jié)力。巖層中間夾雜著黏土，而且滲水較大。該處存在滑動面且表面光滑，由此可知該塌方區(qū)圍巖地質(zhì)條件差、物理力學(xué)參數(shù)低、圍巖自穩(wěn)性極差是造成塌方的主要原因。經(jīng)判定此段符合Ⅴ級圍巖特征，與原設(shè)計地質(zhì)情況存在較大差別。

2.2 施工因素

塌方區(qū)原設(shè)計為Ⅲ級圍巖，雖然后來通過現(xiàn)場掌子面描述確定圍巖條件較差，但又將本屬于Ⅴ級圍巖判定為Ⅳ級圍巖，采取Ⅳ級一般支護參數(shù)進(jìn)行施工，由于對圍巖級別判定不夠準(zhǔn)確，因此變更后的支護強度仍然不足，導(dǎo)致已支護區(qū)段也發(fā)生塌方。所以，對圍巖級別判定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致初期支護強度不足是發(fā)生塌方又一原因。

2.3 地下水因素

此段隧道埋深為45～50 m，地下水類型主要為節(jié)理裂隙水，主要來自地表水補給。由于當(dāng)時連日下雨，地表水下滲軟化圍巖，降低圍巖粘聚力和摩擦角，圍巖自穩(wěn)能力減弱，在初期支護未及時施作完成的情況下，圍巖突然失穩(wěn)，發(fā)生塌方。

3 工程對策

依據(jù)塌方區(qū)工程地質(zhì)條件、塌方模式、施工安全等因素確定塌方處理工程對策。

3.1 總體方案

(1)增強塌方影響區(qū)段支護強度，避免再次坍塌。對YK33+538.5～YK33+530.5段加設(shè)I 18工字鋼并噴射一層30 mm厚的混凝土加強支護，拱架間距1 m，每榀拱架兩側(cè)用8根φ22長3 m砂漿錨桿進(jìn)行鎖腳;

(2)封閉塌方體圍巖，增強其自穩(wěn)性。對YK33+530.5～YK33+524.5坍方區(qū)段圍巖表面噴80 mm厚的混凝土，封閉坍塌處外露表面圍巖;

(3)提高塌方區(qū)支護強度，及時施作并形成護殼。將塌方區(qū)支護參數(shù)提高為Ⅴ級加強，對坍方段架立Ⅰ18工字鋼拱架，拱架間距為0.5 m，安設(shè)錨桿、掛網(wǎng)，噴射25 cm厚的混凝土，形成護殼;

(4)填充塌腔體，避免帽頂。對塌方體空腔采用C25的泵送混凝土填充密實;

(5)加強位移監(jiān)控量測。對塌方區(qū)段及其附近增加位移監(jiān)控量測斷面，增加量測頻率，獲取位移及初期支護結(jié)構(gòu)拱頂及邊墻的變形信息，預(yù)測和判斷其穩(wěn)定性。

3.2 施工方案

(1)為防止塌方繼續(xù)發(fā)展，在塌方段后方8 m范圍內(nèi)架設(shè)I 18工字鋼拱架，對已施工初期支護進(jìn)行加強支撐。拱架間距為1 m，共設(shè)9榀，每榀拱架安設(shè)8根φ22長3 m的鎖腳錨桿，拱墻處2根，拱腳處2根，拱架之間采用φ22縱向連接鋼筋連接，環(huán)向連接鋼筋間距為100 cm，在鋼架支護的內(nèi)緣、外緣交錯布置。本段I 18工字鋼支撐為臨時支撐，二次襯砌施工前如該支撐未侵入限界內(nèi)，則不予拆除，否則予以拆除，以保證二次襯砌混凝土厚度;

(2)在YK33+538.5～YK33+530.5段噴射一層30 mm厚的混凝土，將I 18工字鋼拱架與原噴射混凝土面之間的間隙填實，使拱架受力均勻;

(3)YK33+538.5～YK33+530.5段加強支撐穩(wěn)固后，在此加強拱的掩護下，對塌腔體表面初噴一層強度C25，厚8 cm混凝土，封閉塌方體圍巖表面;

(4)在YK33+530處沿圓弧方向架設(shè)第1榀I 18工字鋼拱架支撐，對局部侵限的部位進(jìn)行修整，在未出現(xiàn)坍方側(cè)面安設(shè)φ22砂漿錨桿。錨桿長度為3 m，間距為50 cm×100 cm，在拱墻及拱腳處各安設(shè)兩根φ22鎖腳錨桿，每榀共設(shè)8根，錨桿長度為3 m。在YK33+530.5～YK33+530段拱架間鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。該榀拱架與YK33+530.5處拱架之間采用φ22縱向連接筋連接，連接筋環(huán)向間距為100 cm，在鋼架支護的內(nèi)緣、外緣交錯布置;

(5)在YK33+530.5～YK33+530段坍塌處I 18工字鋼拱架外緣支立模板，然后整段噴射一層25 cm厚的混凝土;

(6)第1榀拱架間混凝土凝固后，在該榀拱架的掩護下，于YK33+529.5處安設(shè)第2榀I 18工字鋼拱架，并在未出現(xiàn)坍方側(cè)面安設(shè)φ22砂漿錨桿，錨桿長度為3 m，間距為50 cm×100 cm，在拱墻及拱腳處各安設(shè)兩根φ22鎖腳錨桿，每榀共設(shè)8根，錨桿長度為3 m。在YK33+530～YK33+529.5段拱架間鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。該榀拱架與YK33+530處拱架之間采用φ22縱向連接筋連接，連接筋環(huán)向間距為100 cm，在鋼架支護的內(nèi)緣、外緣交錯布置;

(7)在YK33+530～YK33+529.5段坍塌處I 18工字鋼拱架外緣支立模板，然后整段噴射一層25 cm厚的混凝土;

(8)在施工拱架的掩護下，采用與第一、二榀拱架相同的方法以0.5 m的間距在YK33+529、YK33+528.5、YK33+528、YK33+527.5、YK33+527、YK33+526.5、YK33+526、YK33+525.5、YK33+525、YK33+524.5處安設(shè)第 3～12榀I 18工字鋼拱架，噴射一層25 cm厚的混凝土，并在第6、7榀拱架之間坍塌最高點處埋設(shè)兩根φ120鋼管，鋼管長度為2.9 m，管口距坍塌最高點噴射混凝土面15 cm，作為在坍方處填充混凝土?xí)r的混凝土輸送導(dǎo)管和通氣管;同時在第6、7榀拱架之間埋設(shè)兩根φ42注漿小導(dǎo)管，導(dǎo)管長為3.0 m，管口距塌體噴射混凝土面3 cm，作為后期注漿用;

(9)待YK33+530.5～YK33+524.5段噴射混凝土達(dá)到一定的強度后，通過埋設(shè)好的兩根φ120鋼管，向塌方處填充C25泵送混凝土，將空腔填實，填充數(shù)量為121.8 m3?；炷撂畛浞?次進(jìn)行，第一次填平拱頂，填充數(shù)量為44 m3;待混凝土達(dá)到設(shè)計強度的85%時進(jìn)行第二次混凝土填充，第二次填充高度為拱頂以上1 m，填充數(shù)量為42 m3;待第二次填充混凝土達(dá)到設(shè)計強度的85%時，進(jìn)行第三次混凝土填充，將坍體空腔填實，填充數(shù)量為35.8 m3;

(10)塌腔混凝土達(dá)到設(shè)計強度100%，在塌體兩腳邊處設(shè)置φ22砂漿錨桿，錨桿長度為3.5 m，間距為50 cm×100 cm，設(shè)置6排，呈梅花型布置;

(11)通過預(yù)埋注漿小導(dǎo)管向塌腔內(nèi)注1∶1水泥漿，使填充混凝土與原巖面緊密結(jié)合。

4 結(jié)論與建議

通過對新開嶺隧道圍巖軟弱夾層塌方段工程對策進(jìn)行詳細(xì)論述主要得出以下結(jié)論和建議。

(1)地質(zhì)因素為引起工程塌方的主要原因，圍巖條件差其自穩(wěn)性就差，易引起塌方。所以現(xiàn)場應(yīng)做好掌子面地質(zhì)描述工作，及時分析和預(yù)測掌子面前方圍巖情況，確保圍巖級別判定準(zhǔn)確和支護參數(shù)滿足強度要求;

(2)增強塌方影響區(qū)段支護強度;封閉塌方體圍巖，增強其自穩(wěn)性;提高塌方區(qū)支護強度并及時施作;填充塌腔體，避免冒頂?shù)裙こ虒Σ呤翘幚硭襟w的有效措施;

(3)該施工方案實施后，塌方段初期支護結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，說明該工程措施有效、安全、可靠，其塌方工程對策為類似隧道工程設(shè)計、施工提供參考。

［1］楊會軍，王夢恕.隧道圍巖變形影響因素分析［J］.鐵道學(xué)報，2006，28(3):92－96

［2］朱仁景.公路隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2007

［3］關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993

［4］關(guān)寶樹.隧道設(shè)計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003

［5］JTJ042－94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］