復雜地質條件下隧道塌方處治分析

祝云華

(內江師范學院工程技術學院,四川內江641112)

隧道塌方是目前隧道工程中經常出現的問題,隧道中的巖石在開挖后,原有的巖體結構和受力平衡被破壞,巖體在自重的作用下,應力重新分布,構成新的受力平衡體系,在施工的過程中存在著許多的不確定因素,很容易因各種原因而造成塌方[1-2]。因此,如何采取有效措施預防和治理塌方,將塌方造成的危害降至最低,是隧道施工中最關鍵的問題。本文結合在建某復雜地質條件下的隧道工程,對其在施工過程中塌方處治技術進行較為深入研究,以便為今后軟弱圍巖隧道塌方的處治提供參考資料。

1 工程概況

杭州至蘭州高速公路某隧道為一座上、下行分離的四車道特長隧道,隧道位于重慶市巫山縣龍井鄉白水村至金雞村之間,呈近東西向展布,巫山端洞口位于龍井鄉白水村,奉節端洞口位于龍井鄉金雞村。隧道最大埋深約305 m,隧道右線巫山端洞口位于平曲線上,曲線半徑為R=2 700 m。右線奉節端洞口位于直線上。隧道左線縱坡為2.4%的單向坡,右線縱坡為2.4%和1.8%的單向坡。

隧道區內主要褶皺為齊躍山背斜,巫山向斜,隧道區處在齊躍山背斜南翼。出露地層為三迭系中統巴車組(T2b)及第四系殘坡積碎石土(Qel+dl)。巖層產狀陡、變化大,基巖傾向南西～北東,傾角28°～78°,淺部巖石風化裂隙發育,巖體完整性較差,深部節理裂隙不發育～較發育,節理裂隙對隧道圍巖穩定性產生不利影響。隧道區基巖絕大部分為碳酸鹽類巖石,裂隙巖溶水較豐富,除右線出口外,其余進出口為泥質粉砂巖,含風化裂隙水,地下水接受大氣降水入滲補給;隧道水文地質條件屬較復雜類型;隧道洞室具滲流現象,地下水對隧道施工影響較大,隧道圍巖塌方破壞都發生在泥巖地段。

2 隧道塌方主要原因及特點

2.1 塌方原因分析

2.1.1 工程地質因素

隧道YK34+620～YK34+680段距進口620 m～680 m,埋深約100m,不同基巖巖性之間及不同風化程度之間存在一定電性差異及密度差異,存在一定程度的斷層及構造破碎帶,巖體節理裂隙發育、結構松散,層間結合力較低;圍巖為強風化鈣質膠結泥巖,自承能力差自穩時間短,遇水后易軟化膨脹;該段的初期支護強度又明顯不夠,不能有效的阻止軟弱圍巖的流變,加之軟巖流變性突出,圍巖異常變形速率大、持續時間長,巖體蠕變現象突出,使得圍巖松動圈不斷擴大,以致初期支護無法承受擴大后的松散巖體自身的圍壓,最終隧道結構失穩而塌方。

2.1.2 地下水造成的塌方因素

隧道塌方段圍巖基本上為鈣質泥巖,遇水后易發生軟化和泥化現象,使得開挖巖體強度及自穩能力大大降低;且隨水的入滲,地表位移逐漸增加,隧道塌方前,地表位移增加趨勢明顯;同時隧道粘土礦物的存在又使得泥巖遇水膨脹,進而產生大量的微孔隙,這些微孔隙的出現及其吸附效應的影響[3],將破壞泥巖的天然內部結構,最終導致巖體顆粒的碎裂解體;粘土礦物遇水后的溶蝕、次生作用,可使泥巖的內聚力和內摩擦角下降;強大的地下水靜壓力和動壓力,又大大增大了隧道初期支護負荷,使隧道施工存在較大的安全隱患[4-5],因此,水對此次塌方事故的發生起到了“催化劑”作用。

2.1.3 施工因素

隧道塌方發生時,二次襯砌與開挖掌子面距離約為95 m處,遠大于三倍的隧道開挖洞徑,此時的掌子面“空間效應”的影響完全消失,而初期支護抗力小于圍巖的滑移力,圍巖異常變形急劇增加,施工方又沒有能及時采取有效措施來阻止險情,最終導致塌方事故的發生。由于工程地質條件極差,極易誘發塌方,現場地質情況與設計有出入,設計圍巖類別為Ⅲ～IV級,而根據實際地質情況判斷為Ⅴ級,沒有遵循“巖變我變”的原則及時變更開挖方式和支護加固參數[6-7],依然沿用以前的施工方法和加固措施,初期支護嚴重偏弱是導致變形得不到有效的抑制,最終導致塌方事故發生。

2.2 塌方段工程特點

(1)隧道塌方段YK34+620～YK34+680渣體含碎石、巖屑、孤石,最大孤石有15 m3～20 m3,傳統灌漿管不宜成孔,很難采用超前錨桿管棚法等傳統方法進行處理。

(2)由于塌方堆積體體積較大,塌方里程確定在YK34+645.5～YK34+670.5段,長度25 m,處理起來在經濟上是不合理的。不僅如此,該堆積體受開挖干擾產生移動或引發隧洞再次塌方。

(3)由于塌方初期支護出現較大變形,并集中于右側拱頂至拱角部位,受內擠壓力而壓壞鋼拱架,證明該部位的側向壓力很大,應加強對拱頂至拱角部位側向進行超前預注漿和固結注漿施工措施,使掌子面上方進一步形成一個比較厚的穩定保護殼體。

3 塌方處治技術

通過對塌方地段的特征和原因的研究分析,結合其他隧道施工經驗,認為較為合理的施工方法是采用超前支護措施:先采用小導管超前注漿,并結合超前錨桿對塌方段進行固結處理,再進行開挖。加固掘進后,如遇IV級圍巖破碎,應及時采用超前錨桿加固,以保證洞身施工的順利進行。

3.1 注漿小導管施工

注漿小導管必須嚴格遵循施工原則,布孔應使漿液擴散范圍相互重疊,避免出現“盲區”。在隧道開挖前,采用風鉆鉆孔、高壓風清孔之后,將小導管放入孔內,沿隧道開挖輪廓外排列,管內注入水泥漿液。注漿小導管施工技術路線見圖1,將預先彎制好的工字鋼支墊于小導管之下,并在拱腳處用鎖腳錨桿鎖定。人工配合風鎬開挖上導坑,開挖完成后及時將臨空面初噴混凝土封閉,然后打系統錨桿、掛網、安裝工字鋼格柵、噴射混凝土封閉。待上導坑掘進一段距離后,下導坑拉中槽、錯槽開馬口,并將臨空面及時初噴混凝土后安裝系統錨桿、掛網、安放邊墻工字鋼并與拱部工字鋼連接后噴射混凝土封閉。這樣注漿小導管與工字鋼共同組成預支護系統,支撐和加固自穩能力極低的圍巖,噴射的混凝土將不連續的巖層層面膠結起來,并產生楔形效應而增加巖塊間的摩擦系數,防止巖塊沿軟弱面滑移。圖2為導管布置及注漿范圍示意圖。

圖1 小導管注漿技術路線圖

圖2 導管布置及注漿范圍示意圖

3.2 超前注漿錨桿

對隧道塌方YK34+645.5～YK34+670.5長約25 m段,進行超前注漿錨桿加固。本隧道中錨桿采用Φ 76 mm自進式錨桿,環向間距30 cm,注雙液漿,以定量注漿為結束注漿標準,漿液加固圈范圍定為1.0 m。

施工時應根據巖體節理面產狀來確定錨桿的最佳方向,為加強共同支護作用,要求將超前錨桿尾端焊接在鋼支撐的腹部,采用藥卷材料作為粘接材料,每排超前錨桿縱向搭接不少于1.0 m。隧道塌方段超前錨桿布置圖見圖3。

圖3 超前錨桿布置圖

3.3 排水措施

由于地下水對隧道塌方有著非常重要的影響作用,它能使軟化系數大的巖石強度降低,使結構面的抗剪強度減小,導致塌方。所以,在塌方處理過程中要有效處理好地下水,以保證塌體處理中不存在安全隱患。

本隧道排水的具體措施為:在上臺階開挖完成后,沿開挖段通長設置Φ 159型鋼管,將隧道原掌子面處涌水抽出并排到洞外;當開挖面滲漏面積和水量較大時,在滲漏處用鉆機鉆孔,找出滲漏水的主要裂隙,由鉆孔引流,將面上的滲漏水變為點上的滲漏水;在初期支護與二襯之間則設置環向排水管若干,間距為2m～3 m,橫向排水管每5m設置一道,與中央水管相連。

3.4 塌空腔處理措施

隧道坍塌段開挖完成后,加固措施采用Φ 42小導管注水泥漿,小導管長度3 m～4 m,間距1.0 m;同時對整個坍塌區拱部120°范圍內的松散體進行注漿固結,固結層厚度為鋼支撐背后3.0 m,開挖到YK34+634～YK34+680段時,及時進行二次襯砌施作跟進,按照V級圍巖襯砌斷面進行施工,襯砌結構加強為C30鋼筋混凝土結構;塌方段襯砌施工完后,對設置套拱段施設小導管注漿錨桿進行加固,待穩固后對套拱進行拆換,其開挖支護方案仍按照V級圍巖進行施工。塌方段處理各施工工序見圖4。

圖4 塌方體開挖工序圖

4 塌方處治效果評價

為保證施工安全及檢查超前預支護施工的實施效果,根據塌方處理過程中現場監測得到的數據,通過對塌方YK34+660典型斷面曲墻收斂、拱頂沉降數據的分析,得到了該斷面的沉降和收斂變形速率和平均變形速率與時間的關系曲線,見圖5、圖6。

圖5 沉降速率時程曲線圖

圖6 收斂速率時程曲線圖

從圖5、圖6中可以看出:在洞身塌體段開挖初期,隧道拱頂沉降和周邊收斂變形速率較大,但當處治措施完成后,曲線變形很快就呈下降趨勢,平均變形速率逐漸降低并最終趨于穩定,初始最大收斂速率為3.58 mm/d,經過50余天的監測數據,表明其周邊收斂速率已小于1.5 mm/d,而拱頂沉降速率已基本穩定在1.0 mm/d,符合規范要求,且其遠小于該隧道其它正常斷面的變形速率,施工處于安全狀態,也充分說明了超前小導管、錨桿超前支護措施對防止圍巖惡化,控制隧道變形和預防塌方作用顯著。

5 結 論

(1)工程地質條件、地下水、施工措施以及支護條件是誘發軟弱圍巖隧道塌方的主要因素。

(2)復雜條件下軟弱圍巖隧道塌方災害施工處治關鍵在于弄清隧道塌方機理及類型,切實做好各種預防坍塌措施。要針對不同的現場工程地質和水文地質情況,找出其塌方原因及特點,并采用合理的施工方法和支護參數。

(3)該隧道在掘進施工中采取以上措施,有效地控制了塌方事故,整個施工過程中沒有發生安全事故,而且質量均在控制要求范圍內,表明軟弱圍巖采用的塌方災害施工處治措施是成功的,可為今后類似工程提供借鑒與參考。

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