宴家炭質片巖隧道塌方綜合處治研究

全 民

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

谷竹高速公路宴家隧道位于竹溪縣境內，為一座上下行分離式小凈距隧道。左幅隧道起訖里程樁號為ZK226+712—ZK227+797，長1 085 m，最大埋深134 m;右幅隧道起訖里程樁號為YK226+718—YK227+803，長1 085 m，最大埋深128 m，左右洞凈距約20～25 m，設計為小凈距隧道。隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，隧道設置2處人行橫洞，1處車行橫洞。

宴家隧道圍巖以炭質片巖為主。設計中Ⅳ、Ⅴ圍巖占隧道總長的65%。圍巖強度低，層理發育，局部富水，施工中多處塌方。

隧道區屬構造剝蝕侵蝕中低山地貌，斜坡、沖溝地形。隧道橫穿山脊，經過區域地表地形整體呈波狀起伏，于ZK227+340左右跨越山體分水嶺后，隧道穿出山體。隧道進洞口所在斜坡為凹型坡，坡角為40°～70°，坡向為112°;隧道出洞口所在斜坡為凸型坡，斜坡坡度40°左右，坡面植被茂密，坡向為275°。隧道兩洞口處均發育垂直于路線的沖溝。

根據地質調繪及鉆探、物探等勘察方式得出，隧址區表層覆蓋第四系殘坡積粉質黏土與碎石土。

碎石土:揭露最大深度1.0 m，深灰、褐雜色，中密，稍濕。碎石含量約55%，粒徑3～9 cm，棱角狀，成分較雜，以硬質巖為主。隙間較多黏性土充填。

粉質黏土:灰褐色，硬塑狀，稍濕，以黏粒為主，粉粒次之，局部夾少量碎礫石。

下伏基巖為志留系中統竹溪群片巖。

強風化片巖揭露最大深度7.5 m，淺灰色，母巖結構大部分已被破壞，構造不清晰，節理裂隙十分發育，礦物成分已顯著變化，巖芯多呈碎塊狀，原巖遇水極易軟化，強度明顯降低，手摸有滑膩感。

弱風化片巖揭露最大深度49.4 m，灰綠色，變晶結構，片狀構造，主要礦物為絹云母、綠泥石、長約8 cm碎塊狀，最大節長40 cm。巖質新鮮、堅硬，錘擊聲脆，屬較硬巖。

隧道區位于北西向的竹溪褶皺束所屬的楊家山向斜內，所涉及的地層主要為志留系。隧址位于向斜翼部，整體產狀為單斜產狀，傾向北東，產狀為27°～40°∠34°～36°，節理發育。隧道區未見發育區域性斷裂。

隧道洞身圍巖為志留系中統竹溪群炭質片巖。炭質片巖風化程度為中，節理裂隙較發育，巖體較破碎，圍巖自穩能力較差，拱頂無支護時可產生局部坍塌，側壁較穩定，地下水為點滴狀。圍巖分級以Ⅵ級圍巖為主，占洞身總長的60%。隧洞掌子面揭露圍巖情況表明，洞身圍巖主要為強風化炭質片巖夾泥質片巖，云母含量較高，片狀～鱗片狀構造，巖性軟。巖體破碎，片理面發育，節理裂隙發育，局部泥化嚴重，層間結合差。

至2012年8月2日，先后有ZK227+194—ZK227+160，ZK227+290—ZK227+274，YK227+279—YK227+267等5處發生塌方。設計支護類型與圍巖特征見表1。

表1 塌方段落基本情況

2 塌方過程及原因分析

2.1 塌方過程

2011年6月26 日22時，宴家隧道右線掌子面開挖至YK227+147.7處(設計屬于Ⅳ級圍巖，襯砌類型為XS4b)，掌子面圍巖破碎，為中風化炭質片巖，節理裂隙發育，拱部少量滲水，進洞右側拱部滑層首先發生滑塌，至27日8時，形成縱向長度約4 m，環向長度達7 m，深度達3.5 m的坍腔。出現塌方情況后，為了確保塌坍不擴大，保證隧道的安全，采取了回填洞渣反壓的措施。對YK227+147.7—YK227+144.0段采取打設超前小導管注漿固結圍巖及塌體，然后泵送混凝土回填坍腔的措施。至7月3日塌方區圍巖基本穩定，期間不定時的有塌方發生，塌腔不斷擴大，最終形成自掌子面(YK227+147.7)一直延伸至YK227+141.0的塌方區，塌方區長約7 m，環向長度達10 m，最深約5 m，方量約為300 m3。

2011年7月17 日23時，宴家隧道左線中臺階(ZK227+167，設計屬于Ⅲ級圍巖，襯砌類型為XS3，變更為I16工字鋼)施工時發現中臺階開挖圍巖較上臺階更為破碎，以強風化～中風化絹云母片巖為主，巖性很軟，巖體較破碎，且節理發育，局部含水，左部軟弱圍巖泥化明顯，圍巖穩定性較差。上臺階掌子面ZK227+160處首先出現掉塊，靠近掌子面進洞左側拱腰位置開始出現裂紋，初支混凝土發生掉塊。人員、機械立即撤離至安全地段，掌子面隨即發生較大規模掉塊，并沿滑層向拱部及后方延伸。上臺階已支護段遭到破壞，至18日4:00時，滑塌縱向長度達6 m，環向長度約7 m。由于塌方速度較快，拱頂形成的塌腔高度無法進行確認，塌方量約為260 m3，坍體主要為松散風化巖，夾雜粒徑不均片狀石塊并夾泥，坍腔高度較高，最終坍體幾乎將掌子面封閉。

其余段塌方過程從略。

2.2 監控量測結果

監控量測是新奧法設計與施工的重要組成部分。通過監控量測結果可及時掌握圍巖與支護結構變形發展趨勢，為支護結構參數調整提供科學依據。

對ZK227+160塌方段在ZK227+164處布置了監測點，其監測結果如圖1。對YK227+147塌方段在YK227+150處布置了監測點，其監測結果如圖2。

圖1 2011年ZK227+164處變形監測曲線

圖2 2011年YK227+150處變形監測曲線

2.3 塌方原因分析

1)揭露圍巖情況與勘察設計存在差異

設計中圍巖類別不論是Ⅲ級或Ⅳ級，開挖揭露顯示圍巖主要為強風化炭質片巖，云母含量較高，片狀～鱗片狀構造，巖性軟，巖體破碎，節理裂隙較發育，局部泥化嚴重，層間結合差，有滲～滴水現象，圍巖自穩能力差。揭露圍巖狀況與設計圍巖級別存在較大的差異。初期支護偏弱是初期支護開裂發展導致塌方產生的重要原因。圍巖變形和初期支護變形在地下水作用下加大了塌方的影響范圍。

2)炭質片巖強度低對圍巖失穩變形起控制作用

由于揭露的圍巖強度低，屬于軟巖。圍巖變形具有持續性和突發性的特點。從ZK227+164和YK227+150兩個斷面變形監測曲線可以看出:圍巖收斂變形和拱頂下沉在塌方前累計變形較小，但總的變形一直呈增長趨勢。這種增長趨勢正是軟巖變形持續性的反映。在累計變形持續發展過程中，受到內部應力突然釋放、地下水影響、開挖擾動等作用，發生突發性塌方。這種塌方正是軟巖變形在時間和空間上突發性的具體表現。也正是軟巖的這種特性導致其塌方控制難度加大。

3)炭質片巖結構面對圍巖穩定性產生明顯影響

圍巖存在破碎帶或軟弱夾層，炭質片巖層狀軟巖結構面結合差，結構面遇水軟化，降低了炭質片巖的力學指標，致使圍巖整體性降低。軟弱結構面本身容易產生塌方，在降雨或多次連續降雨或地下水作用下，地下水沿著炭質片巖結構面滲透引起圍巖失穩破壞。對于順層構造部位更容易產生塌方。

4)炭質片巖穩定性對地下水的影響敏感

隧道建設區域暴雨集中，暴雨多集中在6～7月份。在隧道開挖過程中，暴雨較多，大量降雨滲入基巖，軟巖強度顯著降低，導致圍巖工程性質惡化。

3 塌方處治

3.1 應急措施

隧道出現塌方情況后，立即啟動《安全應急預案》，安全領導小組趕赴施工現場。隧道安全員分3組24 h輪換值班，在距離隧道塌方位置50 m處設置警戒線，禁止人員進入，并組織量測人員每2 h對圍巖動態進行觀測，派專人隨時監測，檢查塌方區穩定情況。加強塌方段落地表變形觀察與監測。2011年7月17日ZK227+242—ZK227+156出現塌方情況后，2011年7月18日查看宴家隧道左線洞頂原始地表，無明顯跡象。為了防止塌方不擴大，保證隧道安全，采取了回填洞渣反壓的措施。對 YK227+147.7—YK227+144.0段還采取打設超前小導管注漿固結圍巖及塌體，然后泵送混凝土回填坍腔的措施。

3.2 處治措施

3.2.1 后方仰拱及二襯施工

宴家隧道左線二襯里程ZK227+207，距離塌方處不足50 m，首先施作大邊基及二襯，二襯施工至塌方段后方，然后進行塌方段處理。

3.2.2 坍腔處理

對坍塌處采用回填洞渣先行預壓掌子面，使坍塌不延伸，對塌體噴混凝土固結后，采用三臺階法施工。因塌體高度高于拱頂，采用拱部120°范圍打設一環超前小導管(長度L=6.0 m，環向間距40 cm)注漿固結拱部及掌子面松散塌體。拱部預留注漿管道泵送100 cm厚C25混凝土，再吹砂50 cm厚。

3.2.3 調整初襯類型并加固

采用 XS4b襯砌類型，增加I18工字鋼(間距80 cm)，增加超前小導管4.0 m(塌方段縱向間距1.6 m，影響段縱向間距2.4 m，環向間距40 cm)，并預留注漿管道泵送C25混凝土回填坍腔。

3.2.4 增強二襯結構

為了防止塌腔混凝土泵送處理過程中存在的不密實現象對隧道結構的影響，對ZK227+194—ZK227+156和YK227+153—YK227+131兩段二次襯砌增加襯砌鋼筋。其它塌方段亦做類似處理。

3.2.5 加強監控量測工作

處治施工中加強洞內監控量測工作，嚴格執行3級預警機制，發現異常情況及時上報，并采取必要的處理措施。根據初襯監測結果決定二襯施作時機。二襯施作后，加強二襯變形監測，對處治效果進行評價。

3.3 處理效果評價

處治工程結束后，對拱頂下沉、圍巖收斂、二襯混凝土應變進行了長期監測，ZK227+165及YK227+145監測斷面變形曲線如圖3。圖3表明:兩個監測斷面累計圍巖收斂和拱頂下沉都表現出增加趨勢，但在相同時間內累計變形量減小約50% ～70%，變形速率也呈明顯減小。變形趨勢相同，但變形速率呈現明顯減小趨勢。初期支護加固處理后，初期支護的持續變形基本得到控制，初期支護后沒有再次出現大變形現象。說明宴家隧道塌方段處治所采取的措施是合理的，處治效果良好。但是由于軟巖具有流變特性，隧道變形仍未能達到完全穩定狀態。

圖3 監測斷面變形曲線

ZK227+165監測斷面應變曲線如圖4所示。從圖4(a)看出:縱向拉應變最大值位于拱頂部位，最大值為 198.56 ×10－6，為允許應變 2 000 × 10－6的9.93%。最大壓應變位于左拱腳部位，最大值為46.11×10－6，遠遠小于允許應變。圖4(b)表明:該斷面縱向混凝土應變比較平穩，環向在拱頂、左拱腳、右拱腳先是受拉，大約12 d即轉變為受壓，但變化均比較平緩。該斷面混凝土大多處于受拉狀態，應變(縱向)比較平穩，未出現大的波動，而且應變值也未出現超過允許應變的情況，二襯混凝土在這種受力情況下狀態良好，說明調整二襯支護參數的方案是合適的。

圖4 ZK227+165處監測斷面應變曲線

4 結論

塌方處理后，變形監測結果表明塌方處理方案是合理的，圍巖累積變形量和變形速率都大大降低，說明采取的加固措施有效，可為以后相似工程的處理提供借鑒。

1)充分認識炭質片巖的變形特征，正確確定圍巖的級別，采用合理的支護參數是防止炭質片巖塌方發生的根本措施。

2)炭質片巖圍巖穩定性在地下水作用下顯著降低，探明地下水發育狀況對防止炭質片巖失穩塌方具有重要的意義。

3)加強炭質片巖泥化區、破碎區等區域施工工藝控制，及時調整施工方案，必要時采取超前小導管等工程措施進行圍巖加固，是防止炭質片巖圍巖塌方失穩的一種有效措施。

4)加強量測工作，對量測數據及時分析處理，按照變形趨勢確定開挖方案和二襯支護時間，必要時及時對開挖方案、初襯和二襯支護參數進行調整。必須把監控量測工作貫穿于整個隧道施工過程之中。

5)塌方處治要根據圍巖性質、塌方規模等采取相應的措施，并加強施工工藝控制。

[1]馮衛星.朱家埡隧道塌方處理施工方案[J].現代隧道技術，2006，43(2):58-63.

[2]鄧誼明，李圣濤.大瑤山隧道塌方分析和處理簡介[J].巖土工程學報，1987，9(5):12-20.

[3]劉朝輝，徐慧，黃國俊，等.大斷面軟巖隧道鏈式塌方成因探究及整治措施[J].鐵道建筑，2012(12):51-53.

[4]楊曉華，謝永利.公路隧道塌方綜合處治技術[J].長安大學學報:自然科學版，2004，24(1):61-65.

[5]田志宇，鄧承波，林國進.隧道塌方處治支護參數選取[J].鐵道建筑，2012(6):54-57.

[6]陳志.水平成層圍巖隧道塌方預防研究[J].鐵道建筑，2009(12):46-49.

[7]李光令，王兵.鷓鴣山隧道塌方處理技術措施[J].現代隧道技術，2003，40(6):69-71.

[8]何建斌.白炭塢隧道塌方處理[J].公路交通技術，2006(2):108-109.

[9]張遠榮，裴國祿.白石嶺隧道塌方冒頂的處理與經驗體會[J].隧道建設，2008，28(2):232-236.

[10]李釗.隧道塌方突發事件風險原因統計及范例推理[J].鐵道科學與工程學報，2009，6(4):54-57.

[11]李洪濤.鐘家二號隧道塌方處理技術[J].鐵道建筑，2014(3):57-59.

[12]閆東.隧道塌方分析及其整治[J].鐵道建筑，2007(1):35-36.

[13]王樹棟，劉開云.長大隧道軟弱圍巖施工大變形智能預測方法[J].中國鐵道科學，2008，29(2):82-87.

[14]陳建平，蔣宗鑫，陳志超，等.通省隧道變質軟巖變形破壞機理及減避措施研究[J].鐵道建筑，2012(12):47-50.