奧陶系淺變質板巖地層半山隧道坍塌成因分析與處治

張建軍

(中鐵十二局集團第七工程有限公司， 湖南 長沙 410004)

?

奧陶系淺變質板巖地層半山隧道坍塌成因分析與處治

張建軍

(中鐵十二局集團第七工程有限公司， 湖南 長沙 410004)

摘要:由于板巖地層的斷層破碎帶較多，隧道穿越板巖地層時極易發生塌方事故。通過對半山隧道塌方的調查，研究奧陶系淺變質板巖隧道塌方的原因，在此基礎上提出塌方的處治方案，結果表明：由于節理密集帶走向和隧道走向夾角較小，形成不利結構面組合并斜穿隧道，隧道開挖極易造成大面積塌方，是產生塌方的基本原因；拱頂脫空嚴重，塊石堆積重力超過初期支護支撐強度導致開裂，是產生塌方的直接原因。提出優化超前注漿及超前長管棚的施工方案，并采用三臺階預留核心土法進行開挖。按照處治方案進行施工，效果良好，可為類似工程塌方處理提供借鑒。

關鍵詞：隧道；板巖；坍塌；處治

板巖在我國分布范圍很廣，由于其獨特的層理特點，而且板巖自身性質軟弱，板巖隧道施工時經常發生較大變形和塌方，影響隧道的正常施工[1-3]。目前，對于板巖隧道塌方現象進行詳細總結的文獻較少，大部分已有文獻均以塌方問題的治理為主要立意[4-5]。半山隧道是較具有代表性的板巖隧道工程，隧道在施工中遇到掉塊或塌方等圍巖失穩現象，嚴重影響隧道安全施工，深入分析隧道塌方原因并采取相應的預防措施和整治措施，對于今后板巖隧道工程有重要借鑒意義[6-8]。本文以半山隧道的塌方為研究背景，對典型塌方地段情況做了詳細描述，并對塌方的成因進行了分析，介紹了塌方處治措施，為以后處治類似工程塌方提供借鑒和參考。

1奧陶系淺變質板巖地段隧道塌方概況

1.1半山隧道概況和塌方發展過程

半山隧道全長5 625.82m，半山隧道處于低山區，沿線地形起伏較大，地勢陡峻，總體地勢西高東低，隧道最大埋深341m。隧道地質構造復雜，巖相變化較大。根據沉積物成分、沉積年代、地質運動，分為砂質板巖、泥板巖、炭質板巖、含礫質板巖、條帶狀板巖夾凝灰巖、粉砂質板巖，薄至中厚層狀構造，夾層互層現象較多，受多次構造運動，斷層多節理裂隙較發育，局部密集發育，巖體破碎。半山隧道坍塌處地表地形呈馬鞍形，大部基巖裸露，馬鞍形內有坡積土覆蓋，塌方區域段DK217+860～DK217+980有一條深溝，寬約120m，地形異常陡峭，前后高差52m左右。

塌方發生經過如圖1～2所示。

圖1　半山隧道塌方段相對位置示意圖Fig.1 Relative position of Banshan tunnel’s collapse

圖2　DK217+916～+999段塌方過程示意圖Fig.2 Schematic of collapse process at the DK217+916～+999

根據現場塌方的實際情況，劃分為第1階段塌方和第2階段塌方。

第1階段塌方從22日開始到24日結束，具體情況如下所述：

半山隧道進口DK217+938～DK217 +940拱部初支混凝土出現環向長約6m、縱向長約2m的裂縫，裂縫寬度約5～10mm。23日下午拱部再次發現裂紋并往掌子面方向發展，24日晚上DK217+990～DK217+946段發生塌方，塌方段長度約44m。

第2階段塌方從25日開始到27日結束，具體情況如下所述：

在25日，DK217+946～+916繼續塌方，二襯臺車支架嚴重變形，臺車前后仰拱兩側出現裂縫，縫寬約1～5mm。至26日，DK217+900前后二襯自拱腰向邊墻出現斜向裂縫，縫寬約0.2～1mm。27日后，塌體趨于穩定。

1.2塌方段地質情況

塌方段主要位于奧陶系橋亭子組上段及下段，該段隧道埋深為61～113m，穿越巖層主要為強風化的泥質板巖、砂質板巖，薄層狀，巖質較軟，巖石節理裂隙非常發育，巖體破碎，呈散體狀結構，DK217+940鉆心結構如圖3所示。隧道洞身樁號DK217 +860～DK217+980段有一條深溝，寬約120m，地形異常陡峭，前后高差52m左右。塌方段后方約70m處DK217+840有一條逆斷層，與路線交角60°。隧道穿越地區整體表現為一平緩起伏的單斜構造，傾向130°，傾角60°。

圖3　DK217+940處50～55 m芯樣Fig.3 Core samples from 50～55 m depth at the DK217 + 940

2隧道塌方成因分析

經綜合分析塌方斷面處的地質條件和施工過程，引起該處塌方的原因有以下幾點。

2.1巖體自身特點

該段通過古老的奧陶系淺變質砂質板巖，含泥量較高，且局部發育順層的隱性構造節理密集帶，雖然巖體保持層狀外觀，但內部結構已被強烈切割，巖體破碎。當施工揭露節理密集帶時，因硬質巖體塑性變形不明顯，巖體應力釋放會引起節理裂隙松弛，導致地表水下滲，造成結構面軟化、巖體失穩[9-12]。

由于節理密集性狀復雜，其形成和分布具有很大的偶然性，規律和變形特征不明顯，造成此段塌方具有隱蔽性、突發性和連續性。同時，節理密集帶走向和隧道走向夾角較小，形成不利結構面組合斜穿隧道，易造成較長地段牽引型連續坍塌。

2.2地下水影響

該地區連續3個月降雨，因該段圍巖節理裂隙發育，大量雨水通過裂隙不斷滲透至隧道圍巖，軟化圍巖并減小泥質充填物的膠結作用，降低圍巖自承載能力，產生較大的應力松弛。同時，因該段板巖具有良好的隔水性，洞內無明顯滲水，但雨水增加了圍巖容重，當巖體和初期支護無法支承時，板巖會突然破裂，造成大范圍塌方。

2.3施工原因

經檢測發現，該段拱頂背后脫空嚴重，圍巖和初期支護未形成良好的共同承載體。隧道開挖擾動易引起的塊石脫落，作用在成型的初期支護上，當荷載超過初期支護承載力極限值時，支護機制失效，初期支護變形開裂、圍巖剝落掉塊，從而牽引整個巖層擾動區域發生大面積坍塌。塌方發展過程如圖4所示。

圖4　塌方發展示意圖Fig.4 Development process of collapse

3坍塌體處治方案

由于受篇幅所限，這里僅對DK217+916～DK218+020塌方段進行分析，長度共104m。

3.1超前注漿段落劃分

3.1.1整體段落劃分

塌方前，半山隧道進口段上臺階掌子面里程DK217+999，下臺階掌子面里程DK217+964。對DK217+914～DK217+964共50m開挖輪廓線及開挖輪廓線外6m內塌體注漿加固及超前長管棚支護；對DK217+964～DK218+020共56m開挖輪廓及開挖輪廓線外8m內塌體注漿加固及超前長管棚支護。

3.1.2循環段落劃分

塌方處理段超前注漿起訖里程為DK217+914～DK218+020，注漿段落總長106m。該塌方段落總共劃分為4個注漿循環。第1～3循環注漿長度30m，預留5m止漿巖盤，有效開挖長度25m；第4循環注漿長度31m，開挖31m，由1號斜井進口預留5m止漿巖盤。

第2循環止漿巖盤及止漿墻設置如下：二襯臺車最后一塊模板不拆除，置換模板背后初期支護，利用該模板施作超前注漿止漿墻，止漿墻厚度2m，采用C20混凝土灌注，兼做超前長管棚導向墻，如圖5所示。

圖5　DK217+914～+916段第二循環止漿墻施工Fig.5 Construction of stop slurry wall for the second cycle at the DK217 + 914 ～ + 916

3.2超前注漿參數

1)DK217+914～DK217+964段注漿參數：注漿孔均布置于上臺階，DK217+914～DK217+964段每循環布孔54個；注漿開孔直徑110mm，長度為3m，設置Φ108壁厚5mm孔口管；孔洞剩余部分鉆孔直徑均為91mm；注漿范圍為隧道開挖輪廓外6m；注漿漿液為水泥水玻璃雙液漿及水泥漿結合；輔助成孔時采用雙液漿，注漿加固及固結時采用單液漿；單孔有效擴散半徑為：隧道開挖輪廓外3.0m，隧道開挖輪廓線內為2.5m；隧道開挖輪廓內地層注漿壓力1.0～1.5MPa；隧道開挖輪廓外地層注漿壓力1.5～2.0MPa。

2)DK217+964～DK218+020段注漿參數：注漿孔均布置于上臺階，DK217+964～DK218+020段每循環布孔47個；其余與前一段所述。

楊鵬的父親是一位建筑師，他十分重視讀書對孩子的影響。每個月，父親都會拿出工資的一半用來買書訂報。為了吸引兒子對閱讀產生興趣，他還想了很多有趣的法子。楊鵬記憶中最為深刻的就是，他很小的時候，父親給家中的書櫥做了個電動卷簾，一按開關就會自動收起放下，引得小楊鵬經常跑到書櫥邊去玩，時間久了，他想對書櫥中的書不產生興趣都難。

3.3注漿標準

3.3.1單孔結束標準

注漿壓力逐步升高至設計終壓，并穩定10min；注漿量不小于設計注漿量的80%；進漿速度為開始進漿速度的1/4。

3.3.2全段結束標準

所有注漿孔均已復核單孔結束條件，無漏注現象；漿液有效注入范圍大于設計值[13-15]。

3.4隧道注漿后效果評定

3.4.1鉆孔檢查法

按總注漿孔的5%～10%共設置12個檢查孔兼補充注漿孔，檢查孔應在均布的原則下，結合注漿資料的分析布設，如圖6所示；檢查孔應無涌泥、涌砂，不塌孔，滲水量應小于0.2L/(min·m)或小于設計涌水量，否則應予補注。

圖6　檢查孔布置示意圖Fig.6 Layout schematic of inspection hole

3.4.2鉆孔取芯法

通過鉆孔取芯觀察地層的注漿加固效果。從3個孔取芯的情況分析，芯樣成短柱狀，可明顯看到被漿液充填的裂隙及已經被漿液固結的破碎巖體，漿液充填飽滿，加固效果明顯。取芯現場照片如圖7所示。

圖7　1號孔芯樣Fig.7 Core samples from 1 hole

本循環并對3個孔的孔內攝像，從孔內攝像可以明顯看出，前方破碎巖層以及裂隙被漿液充填，除局部存在塊石顆粒外，大部分區段孔壁光滑，靜置2～3h未出現塌孔現象，自穩能力較強，塌體圍巖的自穩能力得到有效的改善。如圖8和9所示。

圖8　孔內攝像作業Fig.8 Operation of hole imagery

圖9　1號孔圖像Fig.9 Image from 1 hole

3.4.3壓水試驗法

對檢查孔進行壓水試驗，當吸水量大于1L/(min·m)時，必須進行補充注漿。

檢查孔吸水最大為15L，平均吸水為6L，可以計算圍巖平均吸水量為6/30=0.2L/(min·m)，符合設計的1L/(min·m)達到檢查效果標準要求，如圖10所示。

圖10　檢查孔壓水作業Fig.10 Water pressure test for inspection hole

3.5超前支護措施

超前支護采用超前長管棚及間隔超前小導管聯合支護方案，具體參數如下。

1) 超前長管棚。超前注漿結束后分析注漿效果，注漿加固達到要求后開始管棚施工。管棚長度30m，縱向一般每25m一環。管棚全部采用鋼花管，鋼花管規格：熱扎無縫鋼管，外徑108mm，壁厚5mm。每節鋼花管兩端均預加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管。管棚環向設置間距按30cm布置，外插角10°，注漿材料采用水泥漿液，水泥漿液水灰比1∶1(重量比)或根據現場確定，注漿壓力為2.0MPa。

圖11　超前支護示意圖Fig.11 Schematic of advanced ductile grouting

2) 超前小導管。超前導管采用壁厚3.5mmΦ42無縫熱軋鋼管制成，在前部鉆注漿孔，孔徑6～8mm，孔間距15cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于30cm，作為不鉆孔的止漿段。小導管環向間距為30cm，外插角10°～15°。注漿材料為水泥漿液，水泥漿液水灰比根據現場確定，注漿壓力為0.5～1.0MPa，如圖11所示。

3.6襯砌支護參數及施工方法的選擇

DK217+916～DK218+020段，共104m，襯砌采用加強式襯砌，具體參數如下。

1) 初期支護:初期支護厚度35cm，采用C30噴射混凝土(24h強度不低于10MPa)。鋼架采用I25a型鋼，鋼架間距0.6m，巖側采用Φ14鋼筋網，網格間距15m×15cm；拱墻分界以拱部140°劃分，邊墻采用Φ22砂漿錨桿，錨桿長4.0m。

2) 二次襯砌:厚度拱部60cm，仰拱70cm，采用C35鋼筋混凝土。配筋設計為：主筋采用Φ28鋼筋，間距150mm，分布筋采用Φ18鋼筋，間距250mm。

3) 鋼架縱向剛度增強措施:為提高鋼架的縱向剛度，鋼架間連接筋采用Φ20鋼筋，布置型式為V型。

4) 排水加強措施:對DK217+916～DK218+020段，共104m，加強其排水措施，具體加強措施為：每排水單元增加兩道Φ50mm環向透水盲溝，環向透水盲溝開孔于隧道側溝壁。

采用三臺階預留核心土法施工，縱向進尺0.5m/循環，仰拱封閉初支距開挖掌子面距離不超過20m，如圖12所示。

圖12　三臺階預留核心土開挖Fig.12 Excavation of three-step reserved-core soil

3.7塌方處理效果

半山隧道塌方段歷時13個月完成，施工期間未發生任何安全、質量事故，于2013-08-01實現貫通，并實現半山隧道全線提前貫通。

4結論

1)節理密集帶走向和隧道走向夾角較小，形成不利結構面組合并斜穿隧道，造成在較長地段發生牽引型連續坍塌，是產生塌方的基本原因。拱頂脫空嚴重，塊石堆積重力超過初期支護支撐強度導致開裂，是產生大面積坍塌的直接原因。

2) 隧道塌方段按照“先加固，后開挖”的施工原則，優化超前注漿及超前長管棚施工方案，注漿過程查找盲區、補注漿，經注漿效果評定合格后采用三臺階預留核心土法開挖。

3)分析了塌方事故的成因，并提出了處治方案，而且施工期間未發生任何安全、質量事故，為以后處理類似工程塌方事故提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1]王云龍, 譚忠盛. 木寨嶺板巖隧道塌方的結構失穩分析及預防措施研究[J]. 巖土力學, 2012, 33(增2): 263-268.

WANGYunlong,TANZhongsheng.StructuralinstabilityanalysisandpreventionmeasuresofstructuralcollapseinMuzhailingslatetunnel[J].RockandSoilMechanics, 2012, 33(Suppl2): 263-268.

[2] 李生杰, 謝永利, 朱小明. 高速公路烏鞘嶺隧道穿越F4斷層破碎帶涌水塌方工程對策研究[J]. 巖石力學與工程學報,2013, 32(增2): 3602-3609.

LIShengjie,XIEYongli,ZHUXiaoming.ResearchoncountermeasureofwaterGUSHINGwithcollapseinprocessofWushaolinghighwaytunnelcrossingF4faultfracturezone[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2013, 32(Suppl2): 3602-3609.

[3] 許占良.板巖地層超大斷面隧道塌方處理對策[J]. 鐵道標準設計, 2013(3): 102-106.

XUzhanliang.Collapsetreatmenttechnologyofextralargecross-sectiontunnelinslatestrata[J].RailwayStandardDesign, 2013(3):102-106.

[4] 王更峰. 炭質板巖蠕變特性研究及其在隧道變形控制中的應用[D]. 重慶: 重慶大學, 2012.

WANGGengfeng.Studyonthecreeppropertiesofcarbonaceousslateanditsapplicationintunneldeformationcontroltechnology[D].Chongqing:ChongqingUniversity, 2012.

[5] 左清軍. 軟質板巖特大斷面隧道施工期圍巖力學效應研究[D]. 武漢: 中國地質大學, 2013.

ZUOQingjun.Studyonmechanicaleffectofsurroundingrockforsuper-largecrosssectionsoftslatetunnelduringconstructionperiod[D].Wuhan:ChinaUniversityofGeosciences, 2013.

[6] 馮迎軍.碳質板巖隧道塌方處理方案探討[J]. 現代隧道技術, 2014, 51(2):178-182.

FENGYingjun.Discussionofthetreatmentofcollapseinatunnelpassingthroughcarbonaceousslate[J].ModernTunnellingTechnology, 2014, 51(2):178-182.

[7] 王建軍. 蘭渝鐵路三疊系板巖隧道變形機理與圍巖分級預報探究[J]. 現代隧道技術, 2013, 50(2):79-83.

WANGJianjun.Thedeformationmechanismofatunnelintriassicslateandforecastingsurroundingrockclassifications[J].ModernTunnellingTechnology, 2013, 50(2):79-83.

[8] 石鈺鋒, 陽軍生, 邵華平, 等. 超淺覆大斷面暗挖隧道下穿富水河道施工風險分析及控制研究[J].巖土力學, 2012, 33(增2): 229-234.

SHIYufeng,YANGJunsheng,SHAOHuaping.etal.Riskanalysisandcontrolstudyofsuper-shallowtunnelwithlargecross-sectionunderwater-richchannel[J].RockandSoilMechanics, 2012, 33(Suppl2): 229-234.

[9] 李志勇,晏莉,陽軍生,等.淺埋偏壓連拱隧道中導洞坍方數值分析與處治[J].巖土力學, 2007, 28(1): 102-106.

LIZhiyong,YANLi,YANGJunsheng,etal.Numericalanalysisandtreatmentofacollapsedmiddledriftforshallowmulti-archtunnelunderunsymmetricalpressure[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(1): 102-106.

[10] 褚東升, 劉志, 靳柒勤, 等. 山嶺隧道穿越沖溝段施工風險分析與控制措施[J]. 地下空間與工程學報, 2011, 7(增2): 1735-1742.

CHUDongsheng,LIUZhi,JINQiqin,etal.Riskanalysisandcontrolmeasuresofmountaintunnelconstructionthroughgullysection[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering, 2011, 7(Suppl2):1735-1742.

[11] 陳潔金, 周 峰, 陽軍生, 等. 山嶺隧道塌方風險模糊層次分析[J].巖土力學, 2009, 30(8): 2365-2370.

CHENJiejin,ZHOUFeng,YANGJunsheng.etal.Fuzzyanalytichierarchyprocessforriskevaluationofcollapseduringconstructionofmountaintunnel[J].RockandSoilMechanics, 2009, 30(8): 2365-2370.

[12] 邵廣寧. 高地應力下板巖隧道施工工法探討[J]. 蘭州交通大學學報, 2014, 33(1): 83-86.

SHAOGuangni.Discussiononconstructionmethodofslatetunnelunderhighgroundstress[J].JournalofLanzhouJiaotongUniversity, 2014, 33(1): 83-86.

[13] 李志平, 韓現民. 關角隧道碳質板巖段洞室支護體系綜合評價指標研究[J]. 隧道建設, 2015, 35(3): 220-226.

LIZhiping,HANXianmin.StudyoncomprehensiveevaluationindexofsupportsystemofGuanjiaotunnelincarbonaceousslatestratum[J].TunnelConstruction, 2015, 35(3): 220-226.

[14] 劉陽, 伍曉軍, 劉志強,等. 關于碳質板巖隧道大變形機理及應對措施的探討[J]. 現代隧道技術, 2014, 51(6):19-24.

LIUYang,WUXiaojun,LIUZhiqiang,etal.Discussionofandsolutionsforthelargedeformationmechanismofatunnelincarbonaceousslate[J].ModernTunnellingTechnology, 2014, 51(6):19-24.

[15] 左清軍, 吳立, 羅濤,等. 滬昆客專姚家隧道板巖宏觀崩解特性及微觀機理研究[J]. 水文地質工程地質, 2015,42(1): 65-69.

ZUOQingjun,WULi,LUOTao,etal.MacrodisintegrationcharacteristicsandmicromechanismofslateintheYaojiatunneloftheShanghai-Kunmingpassengerdedicatedline[J].Hydrogeology&EngineeringGeology, 2015,42(1): 65-69.

* 收稿日期：2015-09-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378505, 50808178)

通訊作者：張建軍(1972-)， 男， 湖南岳陽人， 高級工程師，從事隧道與地下工程等領域的施工與管理工作;E-mail: 981750161@qq.com

中圖分類號：U446.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1149-07

Causes and treatment method of collapse ofBanshan tunnel in ordovician low-metamorphic slate stratum

ZHANG Jianjun

(The7thEngineeringCo.,LtdofChinaRailway12thBureathGroup,Changsha410004,China)

Abstract:Because of the fault fracture zone in slate stratum, collapse may occur when tunnels are passing through slate strata. The collapse of the Banshan tunnel and the causes of the collapse was analyzed, and the solution to this accident was pointed out. It was concluded that: the angle between the joint density area and the tunnel direction was relatively small, which formed unfavorable structure for the tunnel. The excavation of the tunnel led to collapse in large scale, and this was the cause of collapse. When the dome disengaged, the supporting structure can not bear the gravity of the stacked stons. Then the collapse may occur because of this; A optimized and advanced construction program with grouting and long pipe roof was proposed, and the three-step Core Soil Reservation was used for excavation. During the construction under the guidance of the treatment, no accident occurred, which would provide reference for similar collapse accident in future.

Key words:tunnel; slate; collapse; treatment