隧道塌方處治研究

李 鵬

(山西省交通科學(xué)研究院 太原市 030006)

0 引言

在隧道施工過程中，塌方是最為常見的施工事故類型。筆者通過收集到的幾十例隧道塌方處治案例，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況，塌方后是否存在明顯的塌方空腔，以及地表是否存在下陷等，將隧道塌方分為兩種類型：空腔型塌方和貫穿型塌方。

兩種類型塌方的形成機理、發(fā)生部位、破壞規(guī)模、處治措施等都有著根本性的區(qū)別。空腔型塌方大多發(fā)生在洞身內(nèi)埋深較深圍巖自穩(wěn)能力較好的Ⅴ級、Ⅳ級甚至是Ⅲ級圍巖段。主要形成原因是圍巖局部節(jié)理發(fā)育、掉塊嚴(yán)重，開挖進尺偏大，核心土偏小，支護偏弱或不及時等。貫穿型塌方大多發(fā)生在隧道洞口段，常見的是埋深較淺圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎松散的Ⅴ級石質(zhì)，或者是在降雨集中時期，受地下水影響，膠結(jié)性降低的土質(zhì)圍巖段，開挖后原有應(yīng)力平衡被打破，圍巖在應(yīng)力重組過程中不能達到平衡而發(fā)生的規(guī)模較大的坍塌。

圖1 空腔型塌方

1 隧道圍巖變形及控制

隧道開挖后的圍巖變形包含：掌子面的拱頂下沉、掌子面的擠出位移、掌子面后方下沉位移。這三種位移中，掌子面的拱頂下沉最為激烈，也是我們保證隧道穩(wěn)定性最應(yīng)該重視的環(huán)節(jié)。保證隧道開挖后穩(wěn)定性的工作其實就是控制上述三種位移的工作。為了控制掌子面的擠出位移，在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖開挖中，都會要求必須保留核心土。而在隧道塌方處理中，為了控制掌子面擠出位移常會采用反壓和正面錨桿加噴射早強混凝土的方法來保證掌子面正面穩(wěn)定性。為了控制掌子面拱頂下沉和掌子面后方下沉位移，無論是正常開挖或者處理塌方事故，都會依據(jù)圍巖自穩(wěn)能力選擇強度不同的超前支護措施。比如大管棚、雙排小導(dǎo)管超前支護、小導(dǎo)管超前支護、超前錨桿等。為了控制掌子面拱頂下沉，根據(jù)圍巖自穩(wěn)能力的強弱可以選擇規(guī)格、間距不同的鋼拱架或者格柵支護，配合錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土共同組成完整的受力體系參與圍巖應(yīng)變，達到最終的應(yīng)力、應(yīng)變平衡狀態(tài)，見圖3。

圖3 隧道掌子面拱頂下沉圖

2 空腔型塌方

范家莊隧道全長2628m，圍巖為強～微風(fēng)化泥巖，施工至洞口約300m處發(fā)生了塌方事故。事故發(fā)生處圍巖節(jié)理較發(fā)育，開挖過程中無明顯滲水，圍巖級別為Ⅳ級。事故發(fā)生后在掌子面左上方形成了一個環(huán)向?qū)挾燃s為4.0m，縱向長度約為3.0m，高度約為4.0m的空腔。總結(jié)事故原因為：圍巖局部節(jié)理、裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，開挖進尺偏大，支護不及時等多種因素造成。

圖4 空腔型塌方處治方案圖

具體處治措施為：對塌腔體表面初噴C20早強混凝土約5cm，以使塌腔表面較為平滑，洞內(nèi)按照1.0m間距打設(shè)3.0m長藥卷錨桿，外漏1.0m。將格柵鋼架分段支撐在塌腔內(nèi)，方向、長度可自由調(diào)整以受力穩(wěn)固為原則。C20早強混凝土噴平。沿設(shè)計開挖輪廓線外加20cm預(yù)留變形量架設(shè)Ⅰ20a鋼拱架，間距50cm，下墊模板，預(yù)留注漿管三根，一短兩長，利用短注漿管先泵送澆注底部1.0m厚混凝土作為護拱，養(yǎng)護3d后，再利用長管泵送澆注塌腔其它空間，長管作為排氣管。養(yǎng)護1周后按照正常支護參數(shù)施工。

處治方案原理：圍巖在塌方后出現(xiàn)了穩(wěn)定的塌腔，圍巖具有一定的自穩(wěn)能力且已經(jīng)達到初步的穩(wěn)定。這種情況下的處理側(cè)重點在于如何填充空腔，既要保證密實，避免有空洞造成圍巖的進一步應(yīng)變，又要避免填充體的重力傳導(dǎo)至隧道初支和二襯上。因此在塌腔內(nèi)設(shè)置格柵鋼架結(jié)合噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)使其成為一個整體，達到應(yīng)力平衡。而錨桿外漏1.0m，和護拱的作用都是為了填充物的自重不要傳導(dǎo)至初支和二襯上。這種處理方法適用于塌方空腔較大的情況。如果空腔規(guī)模較小，可以取消格柵鋼架和護拱，采用沙袋碼砌預(yù)留注漿管直接注漿來填充塌腔。

3 貫穿型塌方

大草坪隧道全長1977m，進口段78m為Ⅴ級淺埋全風(fēng)化片麻巖上覆粉土層，開挖至洞口約60m處時，發(fā)生了貫穿型塌方事故，塌方掌子面處地表發(fā)現(xiàn)明顯沉降。總結(jié)塌方原因為圍巖巖體破碎，層間結(jié)合力非常差，近期降雨量偏大，地下水下滲明顯，施工開挖進尺偏大，仰拱施工不及時，多種因素疊加造成了此次塌方事故的發(fā)生。

具體處治措施為：首先對塌方對應(yīng)段地表進行細致調(diào)查，測量并繪制準(zhǔn)確的地表沉陷范圍圖，與洞內(nèi)塌方掌子面相對應(yīng)，確定二者的立體位置關(guān)系。根據(jù)兩者的空間位置關(guān)系，確定地表處理范圍。對于土質(zhì)地表應(yīng)挖除受影響地表松動土體后，回填碎石土夯實，最表層回填種植土1.0m加30cm黏土隔水層，對于石質(zhì)地表則應(yīng)對受影響地表注漿后地表澆注C25混凝土30cm。結(jié)合實際地形，在處理后的地表迎水面現(xiàn)澆C25混凝土截水溝將匯水排至自然溝渠。洞內(nèi)處理方案為：為了防止塌方進一步發(fā)育，在塌方發(fā)生的最初期應(yīng)避免對坍塌體進一步擾動，對坍塌松渣表面掛網(wǎng)并噴射20cm早強混凝土固結(jié)。暫時停止開挖掌子面，加快施工隧道仰拱，使其在不影響掌子面處施工所必須的工作面積的前提下，盡可能地接近掌子面。待仰拱施工至掌子面后對塌方體進行三臺階七步開挖，初步預(yù)留變形量為20cm，施工中必須勤量測，必要時增大預(yù)留變形量，以保證二次襯砌厚度。開挖進尺為1.0m，每次開挖后都要對掌子面、核心土掛網(wǎng)噴射C20早強混凝土20cm。對塌方段落以及前后10m，采用雙排長度為4.5m的Φ42超前小導(dǎo)管注雙液漿，環(huán)向間距40cm，縱向間距3.0m。第一排角度為30°，主要作用為注漿加固巖體。第二排角度為10°，主要作用為超前支護，結(jié)合巖體形成組合拱。3.5m長Φ25中空注漿錨桿間距1.5m×0.5m，掛Φ8雙層鋼筋網(wǎng)，Ⅰ20a鋼拱架@50cm，采用Φ42小導(dǎo)管鎖腳，鋼拱架底部墊槽鋼擴大拱腳接觸面并設(shè)置臨時仰拱，邊墻施工必須馬口跳槽開挖和落底，嚴(yán)禁兩頭同時開挖落底，避免拱架懸空。及時跟進仰拱施工進度，改善上部支護結(jié)構(gòu)受力條件，將隧道上部的圍巖壓力通過邊墻傳遞到地下，同時抵抗隧道下部圍巖反力。仰拱與二次襯砌構(gòu)成隧道整體，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

處治方案原理：這種沒有穩(wěn)定的塌方空腔，特別是地表有明顯下陷的塌方類型，其主要成因在于圍巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重，自穩(wěn)能力極差，開挖進尺偏大，支護偏弱或者不及時等多重因素的疊加結(jié)果。處理這種塌方事故基于圍巖已經(jīng)沒有自穩(wěn)能力，因此更多地應(yīng)該偏重于基于松弛荷載理論的“礦山法”開挖支護方式，可以概括為“短進尺、強支護、早成環(huán)”。特別需要注意在初支成環(huán)之前拱腳的穩(wěn)定性。在初支方案中，設(shè)計采用了Φ42小導(dǎo)管鎖腳，鋼拱架底部墊槽鋼擴大拱腳接觸面并設(shè)置臨時仰拱等一系列措施，來加強拱架的穩(wěn)定性，起到強支護的作用，并且設(shè)置了仰拱鋼拱架和混凝土仰拱來進一步提高襯砌整體受力性能。

4 結(jié)論

(1)空腔型塌方多發(fā)生在埋深較深圍巖段。該類圍巖掌子面的擠出位移、掌子面后方下沉位移均不明顯，主要控制的是掌子面拱頂下沉，所以配合必要的超前支護和初支結(jié)構(gòu)即可，一般不需施加其他臨時輔助措施。

(2)貫穿型塌方多發(fā)生在洞口淺埋、軟弱圍巖段。尤其在雨季或地下水發(fā)育時，圍巖承載力不足并進一步松弛，導(dǎo)致拱頂壓力較大、初期支護腳部下沉明顯，使松弛區(qū)域會進一步擴大，引起拱頂附近的作用荷載的進一步增加以及周邊圍巖出現(xiàn)更大變形。這類地形地質(zhì)及水文條件下，隧道穩(wěn)定的最核心點在于保證初支拱腳的穩(wěn)定性[1]。施工時發(fā)現(xiàn)變形加大現(xiàn)象應(yīng)停止開挖、加密拱架，必要時加設(shè)豎撐和橫撐，拱腳加設(shè)槽鋼或混凝土墊塊墊腳，鎖腳加設(shè)小導(dǎo)管鎖腳，必須設(shè)置仰拱鋼拱架以改善支護結(jié)構(gòu)受力條件，擇機盡早施工二襯襯砌。