宝天高速公路右线隧道塌方成因及处理方法

宝天高速公路右线隧道塌方成因及处理方法

六公司哈齐项目部   闻发利

【摘要】此文章根据公路隧道塌方产生成因及处理方法的工程实践，论述了公路软弱围岩段隧道施工应尽早封闭成环、重视监控量测工作、加强施工管理的重要性。
【关键词】隧道塌方、软弱围岩、处理方法
　　1 地形及地质概况
　　宝天高速公路隧道为分离式隧道，设计净空断面为12.0 m×7.0 m，复合式衬砌结构。按照新奥法施工，进出口段采用大管棚、超前小导管、钢支撑、超前锚杆。
　　隧道处地形及地质特点:①隧道地处丘陵地貌,山坡坡度约为20°～45°；隧道进出口处植被较发育。②隧道岩层走向与隧道轴线大角度相交，中间有断裂及向斜构造分布，岩层层理、裂隙发育较全，易产生坍塌和掉块。③隧道进出口段处见风化凹槽，地层岩性为砂加卵石岩层，厚度大、地层渗透系数大，属强过水通道,水量丰富。洞顶埋深浅，大部分处于埋深小于40～75 m的浅埋地段。由于隧道地层含水量丰富，导致侧壁容易失稳，拱部若无支护时容易产生坍塌。④隧道地下水主要有风化层孔隙裂隙水和基岩裂隙水，受大气降水及地下水侧向补给，水量丰富。根据勘察资料表明隧道大部分穿行于粉砂岩、泥岩区，层理裂隙发育，且本隧道发育有两条断裂带，为潜在的良好透水带。
　　2 隧道塌方产生原因处理方法
　　2.1 设计因素
　　　公路隧道工程设计方法主要有工程类比法、理论计算法及现场监控法等，这些方法又以工程类比法运用得最为广泛。在设计过程中若对围岩判断不准或情况不明，从而设计的支护类型与实际要求不相适应，也是导致施工中产生松驰坍塌等异常现象的原因，且设计中的地质勘查资料详细与否也是造成施工塌方事故产生主导因素之一。
　　2.2 地形及地质因素
　隧道工程地质情况千变万化,施工过程中受各种不可预见的地质因素及地质构造的影响巨大。公路隧道受多变的地质条件影响，如遇到地下水、断层破碎带、岩爆、瓦斯、偏压浅埋、膨胀土等条件，使施工难度大，安全性差；且公路隧道开挖跨度大，单洞双车道隧道开挖跨度达10 m，形状扁平，且防水要求极高，无疑加大了公路隧道的施工难度和塌方事故的产生。
　　此隧道中地层岩性呈砂土加卵石岩层，厚度大、地层渗透系数大，属强过水通道，水量丰富。水渗入围岩使软化系数大的岩石强度降低，结构面的抗剪强度减小，导致塌方。洞顶埋深较浅，大部分处于埋深处于40～75 m的浅埋地段。塌方处地表人工采土开挖范围较大，未采取防护措施。
　　2.3 施工因素
　　有些施工单位及施工人员为了能赚取更多的利润，甚至期盼着隧道塌方，从而增加工程数量或者设计变更以带来更大的施工利润。另一方面，有些施工单位抱着“地质工作是设计人员的任务,而不是施工人员的事”的观念致使减少甚至忽略了施工过程中的地质勘测及超前预报工作，从而加大了隧道施工塌方事故产生的可能性。施工单位在施工中的不规范或是违规施工也是导致塌方的重要因素之一。目前，公路隧道施工队伍的技术、管理及施工水平相差甚远，加之一些建设环节的操作不规范，有些施工单位及人员对新奥法原理缺乏深入的认识、学习、研究和应用，导致不规范或是违规施工现象较为普遍。
　　2.4塌方的处理方法
　　塌方事故发生后，要及时对塌方体进行封闭处理，对塌方体表面喷一层25cm厚的C25早强喷射混凝土并挂网将塌方体封闭，然后进行超前小导管注浆预支护加固、稳定围岩。针对现场塌方的实际情况，对受塌方影响的初期衬砌裂缝地段进行加固，并及时施作二次衬砌，对塌方体进行加固处理。
　　2.4.1 塌方侵限段的加固处理
　　塌方事故直接导致初期支护拱体长达16 m～22 m，拱顶初期支护下沉变形较大，出现多条较大裂缝，拱顶侵限等。为了防止塌方范围继续扩大，以及防止前端的初期衬砌支护下沉变形加大，对初期衬砌裂缝地段采取了如下加固措施:
　　(1)对初期支护裂缝地段的加固支护，拱部增设径向 Φ50 mm×5 mm小导管，呈梅花型布置，间距为100 cm×100 cm。施工后及时注浆以加固围岩，防止洞室周围围岩在围岩裂隙水的作用下进一步扩张。通过监控量测及数据整理的结果可以总结出小导管注浆后围岩变形量减小，达到了通过增设小导管，对导管内进行注浆，有效加固裂缝地段的预期效果。
　　(2)先对每榀钢拱架拱脚底部每侧各施打向下为45°的两根4.5 m 长注浆小导管进行锁脚，然后用工字钢做临时支撑，槽钢做底梁。待钢支撑施工完毕后，设水平横向支撑形成环，工字钢用Φ25钢筋纵向连接,环向间距为80 cm。钢拱架按间距为70 cm进行安装,加设楔形砼垫于喷射混凝土与型钢之间塞缝。
　　(3)未塌方段由于受到塌方地段的影响，紧邻塌方体10 m范围内的围岩也发生较大变形。为了确保二次衬砌的厚度，对侵限地段已经施工完毕的钢支撑进行了更换处理。更换采取间隔换拱，型钢更换后,对侵入二衬范围的喷射砼进行凿除，达到设计初期支护厚度后再进行重新补喷，然后再进行二次衬砌的正常施工。
　　2.4.2塌方处理总体方案
　　本隧道围岩结构大部分属于V级围岩，此塌方体厚度为13 m～21 m，高度为41 m,塌方空腔较大。在处理、加固好未塌方段后，在做好隧道地表排水和保证安全的前提条件下，建议按照下列方案和工艺进行塌方体处理。
　　Ⅰ 加强对塌方体的监控量测
　　对隧道塌方范围进行定时、定位观测，随时掌握塌方体动向，并将现场数据进行回归分析，以便对围岩稳定进行分析，修正和完善应急方案。
　　Ⅱ 洞内塌方影响段处理
　　(1)对塌方体表面喷一层25 cm厚的C25早强喷射混凝土并挂网将塌方体封闭，保持塌方体稳定。应在塌方体下部打入Φ50 mm×5 mm成梅花形布置的小导管，对所布置的小导管内进行注浆处理，且在裂隙水流向处预留导管，以利于塌方体内排水问题。
　　(2)在塌方影响段内采用Φ89 mm×6 mm 超前注浆钢管,环向、纵向间距分别为50 cm、100 cm,扇形布置,外插角为30°、45°,长度为25 m。
　　(3)待塌方体注浆固结强度及超前支护强度达到设计要求后，方可对塌方段进行开挖。严格采用双侧壁导坑，预留核心土，必要时加上下台阶法进行掘进，逐段清理塌方体并开挖到设计轮廓线后，随即喷射5 cm混凝土,架设工字钢进行支撑(间距为50 cm)。并用注浆小导管锁脚(每处施做两根4.5 m长,Φ50 mm×5 mm小导管)，钢支撑架设后应立即复喷到位。
　　(4)初期支护采用Φ50 mm×5 mm小导管(长为5 m,外插角为60°)，小导管纵、环向间距分别为1 m、0.3m和挂网喷C25砼(厚30 cm)，工字钢支撑(间距为50 cm)。
　　(5)二次衬砌比原设计加强加厚处理，厚度按60 cm（原设计为50cm），混凝土标号采用C30钢筋混凝土，钢筋直径采用Φ22 mm,间距为10 cm。
　　(6)注浆:为了保证水泥静浆在土体中一定范围内扩散，注浆材料采用C30细粒水泥浆和环氧树脂混合料，注浆压力为3.0 MPa。施工时注浆量根据现场试验进行确定。注浆时先拱墙、后拱部，并采用隔孔注浆方式。注浆结束标准，注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆15 min以上，注浆量一般为20 L/min～30 L/min。
　(7)初期支护完成后,仰拱紧跟施作,尽快形成隧道断面封闭成环，并要求二衬衬砌紧跟，使塌方体变形小并保证塌方体稳定。侧壁临时支护拆卸前必须对注浆过的围岩钻孔取芯，检测注浆效果，若注浆效果达不到要求，须重新补注加固。
　　Ⅲ洞顶地表处理
　　(1)修筑洞顶塌陷坑周边的截排水沟,以阻止地表水继续向塌方区汇集。
　　(2)在山体周边表面裂缝填灌C20水泥浆(上边大裂缝可用黏土填筑,表面再用水泥砂浆隔水),回填地表凹陷处并进行夯实,在其上喷一层厚20 cm的C20早强混凝土将塌方体封闭,保持地表塌方体的稳定。
　　3 塌方处理的施工要求
　　(1)监控量测要求,先期监控频率每班监控1次,待变形基本控制住后可改为每天1次,及时向设计代表和总监办汇报监控结果。
　　(2)遇到突发事件,立即采取应急处理措施。在施工过程中,应确保施工安全,采用3班工作制,安全员应随时注意观察围岩变化。若有突变,所有人员必须立即撤离。同时要加快处理速度,以尽量减少裂缝发展。
　　4 结论
　　在处理此隧道的塌方中,我们遇到了困难,进行了反思,总结得到以下几点经验:
　　(1)加强在隧道施工实践中对新奥法原理的理解和实施,“设计、施工、量测、设计”是新奥法的根本所在,属动态信息管理。加强监控量测工作,按规定进行量测、科学分析、信息及时反馈,指导工程施工。尤其在Ⅴ、Ⅳ级的围岩施工中,该项工作显得更为重要。
　　(2)在Ⅴ、Ⅳ级软弱围岩含水地段开挖施工中,应严格遵循“短进尺,弱爆破,紧支护,勤量测”的指导方针。实践证明,及时支护并初喷4 cm厚砼封闭的施工工序至关重要,可避免隧道开挖后围岩暴露过久产生风化作用而降低其强度和稳定性,使支护和围岩作为一个统一的整体共同工作,降低塌方事故发生的可能性。
　　(3)公路软弱围岩段隧道施工必须早封闭成环及紧跟二次衬砌,使其与初期衬砌共同参与受力。避免初期支护被压垮,导致隧道塌方。
　　(4)隧道塌方后,必须迅速、及时地处理现场,科学合理的制定塌方处理方案。塌方事故发生后,各方负责人和技术人员应迅速到达塌方地点,详细勘察塌穴尺寸及塌穴稳定情况,研究工程地质、水文地质,检查塌方对初期支护的损坏情况和影响区域,分析塌方的主要原因和可能继续发展的趋势。在现场掌握情况的基础上,认真制定处理的步骤、方法及预防对策。
　　(5)隧道塌方后,应先待塌方体相对稳定后,对塌方体表面进行喷混凝土封闭,防止塌方体滑移,然后再加固未塌方地段,防止塌方范围扩大,最后向塌方体注浆加固为后序开挖做好准备。