曾亞平

(岳陽市公路橋梁基建總公司,湖南 岳陽 414000)

防治隧道坍方的施工技術(shù)探討

曾亞平

(岳陽市公路橋梁基建總公司,湖南 岳陽 414000)

結(jié)合公路隧道工程施工實(shí)踐中遇到的問題,對(duì)采用的相應(yīng)技術(shù)處理措施作了介紹,并提出了隧道坍方防治施工技術(shù)方面的探討.

公路隧道;坍方;防治;施工技術(shù)

工程概況

京昆國道主干線四川省雅安至瀘沽高速公路菩薩崗隧道設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí),計(jì)算行車速度80km/h,設(shè)計(jì)為分離式雙洞單向行車,左洞樁號(hào) K170+366～K173+350 ,長2984m,右洞 YK170+355～YK173+345,長2990m,設(shè)計(jì)縱斷高程在2427m至2444m之間,縱坡設(shè)計(jì)為人字坡,坡度 ± 0.3% ～ ± 3%.本隧道主洞襯砌內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)為拱高715cm,上半圓半徑為553cm的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu),凈寬10.25m,凈高5m,凈空面積(含仰拱)78.21m2,周長(含仰拱)32.29m.

在本隧道施工中,我們就不同圍巖地質(zhì)條件下的施工技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)真探討,著重點(diǎn)是:通過合理的施工技術(shù)預(yù)防和減少隧道坍方的出現(xiàn),以及出現(xiàn)坍方時(shí)采取合理工程技術(shù)措施進(jìn)行治理.

1 隧道工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

本隧道所在區(qū)域?yàn)楦咧猩缴钋泻庸鹊孛才c高中山湖盆區(qū)地貌分界的分水嶺,所在山地地形起伏大,山高坡陡,沿線地表植被發(fā)育,人跡罕至.

1.2 地層巖性

(1)第四系全新統(tǒng)(Q4).塊石、碎石土,為坡積成因,厚度較小.(2)早震旦系花崗巖 ().巖性為花崗巖,成份以石英為主,長石、云母少量,局部分布有鉀長花崗巖.中～粗晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造.強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化質(zhì),節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石一般較破碎,是本隧道主要巖性.

(3)構(gòu)造巖.壓碎巖主要分布在斷層帶內(nèi),母巖以輝長巖或花崗巖為主,普遍具綠泥石化、蝕變.擠壓破碎強(qiáng)烈,巖石礦物多可捏成粉末狀,巖石較軟弱.

1.3 水文地質(zhì)條件

本隧道區(qū)內(nèi)的地下水按其賦存的介質(zhì)分為兩類:一是覆蓋層中的孔隙水,二是基巖裂隙水.地表水主要分布在隧道右側(cè)海子內(nèi),距隧道軸線最近約450m,海子水位高程一般為2510m.

1.4 地震

隧址區(qū)位于地震基本烈度Ⅸ度區(qū).

1.5 本隧道巖石物理力學(xué)特征

據(jù)野外調(diào)查及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,參數(shù)見表1.

表1 各級(jí)圍巖主要物理力學(xué)指標(biāo)表

2 隧道洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道洞身結(jié)構(gòu)按新奧法施工原理進(jìn)行設(shè)計(jì),即以系統(tǒng)錨桿、噴砼、鋼筋網(wǎng)、鋼架等組成的初期支護(hù)與二次模筑砼相結(jié)合的復(fù)合襯砌型式,通過分析計(jì)算確定洞身結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù).洞身正常段支護(hù)參數(shù)見表2[1].

表2 洞身正常段支護(hù)參數(shù)表(單位:cm)

3 產(chǎn)生隧道坍方的原因

3.1 不良地質(zhì)水文條件

(1)隧道穿越不穩(wěn)定地層、斷裂、褶皺帶、含有各種不利的軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖、溶洞陷穴等不良地質(zhì)區(qū)域;

(2)隧道穿越埡口、溝谷、傍山地區(qū)及隧道進(jìn)出洞口段;

(3)地下水發(fā)育地區(qū)或地表水滲漏明顯地段.

3.2 設(shè)計(jì)缺陷

(1)對(duì)地質(zhì)的勘察不詳,判斷不準(zhǔn),沒有查明坍方隱患,未進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)處理;

(2)選線時(shí)隧道穿越位置不當(dāng),未繞避應(yīng)當(dāng)而且可以繞避的不良地質(zhì)地段.

3.3 施工措施不力

(1)施工方法不適應(yīng)地質(zhì)條件,或地質(zhì)條件變化后沒有及時(shí)改變施工方法,措施不力.甚至由于坍方處理不及時(shí)、不當(dāng)而造成再次坍方或引起更大坍方;

(2)對(duì)前方地質(zhì)情況掌握不夠,選擇了不合適的施工技術(shù),如盲目冒進(jìn)、長進(jìn)尺、支護(hù)不及時(shí)不牢固、爆破方法不當(dāng)?shù)?

(3)未能妥善處理地下水和地表水.

4 隧道施工中預(yù)防和減少坍方的技術(shù)措施

不良地質(zhì)及水文條件是產(chǎn)生坍方的自然原因;設(shè)計(jì)方案一般是經(jīng)過詳細(xì)勘察和反復(fù)論證的,即使穿越不良地質(zhì)地段,也是線形受地形地貌所限不得已而為之,而且隧道設(shè)計(jì)因其隱蔽工程的特性,本身就是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),不是一勞永逸、一成不變的;施工是造成坍方的直接原因.

新奧法是一個(gè)具體應(yīng)用巖體動(dòng)態(tài)性質(zhì)的完整的力學(xué)概念,按照新奧法施工原理,實(shí)際施工中應(yīng)做到“短進(jìn)尺,弱爆破,強(qiáng)支護(hù)”.開挖方法是影響圍巖穩(wěn)定、避免或造成隧道坍方的重要因素之一,所以隧道開挖的基本原則,是在保證圍巖穩(wěn)定或減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)的前提下,選擇適當(dāng)?shù)拈_挖方法和掘進(jìn)方式,并合理提高掘進(jìn)速度.在選擇開挖方法時(shí),應(yīng)對(duì)隧道斷面大小和形狀、圍巖的工程地質(zhì)條件和自穩(wěn)性、支護(hù)條件、機(jī)械配備能力、工期要求、經(jīng)濟(jì)性等相關(guān)因素進(jìn)行綜合分析確定.

本隧道開挖主要采取的是臺(tái)階法,Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面法,Ⅳ級(jí)圍巖一般采用兩臺(tái)階法,Ⅴ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法.這里重點(diǎn)介紹三臺(tái)階法,三臺(tái)階的分階是:上臺(tái)階指隧道斷面半圓拱頂部的弓形范圍,底寬約10.5m,拱頂中心高約2.8m,開挖后可以架設(shè)拱頂?shù)娜纬跗谥ёo(hù)鋼支撐;中臺(tái)階指半圓拱除去上臺(tái)階弓形范圍的剩余部分,寬 10.5～13m,高約 3.7m,開挖后可以架設(shè)拱部左右側(cè)的兩段初期支護(hù)鋼支撐;下臺(tái)階指位于半圓拱之下的邊墻部分(含仰拱),寬 12～13m,高約 3m,開挖后可以架設(shè)左右側(cè)邊墻的兩段初期支護(hù)鋼支撐.從隧道縱斷面看,三個(gè)臺(tái)階呈梯級(jí)狀態(tài),從掌子面向后高度梯級(jí)下降,上臺(tái)階的長度一般控制在6m左右,中臺(tái)階20m左右,下臺(tái)階40m左右.

三臺(tái)階開挖具體又細(xì)分為七個(gè)開挖面,從掌子面開始,七個(gè)開挖面分別是:上臺(tái)階掌子面,中臺(tái)階的左、右、中三個(gè)長方形塊,下臺(tái)階的也是左、右、中三個(gè)長方形塊,按此順序分步驟相互交錯(cuò)開挖.為防止出現(xiàn)坍方,開挖支護(hù)過程應(yīng)把握好以下方面:

第一,上臺(tái)階掌子面開挖前,應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求施作超前小導(dǎo)管并注漿,然后才能在超前支護(hù)的保護(hù)下進(jìn)行開挖,視圍巖情況每次掘進(jìn)0.9～1.8m,迅即架設(shè)1～2榀初期支護(hù)鋼支撐,施作系統(tǒng)錨桿且注漿,掛鋼筋網(wǎng),噴射初期支護(hù)砼,如此一氣呵成,在拱頂形成較穩(wěn)定的承載拱.

第二,在拱頂承載拱的支護(hù)下,進(jìn)入中臺(tái)階的施工,中臺(tái)階施工完畢的段落就進(jìn)入下臺(tái)階的施工,如此先上后下,由高至低,分步實(shí)施.每處圍巖開挖完成后,均應(yīng)迅即施作初期支護(hù),最大程度的縮短圍巖裸露時(shí)間,以控制圍巖的變形和松馳.開挖作業(yè)均應(yīng)采用光面爆破,布孔與裝藥量應(yīng)合理,盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞程度,且應(yīng)盡量使隧道周邊輪廓圓順,避免棱角突變處應(yīng)力集中.

第三,七個(gè)開挖面交錯(cuò)開挖,因七個(gè)面分別處于隧道縱斷面的七個(gè)不同樁號(hào)段,從而使每一處隧道橫斷面上最多只有一個(gè)開挖面,這樣圍巖裸露的范圍減到了最小,保證了圍巖的穩(wěn)定.因隧道出渣大型挖裝運(yùn)機(jī)械設(shè)備需在中臺(tái)階和下臺(tái)階作業(yè),應(yīng)保證好機(jī)械的安全作業(yè)半徑,避免相互干擾,降低效率,更要避免工程機(jī)械觸碰初期支護(hù),危及圍巖的穩(wěn)定,還要確保三臺(tái)階開挖施工地段具有良好的運(yùn)輸通道.

第四,初期支護(hù)完成后,與圍巖連成整體共同受力形成了一個(gè)大的承載拱,在下臺(tái)階核心土挖除后落底并快速施作仰拱砼封閉仰拱,及早閉合隧道斷面,有效地發(fā)揮初期支護(hù)體系的作用,保證隧道的穩(wěn)定.之后進(jìn)入二次襯砌,二襯與掌子面的距離控制在80m左右較合適,原因是:

(1)圍巖與初期支護(hù)變形已經(jīng)基本穩(wěn)定了;

(2)確保初期支護(hù)不至于裸露時(shí)間過長而出現(xiàn)隧道意外坍塌事故,因?yàn)橹挥卸r參與受力后隧道才真正的進(jìn)入了安全狀態(tài);

(3)保證了前方三臺(tái)階開挖和初期支護(hù)有充足的施工場(chǎng)地.

第五,認(rèn)真做好隧道監(jiān)控量測(cè),監(jiān)測(cè)圍巖與支護(hù)變位、變形速率及收斂程度,并進(jìn)行必要的反饋分析,正確估計(jì)其特性及隨時(shí)間的變化,及時(shí)調(diào)整初期支護(hù)的參數(shù)及掌握二次襯砌的最佳時(shí)間.

第六,應(yīng)重視隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,就目前的勘察技術(shù)水平,設(shè)計(jì)過程中難以對(duì)隧道工程地質(zhì)及水文條件有全面的掌握,因此施工中需補(bǔ)充調(diào)查,做到“知己知彼,百戰(zhàn)不殆”.一般采用TSP(Tunnel Seismic Prediction ahead)法,即隧道前方地震預(yù)報(bào)或超前地質(zhì)預(yù)報(bào),可以基本探明前方 80m范圍內(nèi)的圍巖地質(zhì)和水文條件,能提供重要參考.另外還有一個(gè)比較簡單實(shí)用的方法是超前鉆孔,即在掌子面前方鉆孔不少于2個(gè),深度6m左右,也能了解到近距離內(nèi)的地質(zhì)水文狀況.

5 隧道施工中坍方的技術(shù)處理措施

本隧道出現(xiàn)坍方絕大多數(shù)是因斷層、破碎帶,圍巖破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,整體強(qiáng)度很低,且不同程度的地下水影響.一般較小的坍腔首先要用噴射砼封閉坍腔,防止坍腔擴(kuò)大.如出現(xiàn)地下水大量涌水,則采取“堵”與“疏”相結(jié)合的治理措施,當(dāng)?shù)叵滤怯傻乇硭a(bǔ)給時(shí),在地表設(shè)置截排系統(tǒng)引排,多數(shù)情況的地下水為承壓水,將主要的股水收集后用管道引排至拱腳,通過隧道的排水溝排出洞外.初期支護(hù)施作時(shí),對(duì)應(yīng)坍腔位置,埋設(shè)一至幾根直徑110mm的鋼管,初支具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,通過預(yù)埋管泵送C20砼或M10水泥砂漿,在初支外形成超過60cm厚的護(hù)拱,護(hù)拱之上的空腔部分再吹填中粗砂作為緩沖層.

下面就菩薩崗隧道出口右洞YK172 + 885 ～ + 875段出現(xiàn)的較大坍方實(shí)例說明處治過程與措施.

該段原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況:圍巖為弱風(fēng)化花崗巖、夾破碎的輝長巖巖脈,巖質(zhì)堅(jiān)硬,由于鄰近區(qū)域性活斷層?安寧河?xùn)|支斷裂,隧道局部發(fā)育次級(jí)小斷層以及局部存在差異風(fēng)化帶.花崗巖巖層透水性較差,地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響不大.但在斷層及其影響帶、巖脈與花崗巖接觸帶、節(jié)理密集帶,巖體極破碎,透水性好,地下水水頭壓力大,可能產(chǎn)生噴射狀漏水,并且可能伴隨有較大的坍塌.〔BQ〕= 280.設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí).

該段圍巖實(shí)際地質(zhì)情況:圍巖為強(qiáng)風(fēng)化夾全風(fēng)化的花崗巖,局部夾弱風(fēng)化巖石,差異風(fēng)化明顯,肉紅色為主.巖層構(gòu)造發(fā)育了多條小斷層,風(fēng)化節(jié)理裂隙眾多,傾向雜亂,傾角 40°～90°,巖體很破碎,巖石強(qiáng)度很低,穩(wěn)定性很差,錘擊易崩裂成散砂狀,巖體Is(50)較低,〔BQ〕小于250.同時(shí)左側(cè)發(fā)育著一條產(chǎn)狀為68°～279°的破碎帶,寬度3～5m,巖質(zhì)極松散,呈砂石或米石狀,或?yàn)榻堑[巖狀.破碎帶中地下水壓力很大,呈現(xiàn)噴泉狀股水涌出.

2009年4月18日上午9點(diǎn)30分,YK172 + 884掌子面初期支護(hù)噴射砼將結(jié)束時(shí),拱部突然出現(xiàn)坍方,涌水涌渣,涌水量為180m3/h,渾濁,水溫6～8°C,涌渣為河沙狀.至4月19日下午,已形成坍腔長9m、寬13m、高7.5m,靠近掌子面的YK172 + 889 ～ + 885段已施作的初期支護(hù)出現(xiàn)細(xì)小裂紋.4月20日下午確定YK172 + 885 ～ + 875段采取以下工程處理措施:

(1)為保住已施作好的初期支護(hù)不損壞,在離掌子面 10m處開始,沿初期支護(hù)內(nèi)輪廓架立 10榀 20a工字鋼護(hù)拱,縱向間距1m,每榀長度按已開挖輪廓線;

(2)施作?42mm超前小導(dǎo)管長3.5m,縱向間距1.8m,環(huán)向間距40cm;

(3)該段圍巖級(jí)別由原設(shè)計(jì)的Ⅳ級(jí)調(diào)整為Ⅴ級(jí),襯砌類型由原設(shè)計(jì)S4b變更為S5b,其中20a工字鋼支撐間距由80cm調(diào)整為50cm,D25中空注漿系統(tǒng)錨桿相應(yīng)調(diào)整為縱環(huán)間距50×100cm;

(4)二次襯砌C25砼變?yōu)镃25鋼筋砼,按S4a二次襯砌配筋;

(5)開挖方法按Ⅴ級(jí)圍巖的三臺(tái)階開挖法;

(6)初期支護(hù)施作時(shí),在拱部預(yù)埋3根直徑110mm的注漿管,坍腔用泵送C20砼進(jìn)行回填.

4月21日,在離掌子面10m處開始,沿初期支護(hù)內(nèi)輪廓架立10榀20a工字鋼護(hù)拱完成后,掌子面按間距 50cm一榀施作 20a工字鋼架過程中,繼續(xù)塌方,涌渣約 500m3,涌水量為 120m3/h,掌子面暫停施工.4月 23日,采用沙袋反壓封堵涌水涌渣處,并施作雙層超前小導(dǎo)管及注水泥漿.4月 26日,掌子面右側(cè)YK172 + 894 ～ + 884拱腰坍腔部位泵送C20砼約150m3.4月27日,在坍腔處分別安裝3根直徑110mm輸送砼管道,掌子面左、右側(cè)管道長3m,中間管道長4.5m,泵送C20砼時(shí),左右側(cè)泵送砼約50m3時(shí)被堵管,中間管道泵送砼約150m3時(shí)被堵管,泵送砼未達(dá)到預(yù)期效果.4月29日至5月1日,在掌子面施作雙層小導(dǎo)管并注漿.5月2日,在距掌子面5m范圍內(nèi)初期支護(hù)上施作小導(dǎo)管并注漿.5月3日,在掌子面坍腔處開窗60cm×60cm檢查,大量涌渣伴水而出,涌渣量約200m3,探測(cè)后發(fā)現(xiàn)坍腔內(nèi)的涌渣堆積厚度在5m以上,主要是粒徑為5cm～40cm的破碎花崗巖,所注漿液無法與其固結(jié).5月7日上午會(huì)審重新調(diào)整確定該段采取以下工程處理措施:

第一、對(duì)YK172+900～+890段仰拱增加20a工字鋼與初期支護(hù)工字鋼架閉合成環(huán);

第二、YK172+885～+875段超前支護(hù)采用雙層?42mm小導(dǎo)管,第一層傾角5°～10°,第二層傾角30°,長4.5m,環(huán)向間距0.4 m,縱向間距2.4 m,并注水泥漿,使拱部以上3.0 m范圍注漿形成護(hù)拱;

第三、初期支護(hù)20a工字鋼架間距0.4 m,D25系統(tǒng)錨桿縱環(huán)間距40×100cm,其余初期支護(hù)同S5b;

第四、二次襯砌采用50cm厚的C25鋼筋砼,按S5a二次襯砌配筋;

第五、用3根直徑110mm鋼管將涌水集中至邊墻部位排出;

第六、坍腔用泵送C20砼進(jìn)行回填.

5月7日下午YK172+885掌子面開始重新施作6m長雙層超前小導(dǎo)管并注水泥漿,至5月9日上午已用水泥45t,水泥漿大部分從預(yù)埋的排水管及拱頂超前小導(dǎo)管隨水流出,未達(dá)到加固圍巖、形成護(hù)拱效果.5月9日上午,改用雙液漿效果也不明顯,中午開始用人工環(huán)形開挖將掌子面最前方的工字鋼剝出,加密超前小導(dǎo)管后,再向前40cm掘進(jìn)一榀.5月14日晚,6m長雙層超前小導(dǎo)管施作完畢,扒開坍腔口坍渣,坍腔內(nèi)涌出大量石渣,將小導(dǎo)管壓彎.5月15日上午繼續(xù)清除坍腔口石渣,讓坍腔內(nèi)石渣涌出,部分小導(dǎo)管隨坍渣涌出,上午10點(diǎn)、下午2:45及4:50清理3次,均從坍腔內(nèi)涌出大量砂夾石塊,坍腔無法穩(wěn)定.5月16日上午確定該段增加以下工程處理措施:

在YK172+885掌子面拱頂部3m寬范圍內(nèi),用地質(zhì)鉆機(jī)施作?108mm管棚,環(huán)向間距30cm,數(shù)量11根,同時(shí)在左側(cè)、右側(cè)分別施作3根、4根?108mm管棚,總根數(shù)18根,管棚長度暫定12m.

5月17日開始施作管棚, 6月10日管棚施作完畢,實(shí)際根數(shù)19根,除1根僅長7m報(bào)廢外,其余18根長度在14m～19m之間.在管棚和雙層小導(dǎo)管的雙重超前支護(hù)下,開始向前40cm/榀掘進(jìn),終于在6月26日掌子面到達(dá)YK172 + 875.

由此可見,隧道一旦形成較大坍方,處理起來就要付出很大的人力物力,工期影響大,經(jīng)濟(jì)損失也大.所以隧道坍方的防與治,應(yīng)該重在預(yù)防,預(yù)防措施無論從投入的人力物力財(cái)力方面,都是較小的,而效果很好,能夠及時(shí)地把坍方消滅在萌芽狀態(tài),確實(shí)能起到“四兩撥千斤”的作用.

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.JTGD70–2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004

Discussion on Prevention of Tunnel Construction Technology of Soil Slip

ZENG Ya-Ping
(Highway Bridge Construction Corporation of Yueyang,Yueyang 414000,China)

Combining with the practical problems in the course of highway tunnel construction,the corresponding technical measures are introduced,and the discussions on tunnel construction technical aspects of the soil slip prevention are presented.

highway tunnel;soil slip;prevention;construction technology

U457+.2

A

1672-5298(2011)01-0081-05

2010-12-07

曾亞平(1974? ),男,湖南臨湘人,岳陽市公路橋梁基建總公司工程師,一級(jí)建造師.主要研究方向:橋梁及道路工程