曹 平， 劉建偉， 程 韜， 李冀偉

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，四川成都 610046)

某地鐵隧道坍塌成因分析及處治方法研究

曹 平， 劉建偉， 程 韜， 李冀偉

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，四川成都 610046)

針對(duì)青島地鐵某區(qū)間隧道穿越富水砂層施工中發(fā)生的坍塌事故，通過分析周邊環(huán)境及工程地質(zhì)條件，總結(jié)了區(qū)間隧道坍塌的原因，提出了處治隧道坍塌的技術(shù)措施，如設(shè)置帷幕注漿、調(diào)整開挖工法、加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度等。并通過數(shù)值分析和實(shí)踐檢驗(yàn)，隧道穿越富水砂層的技術(shù)措施是有效而可靠的。通過總結(jié)隧道穿越富水砂層的坍塌事故的原因及處治方法，對(duì)于隧道穿越類似地層具有重要的工程借鑒意義。

青島地鐵; 富水砂層; 隧道坍塌; 處治方法

1 工程概況

青島市地鐵一期工程(3號(hào)線)某區(qū)間沿京口路布置。京口路為雙向4車道，交通流量大。

區(qū)間設(shè)計(jì)里程為K(Z)20+982.795～Y(Z)K21+767.196，全長(zhǎng)約784.4m。區(qū)間為單線單洞隧道，洞身凈寬5.2m，埋深10～16m，左右線線間距13～13.4m。隧道洞身穿越粗礫砂及強(qiáng)風(fēng)化至中等風(fēng)化花崗巖地層。區(qū)間在里程YK21+542.000處設(shè)置一座臨時(shí)施工豎井，在里程YK21+327.500處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道(兼泵房)，在里程YK21+719.000處設(shè)置1號(hào)迂回風(fēng)道，在里程YK21+729.000處設(shè)置2號(hào)迂回風(fēng)道。

區(qū)間自上而下地質(zhì)情況如下：

第1層:素填土。該層分布廣泛，厚度2.5m，褐色～黃褐色，稍濕～濕，松散～稍密，由黏性土、砂、風(fēng)化碎屑夾少量碎石等組成，局部夾有碎磚等建筑垃圾，部分地面為10～30cm厚的水泥或?yàn)r青路面。該場(chǎng)區(qū)人工填土厚度薄，強(qiáng)度低且不均勻，自穩(wěn)能力差。

第7層：粉質(zhì)黏土。該層分布廣泛，層厚4m，黃褐色，可塑，具中等壓縮性，見有鐵錳氧化物條紋及少量結(jié)核，韌性、結(jié)構(gòu)性一般～較好，含少量砂粒，切面較光滑，干強(qiáng)度高。

第9層：粗砂。該層分布廣泛，層厚4.6m，褐～褐黃色，飽和，中密，主要礦物成分長(zhǎng)石、石英，分選、磨圓一般，含約5%～20%黏性土，局部呈黏性土膠結(jié)狀，混有圓角礫和粒徑1～6cm卵碎石，棱角～次棱角狀，局部夾有粉質(zhì)黏土薄層或透鏡體。

第17層：中等風(fēng)化帶。揭露垂直厚度3.4m，屬較破碎的較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅳ級(jí)。

2 坍塌成因分析及處治方法

2.1 坍塌概況

2011年7月16日，區(qū)間隧道左線掌子面施工至ZK21+597，施工監(jiān)控量測(cè)無異常變化。

在16日22：30立完格柵鋼架進(jìn)行錨桿施工過程中，拱部往下掉土塊并伴隨大量滲水，施工單位查看現(xiàn)場(chǎng)后立即采取噴射混凝土封閉格柵鋼架及掌子面，并在掌子面采取堆沙袋等措施。搶險(xiǎn)至17日凌晨2:00，掌子面和拱部無法封堵，且水量越來越大，伴隨流砂。撤出8名現(xiàn)場(chǎng)施工人員并及時(shí)關(guān)閉周邊的燃?xì)夤芫€，封閉周邊道路，設(shè)置安全圍擋(圖1)。

圖1 坍塌事故地面冒頂

2.2 坍塌原因分析

2.2.1 工程地質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)情況

京口路為雙向4車道，交通流量大。左線區(qū)間敷設(shè)有1條污水管、1條電力管、1條燃?xì)夤苁姓芫€。其中污水管埋深約3.1m，此管在京口路與重慶中路路口匯入DN600污水管(埋深約4m)。施工現(xiàn)場(chǎng)后期調(diào)查發(fā)現(xiàn)此污水管均存在滲漏水。

坍塌處表覆第四系全新統(tǒng)素填土2.2～3.0m，其下為全新統(tǒng)洪沖積層5.0～5.2m粉質(zhì)黏土、2.1～3.6m粗砂，下伏燕山晚期花崗巖、糜棱巖及碎裂狀花崗巖發(fā)育。地下水以第四系孔隙潛水為主，局部具弱承壓性，富水性中等。

2.2.2 原設(shè)計(jì)情況

坍方段地勘判定為V級(jí)圍巖，開挖采用鉆爆法，分上、下臺(tái)階進(jìn)行爆破開挖施工，設(shè)計(jì)采用鋼格柵噴射混凝土支護(hù)，格柵縱向間距0.75m/榀，拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管，縱向間距1.5 m，環(huán)向間距0.4 m，單根長(zhǎng)度3.0 m。全斷面設(shè)置φ6.5@200 mm×200 mm雙層鋼筋網(wǎng),邊墻設(shè)置φ22砂漿錨桿，L=3.0 m，間距為1.0 m×1.0 m，菱形布置，噴射25 cm厚C25混凝土。

2.2.3 坍塌成因分析

(1)地質(zhì)條件差。工程地質(zhì)條件差，富水性粗砂層較厚且粗砂層沿區(qū)間縱向延伸與大村河、西流莊河水力聯(lián)系緊密。坍塌處糜棱巖及碎裂狀花崗巖發(fā)育，圍巖松散，自穩(wěn)能力差。坍塌時(shí)正值青島雨季期間。

(2)隧道上部有1條污水管、3條自來水管、1條電力管和1條燃?xì)夤?。污水管長(zhǎng)期滲漏水，滲漏水在空洞位置形成地下水囊，結(jié)構(gòu)上部的土體長(zhǎng)期被浸泡，處于飽和流塑狀態(tài)，自穩(wěn)能力很差。超前小導(dǎo)管擾動(dòng)此土方，水囊中的水和泥砂沖破土層。

(3)初期支護(hù)不及時(shí)。施工現(xiàn)場(chǎng)拱部超前小導(dǎo)管未及時(shí)注漿。

施工現(xiàn)場(chǎng)雖全力搶險(xiǎn)，但由于富水性砂層緊密的水力聯(lián)系以及隧道拱部巖體碎裂發(fā)育，致使掌子面和拱部無法封堵進(jìn)而導(dǎo)致坍塌事故。

2.3 坍塌的主要處理技術(shù)措施

2.3.1 C 20混凝土回填坍腔

坍塌冒頂之后，立即組織搶險(xiǎn)人員向坑內(nèi)灌注混凝土、鋼筋網(wǎng)、沙石等物料封堵坍塌口。回填至地面下2.5 m處停止回填,避免了坍塌洞口的進(jìn)一步擴(kuò)大(圖2)。

圖2 坍塌回填示意

2.3.2 砂袋封堵

在上臺(tái)階掌子面采用砂袋堆碼封堵，防止坍體不穩(wěn)定而繼續(xù)坍塌。

在砂袋表面掛網(wǎng)噴射混凝土，形成止水帷幕墻封閉，避免洞內(nèi)水流繼續(xù)沖刷浸泡坍體，防止注漿加固時(shí)漿液從坍體流出，影響注漿加固效果。鋼筋網(wǎng)片采用為φ6.5@200 mm×200 mm，噴射0.15 m厚C20混凝土(圖3)。

圖3 砂袋封堵示意

2.3.3 抗滑錨管施工

在封堵墻下部施做雙排φ42抗滑錨管，并注漿。錨管布置為：水平間距1 m，排距0.5 m，梅花形布置，入巖深度2 m，錨管外露長(zhǎng)度0.2 m，外露部分用鋼管相互連接并噴射混凝土覆蓋，形成“錨固梁”，防止坍體滑動(dòng)(圖4)。

圖4 抗滑樁施工示意

2.3.4 坍體注漿加固

對(duì)坍體進(jìn)行注漿加固，固結(jié)涌出的淤泥土體。采用5.0 m長(zhǎng)的φ42鋼花管，間距0.5 m(豎向)×0.5 m(水平)，梅花型布置，注水泥漿+水玻璃雙液漿(圖5)。

圖5 坍體注漿加固

2.3.5 近坍方段拱頂加固

在ZK21+591.8～ZK21+594.8范圍內(nèi)，拱部打入φ42超前小導(dǎo)管注雙液漿，按照斜向上30°角打入，每榀鋼架打一環(huán)，共打設(shè)4環(huán)。φ42超前小導(dǎo)管布置形式為：拱部布置，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距0.75 m，導(dǎo)管長(zhǎng)度依次為5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m，穿過坍體進(jìn)入巖層為止(圖6)。

圖6 坍塌鄰近段注漿加固

2.3.6 拱部導(dǎo)管注漿加固處理

為加固拱頂松散巖層，對(duì)ZK21+589～591.8段上臺(tái)階拱部打入大外插角小導(dǎo)管注漿加固巖體，外插角為45°，導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，注水泥+水玻璃雙液漿(圖7)。

圖7 拱部注漿加固

2.3.7 地面鉆孔檢查及注漿

為探明回填混凝土的密實(shí)情況、混凝土至拱頂之間填充土的狀況，在地面鉆φ100 mm鉆孔，抽取芯樣。利用3個(gè)地質(zhì)鉆孔對(duì)坍體進(jìn)行加固注漿，壓注水泥漿液，壓力控制在1.0～1.5MPa。

2.3.8 拆除止?jié){墻和砂袋

全部注漿完成后，開始清理橫通道至ZK21+588段下臺(tái)階淤泥，并鋪墊50 cm厚碎石墊層，形成施工通道，同時(shí)理順排水系統(tǒng)。

施工通道形成后，拆除上臺(tái)階坍體止?jié){墻和封堵砂袋，拆除時(shí)按照環(huán)狀拆除，中間核心部分預(yù)留。割除打設(shè)導(dǎo)管外露部分，以利于施工。

2.4 坍塌段處理后的開挖技術(shù)措施

(1)取芯檢驗(yàn)。坍體注漿完成后，應(yīng)每環(huán)鉆2～3個(gè)孔對(duì)注漿效果進(jìn)行取芯檢驗(yàn)，并取巖芯觀察漿液充填情況，同時(shí)檢查孔內(nèi)涌水量不應(yīng)大于0.2 L/(min·m)，且某一處的漏水量不大于10 L/min。當(dāng)注漿效果不能滿足上述要求時(shí)，應(yīng)先邀請(qǐng)相關(guān)人員到現(xiàn)場(chǎng)查明原因后再調(diào)整注漿參數(shù)或進(jìn)行補(bǔ)注漿，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行開挖。

(2)拆除止?jié){墻和砂袋。洞內(nèi)淤積泥沙清理完成、施工通道形成后，拆除上臺(tái)階坍體止?jié){墻和封堵砂袋，按照環(huán)狀拆除，中間核心部分預(yù)留，進(jìn)行超前導(dǎo)管施工。

(3)設(shè)置超前導(dǎo)管。在靠近掌子面最前端未損壞的兩榀格柵鋼架之間打設(shè)一排φ42超前注漿小導(dǎo)管，導(dǎo)管穿過最后一榀鋼架按水平上傾角15°打設(shè)。拱頂90°范圍內(nèi)導(dǎo)管環(huán)向間距10 cm，120°～90°范圍環(huán)向間距30 cm，單根長(zhǎng)度5.0 m。壓注水泥+水玻璃雙液漿，壓力為0.5～1.0 MPa。

(4)調(diào)整初期支護(hù)參數(shù)。過坍方段采用I 22a型鋼拱架，間距250 mm，鋼架間設(shè)φ22縱向連接筋，內(nèi)外雙層設(shè)置，拱部設(shè)φ6.5@200 mm×200 mm雙層鋼筋網(wǎng)片。

初支背后安裝注漿導(dǎo)管，縱向間距1.0 m，環(huán)向間距1.0 m；系統(tǒng)錨桿為φ22中空錨桿，L=3.0 m，間距1.0 m，梅花型布置；鎖腳為φ42錨管，每榀布置，每榀鋼架4根，L=3.0 m。

(5)調(diào)整開挖工法。坍體采用環(huán)形臺(tái)階法開挖，上臺(tái)階斷面每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m，采用保留核心土的環(huán)形臺(tái)階法進(jìn)行施工(圖8)。鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿在挖除核心土后立即打設(shè)。

(6)開挖至原掌子面的封閉處理。循環(huán)施作鋼架10榀，完成后對(duì)掌子面進(jìn)行噴射C25混凝土20 cm厚封閉。上臺(tái)階長(zhǎng)時(shí)間擺放，為保證上臺(tái)階支護(hù)穩(wěn)定，底部施作Ⅰ22a型鋼臨時(shí)支撐，臨時(shí)橫撐對(duì)應(yīng)每榀鋼架設(shè)置。

圖8 環(huán)形臺(tái)階法施工

3 坍塌的預(yù)防措施

3.1 帷幕注漿預(yù)加固

區(qū)間隧道拱頂局部穿越富水砂層，大部分段落處于拱頂與砂層接觸帶，采用半斷面帷幕注漿方案，重點(diǎn)加強(qiáng)拱部注漿。對(duì)上半斷面開挖輪廓線范圍進(jìn)行深層注漿加固和止水，防止隧道開挖過程中發(fā)生涌砂、涌泥、涌水，以避免坍塌事故的發(fā)生(圖9)。

(1)注漿范圍為輪廓外3 m。

(2)每一標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)注漿長(zhǎng)度為14 m，開挖10 m，預(yù)留4 m止?jié){巖盤。

圖9 止水帷幕注漿

(3)注漿孔按漿液擴(kuò)散半徑為1.5 m，孔底間距不大于2.5 m布設(shè)。

(4)注漿孔開孔直徑不小于89 mm，孔口管直徑80 mm。

(5)漿液采用雙液漿，水泥漿∶水玻璃=1∶1(體積比)。

3.2 開挖工法調(diào)整

采用環(huán)形臺(tái)階法開挖，上臺(tái)階斷面每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m，采用弧形開挖、保留核心土的方法進(jìn)行。鎖腳錨管、系統(tǒng)錨桿在挖除核心土后立即打設(shè)。

3.3 增強(qiáng)初支支護(hù)強(qiáng)度和剛度

(1)初期噴混凝土：C 25混凝土全斷面支護(hù)。

(2)拱部φ42超前注漿小導(dǎo)管,L=4.0 m,水平傾角15°，環(huán)距0.25 m，縱距1.5 m。

(3)格柵鋼架：全環(huán)設(shè)置，鋼架間距0.5 m，采用四肢格柵鋼架，其布置間距可根據(jù)地質(zhì)情況或監(jiān)測(cè)信息予以調(diào)整。

(4)鋼筋網(wǎng)片：全環(huán)雙層鋼筋網(wǎng)設(shè)置φ6.5@150 mm×150 mm。

(5)初支背后注漿：注漿導(dǎo)管縱向間距1.0 m，環(huán)向間距1.0 m。

4 坍塌的綜合處治效果

4.1 數(shù)值模擬效果評(píng)價(jià)

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，各地層基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

通過采用Midas GTS數(shù)值分析軟件模擬了防護(hù)措施實(shí)施后的情況，隧道位移云圖如圖10所示,隧道應(yīng)力云圖如圖11所示。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)

(a)豎向位移云圖

(b)水平位移云圖圖10 隧道分析位移云圖

(a)豎向應(yīng)力云圖

(b)水平應(yīng)力云圖

通過分析表明，隧道拱頂最大沉降量為6.7 mm。通過帷幕注漿、預(yù)留核心土及增加初支支護(hù)強(qiáng)度和剛度等技術(shù)措施，能有效地控制隧道的應(yīng)力和變形。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控效果評(píng)價(jià)

對(duì)坍塌發(fā)生點(diǎn)周圍的地表、地下管線、隧道內(nèi)初期支護(hù)的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)51個(gè)。監(jiān)測(cè)頻率每2 h一次，進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測(cè)。截止7月21日,累計(jì)最大地表沉降8.4 mm，管線最大沉降量1.83 mm，隧道內(nèi)拱頂最大沉降量4.7 mm，凈空收斂最大0.3 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，7月19日后，日累計(jì)沉降最大點(diǎn)不超過1 mm，地表、管線機(jī)隧道內(nèi)的變形趨于穩(wěn)定。

目前，該區(qū)間已全線貫通，實(shí)踐表明前期綜合處理措施是有效的。

5 結(jié)束語

(1)隧道開挖過程中應(yīng)詳細(xì)調(diào)查周邊管線、建筑的基礎(chǔ)資料并掌握各周邊環(huán)境因素的現(xiàn)狀，以針對(duì)性的采取有效預(yù)防措施。

(2)隧道穿越富水砂層時(shí)，帷幕注漿是非常有效的預(yù)加固技術(shù)措施。同時(shí)，設(shè)計(jì)和施工應(yīng)注意根據(jù)地質(zhì)條件合理選擇相關(guān)注漿孔及注漿參數(shù)的設(shè)置。

(3)隧道穿越富水砂層時(shí)，采取合理的開挖工法和初期支護(hù)參數(shù)是避免坍塌事故的重要有效手段。

(4)區(qū)間坍塌事故發(fā)生前，相關(guān)監(jiān)測(cè)并未及時(shí)反映隧道的圍巖變形及地表沉降，如何有效合理選擇監(jiān)控布點(diǎn)及監(jiān)測(cè)方法需進(jìn)一步研究。

[1] 關(guān)寶樹．隧道工程施工要點(diǎn)集[M]．北京：人民交通出版社，2003．

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曹平(1984～)，男，工程師，主要從事地下工程方面設(shè)計(jì)與研究。

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[定稿日期]2015-05-05