淺埋偏壓段隧道塌方綜合處理技術(shù)

何成滔，王小林，肖鵬飛

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054;2.中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

隧道塌方指在隧道施工中洞頂及兩側(cè)部分巖石在重力作用下崩塌。隧道塌方原因很多，概括起來歸為兩類:自然因素和人為因素。自然因素主要有地質(zhì)狀態(tài)、受力狀態(tài)、水的侵害、瓦斯病害等[1]。偏壓淺埋段圍巖軟弱、破碎、自穩(wěn)時間極短，如果施工方法和支護方式不妥當(dāng)，則極易發(fā)生冒頂塌方或地表有害下沉[2]。分析隧道塌方冒頂?shù)脑?，全面詳盡了解隧道區(qū)的基本地質(zhì)情況，充分認(rèn)識圍巖特性、不利因素間的聯(lián)系及其可能誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，就能在設(shè)計和施工階段，對出現(xiàn)的塌方采取合理的開挖和支護方法，針對隧道塌方情況，提出相應(yīng)處理措施，有效地處理隧道塌方。

1 工程概況

某隧道進口位于三門鎮(zhèn)雙江村，隧道洞口段埋深為1.5～23.0 m，植被發(fā)育，均為坡積碎石土，未見基巖出露。該隧道為單洞雙線隧道，起訖里程為DK352+189—DK356+188，隧道全長3 999 m，隧道圍巖級別以Ⅳ、Ⅴ級為主。隧道斷面面積為 142 m2，上拱半徑7.24 m。進口左側(cè)埋深厚度均大于右側(cè)埋深厚度，處于地形偏壓和構(gòu)造偏壓狀態(tài)，且均在淺埋或超淺埋地段。

隧道圍巖大部分位于震旦系及上板溪群地層中，以砂巖、頁巖、板巖、變質(zhì)砂巖為主，厚薄不等，軟硬不均;洞身巖體節(jié)理、劈理及裂隙發(fā)育，圍巖完整性較差。地下水發(fā)育，砂巖儲水性較好，裂隙發(fā)育，含水帶范圍廣闊，尤其向斜核部富水性強，隧道開挖有較大的涌水量。

2 隧道坍塌情況及原因分析

2.1 坍塌情況

1)地表情況。坍塌冒頂位置為里程 DK352+238.0—DK325+245.3段線路偏右側(cè)，地表出現(xiàn)一個近似圓形塌陷坑。塌陷坑周圍地表呈現(xiàn)多處縱橫向裂隙，裂縫寬度達1～3 cm，冒頂處埋深為13.5 m。隧道掌子面已全被坍塌土體填滿，將已開挖的洞身堵塞近10 m。

2)洞內(nèi)情況。近掌子面的3榀鋼支撐范圍內(nèi)的初期支護受到影響，洞內(nèi)兩側(cè)邊墻處產(chǎn)生縱向裂隙，裂隙寬度10 mm，DK352+221.0左側(cè)、DK352+223.5與DK352+229.0右側(cè)，由于山體嚴(yán)重偏壓產(chǎn)生環(huán)向裂縫共3條，裂隙寬度約5～15 mm，裂隙環(huán)向長度達4 m。

2.2 坍塌原因

1)降雨或多次連續(xù)降雨，滲入隧道內(nèi)的裂隙水和地表水流量增大是導(dǎo)致此次坍塌的誘因。

2)在隧道內(nèi)部不排水條件下，長期暴雨對隧道及其支護系統(tǒng)影響很大[3]。受外界震動和洞內(nèi)滲水量增大的影響，松散巖層與相鄰巖層摩擦力減小，受重力作用發(fā)生下滑，是導(dǎo)致掘進掌子面前方未開挖段及已成形的初期支護段拱頂土體坍塌的直接原因。

3)洞頂上方巖體呈陡傾構(gòu)造、裂隙發(fā)育，坍塌受產(chǎn)狀陡傾的構(gòu)造裂隙(裂隙上附著潤滑層)控制。呈陡傾狀附著潤滑層構(gòu)造裂隙的存在，是導(dǎo)致坍方的重要原因。

4)根據(jù)地理環(huán)境，出現(xiàn)坍塌處在進口端 DK352+243處，因為隧道進口緊靠山體外側(cè)，隧道右側(cè)始終處于偏壓狀態(tài)，偏壓也是引發(fā)此次坍塌的另一個重要因素。

3 坍塌處理措施

為了防止塌方的進一步擴大，保證施工進度，根據(jù)隧道塌方后隧洞現(xiàn)場實際情況，在處理方案上分為洞內(nèi)、洞外分別處治2條線，總體方案為:先治水，再穩(wěn)定洞內(nèi)。治理過程為:地表排水處理—洞內(nèi)清淤—固結(jié)渣體—工作面預(yù)注漿—小導(dǎo)管注漿加強—開挖與支護—陷坑回填。

3.1 地表排水處理

采用塑料棚布對裂隙進行全方位覆蓋，邊緣部位用土壓實，并沿四周開挖截水溝將地表水引排至隧道洞頂截水天溝。所有洞頂及附近裂縫全部用水泥砂漿進行封閉處理。沿塌陷坑周邊開挖截水溝，用砂漿抹面;同時，為防止雨水直接進入坍穴，采用鋼管搭設(shè)支架，上覆彩條布遮雨，并對坍穴四壁進行刷坡和初噴混凝土。

3.2 地表注漿與坍穴加固

初噴完后沿塌陷坑四周打入長3 m、φ42 mm鋼花管(間距1 m，梅花形布設(shè))進行注漿(M20單水泥漿)，以加固坍穴井壁強度。然后沿洞頂?shù)乇硭菘谥苓? m范圍內(nèi)同樣打入φ42 mm鋼花管注漿，(6～8)m/根，間距1 m，梅花形布設(shè)，注M20單水泥漿。見圖1。

圖1 地表注漿加固示意

3.3 固結(jié)渣體

沿塌腔內(nèi)松散渣體表面打入φ42 mm鋼花管，長度4 m，間隔1.2 m×1.2 m，梅花形布置，注水泥—水玻璃雙液漿，以固結(jié)渣體。同時沿渣體頂部鋪設(shè)一層φ8 mm@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)成倒扣鍋底狀，并將網(wǎng)片與周邊小導(dǎo)管連接，噴射厚20 cm的C25混凝土，后掛設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，再噴射厚20 cm混凝土，連續(xù)施作三次，噴混凝土共厚60 cm。后用彩條布將塌腔頂封閉，以防雨天地表水進入塌腔內(nèi)。

3.4 初支及洞身段加強處理

1)洞內(nèi)施作臨時支撐，采用2根I20b工字鋼焊接，每隔兩榀對已完成的初期支護鋼拱架設(shè)置對撐及扇形支撐，扇形支撐交叉點及橫向支撐下面用20 cm×20 cm大方木鋪墊結(jié)實，確保已完成的初期支護不再發(fā)生更大位移和沉降變形。如圖2。

2)對已完成初期支護部分的洞身段，沿環(huán)向布置φ42 mm鋼花管，鋼花管長度為4 m，環(huán)向間距120 cm，縱向間距100 cm，梅花形布置，注單液水泥漿。如圖3。

3.5 超前小導(dǎo)管注漿施工

3.5.1 小導(dǎo)管參數(shù)[4]

圖2 初支加固示意(單位:cm)

圖3 洞身加固示意(單位:cm)

鋼管規(guī)格:小導(dǎo)管采用φ42 mm、壁厚3.5 mm無縫鋼管制成，沿管體每15 cm鉆φ6 mm孔，四周梅花狀布設(shè)漿孔。小導(dǎo)管單根長度為3.5 m，環(huán)向間距為40 cm，縱向間距為2.4 m，外插角5°～10°，梅花形布置。

3.5.2 注漿參數(shù)

小導(dǎo)管注漿采用1∶0.55水泥凈漿，注漿口最高壓力嚴(yán)格控制在0.5～1.0 MPa，以防壓裂工作面?？刂七M漿速度，一般每根導(dǎo)管漿液總進量控制在30 L/min以內(nèi)。

3.6 開挖與支護

采用交叉中隔壁開挖法(CRD法)開挖 。初期支護采用鋼拱架+小導(dǎo)管+鋼精網(wǎng)+噴射C25混凝土的聯(lián)合支護體系，掌子面采用雙層φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管(長度3.0 m，環(huán)向間距40 cm，層距30 cm，兩層之間按梅花形布設(shè))做超前預(yù)支護。超前小導(dǎo)管壓注1∶1的水泥—水玻璃漿液，有效固結(jié)松散巖體。安設(shè)超前小導(dǎo)管時，先立一榀全斷面I20b鋼拱架，在鋼拱架腹部打孔，拱架孔內(nèi)打設(shè)超前小導(dǎo)管。為確保支護體系及時封閉成環(huán)，對隧洞上臺階已施工初期支護部分，鋼架應(yīng)及時落底接長，并盡早施作仰拱襯砌與仰拱回填混凝土，使支護結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán)，改善洞室結(jié)構(gòu)的受力條件。見圖4。

在仰拱施工完后，將襯砌臺車跳過塌方體出口端的拱架支撐加固段，移至仰拱施工完畢的塌方處理段進行二次襯砌施工。待塌方段二次襯砌施工完再拆除加固段拱架，進行加固段二次襯砌施工。

圖4 隧道CRD開挖工序

3.7 地表陷坑處理

二次襯砌通過坍塌段以后，立即對塌腔進行回填:采用輕質(zhì)粉煤灰將塌腔回填至距地面1 m的位置，同時進行適當(dāng)夯實，后采用地表原狀土將塌腔回填略高于原地面30～40 cm。

圖5 拱頂下沉累計值曲線

圖6 水平收斂累計值曲線

4 塌方洞穴加固處理效果

塌方治理后，在現(xiàn)場選取 DK352+232和 DK352+218斷面進行拱頂下沉和凈空收斂監(jiān)測。圖5、圖6分別為拱頂下沉與凈空收斂曲線?？梢娝教幚硇Ч黠@，切實可行。

5 結(jié)語

1)塌方施工方案和治理原則可簡單概括為”管超前，預(yù)注漿，多循環(huán)，短開挖，強支護，勤量測，早封閉”。

2)初期支護對于隧道的穩(wěn)定起決定性作用，支護的目的就是提高圍巖的自穩(wěn)能力，延長其自穩(wěn)時間，以保證在施作二次襯砌前不發(fā)生坍方，因此，必須確保初期支護的參數(shù)和質(zhì)量達到設(shè)計要求。

3)二次襯砌不得嚴(yán)重滯后初期支護，軟弱圍巖地段應(yīng)緊跟開挖，Ⅲ、Ⅳ級圍巖需根據(jù)量測結(jié)果確定最佳施作時間。

[1] 劉巨海，王建章，牛國松.陽坡隧道塌方原因分析及處理方案探討［J］.中外公路，2007，10(5):96-98.

[2] 劉會.偏壓淺埋隧道洞口施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(4):44-47.

[3] 陳偉，阮懷寧，張輝降.雨入滲對淺埋偏壓隧道及其支護系統(tǒng)的影響［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(1):30-34.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB 10204—2002 鐵路隧道施工規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.