禾村隧道冒頂成因解析與處理

黃清明

(南平武沙高速公路有限責(zé)任公司，南平 353000)

0 前言

由于地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖差，設(shè)計階段工期緊及受到其他條件限制， 無法做到對隧道地質(zhì)圍巖變化進行精確判斷，再加上施工階段對圍巖擾動大、監(jiān)控量測不及時、施工工藝及操作不恰當(dāng)、初期支護未能及時跟上等成因，都極易造成隧道冒頂?shù)炔『Πl(fā)生。

1 隧道工程概況

南平聯(lián)絡(luò)線高速公路禾村隧道， 左、 右線間隔距離22～25m。隧道最大埋置深度約80m。隧道設(shè)計速度80km/h。隧道處于閩西南拗陷帶東緣政和-大埔深大斷裂帶東側(cè)，受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造影響， 隧道區(qū)內(nèi)有一條不規(guī)則斷裂構(gòu)造發(fā)育帶及兩條節(jié)理密集帶。由于隧道進口段地形較陡，巖層產(chǎn)狀255～2750∠280，進洞口與坡向一致，且受F02斷層影響，出現(xiàn)巖體破碎，斷層呈坡外傾斜趨勢，整體穩(wěn)定性差，隧道施工可能會造成山體的順坡向滑動，對隧道進口的影響較大。 隧道結(jié)構(gòu)形式主要按新奧法Ⅴ級圍巖深埋設(shè)計，初期支護采用噴、錨、網(wǎng)、鋼支撐支護，其中初期支護和C30 防水二次襯砌之間， 采用拱墻鋪設(shè)防水板+無紡?fù)凉げ嫉膹?fù)合式襯砌。

2 現(xiàn)場坍塌經(jīng)過

隧道左洞上斷面開挖掘進至ZK1+849 進行掌子面施工作業(yè)時，掌子面巖隙及小導(dǎo)管內(nèi)有渾濁水流出，且流量急劇增加，待全部人員從隧道撤出后不久，出現(xiàn)掌子面快速崩裂及其頂部坍塌， 大量涌水伴隨著松散巖體涌至洞外(見圖1、圖2)。

3 冒頂成因分析

(1)本隧道在地理位置上處于閩西南拗陷帶東緣政和-大埔深大斷裂帶東側(cè)，受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造影響，隧道區(qū)有一條不規(guī)則的斷裂構(gòu)造發(fā)育帶及兩條節(jié)理密集帶。

(2) 進洞口段由于地形較陡， 巖層產(chǎn)狀255～275∠280，進洞口與坡向一致，且受斷層影響，巖體極破碎，斷層傾向坡外，整體穩(wěn)定性差。

圖1 隧道塌方體

圖2 地表塌陷

(3)電站發(fā)電水渠經(jīng)過隧道洞頂，且離隧道洞頂最近位置不足4m。由于此段地理位置的地質(zhì)常年受到水渠水滲透影響并積累，對隧道圍巖腐蝕性較大，地表土質(zhì)飽水量充足，形成自載重、自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生坍塌。

(4)施工過程中再加上開挖擾動、清理洞渣也會導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)。

4 冒頂段處理的重點、難點

該隧道上端圍巖破損， 且具有遇水浸泡后物理力學(xué)性能呈急劇下降并逢水崩散、 軟化且膨脹并帶流動變形等特性；冒頂位置地勢呈傾斜狀，且地表水豐富；電站發(fā)電水渠經(jīng)過隧道洞頂，且離隧道洞頂位置距離近；這些危險因素都使得拱頂支護困難。在臨近周邊施工的擾動下，可能造成隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的二次塌方。

5 處理方案及施工注意事項

依據(jù)隧道冒頂成因，并與現(xiàn)場實際和規(guī)范相結(jié)合，提出了以下處理方案及施工注意事項：

(1)在洞頂塌坑的周圍施作臨時排水溝，距離塌坑位置5m 左右(可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整距離)，避免地表水流向塌腔繼續(xù)滲入洞內(nèi)(圖3)。

圖3 進口墻左洞塌方處理縱斷面示意圖

(2)洞內(nèi)加固：首先，對掌子面進行回填，上臺階段落從掌子面拱頂位置按照1∶1.5 的坡率回填至上下臺階交界面，然后下臺階回填一個工作坡面(保證施工工作面)；其次，對回填體和塌方體立即進行封閉，放坡坡面回填先采用20cm 厚C20 噴射混凝土封閉塌方體表面， 并對洞內(nèi)塌方體施做L=6mφ50mm 水平方向小導(dǎo)管、1.2m×1.2m呈梅花型布置注漿固結(jié)；先施作一排小導(dǎo)管，在今后的繼續(xù)掘進過程中要求繼續(xù)施作， 施作的每個循環(huán)間距搭接2m，直至塌方段落結(jié)束。 在第一排小導(dǎo)管施工完成并達到強度后， 在上下臺階交界位置5m 范圍內(nèi)垂直回填坡面向塌方體內(nèi)進行注漿固結(jié)(注漿參數(shù)同水平方向小導(dǎo)管)，以保證可以承受冒頂塌坑回填的荷載；已經(jīng)初支段落15m 范圍(ZK1+835～ZK1+850 段落) 要求采用小導(dǎo)管(L=6m，φ50mm 小導(dǎo)管)進行徑向加固，小導(dǎo)管采用間距0.8m×0.8m 梅花型布置，其加固區(qū)域為90°洞軸線左右范圍。 施工中應(yīng)特別注意在塌方體注漿的同時在掌子面上臺階底面左右兩側(cè)預(yù)留排水管，以保證排水順暢，在后續(xù)的施工過程中， 排水管可利用三通接頭連接至縱向排水管；同時，在洞內(nèi)加固和地表回填未完成前，建議不要清理開挖臺車和洞口位置的塌方體。 同時，左洞的中加巖柱加固要核查原先的施工情況，若做得不到位的情況下要重新進行補加固， 可以與徑向小導(dǎo)管加固同時進行(圖4)。

圖4 洞內(nèi)塌方體超前支護斷面圖

(3)地表回填：地表回填必需在洞內(nèi)加固處理完成后方可進行，地表回填采用5%水泥穩(wěn)定土；根據(jù)現(xiàn)場地勢，在塌坑位置先行回填一個排水坡， 排水坡坡度為5%(大樁號至小樁號方向)，保證塌坑不積水；塌坑的回填要按照原地表回填至水渠頂部位置， 鑒于原地表自然坡面較陡，要求在回填起坡點位置(仰坡頂和塌坑靠近仰坡頂位置范圍)打雙排φ108mm 鋼花管注漿鎖口，兩排鋼花管距離1m，每根距離0.8m，垂直地表打入，入土深度按照距離拱頂2 米控制。 回填需采用小型夯實機具進行碾壓密實，地表進行綠化。

(4)塌腔邊坡的處理：在確保施工安全的情況下，可將塌腔邊坡采用7cm 厚C20 噴射混凝土臨時封閉；隨著地表回填的進度， 要求在塌腔邊坡頂部向下4m 范圍內(nèi)的坡面進行加固，采用φ22mm 普通砂漿錨桿，間距按梅花型1.2m×1.2m 布置，同時增設(shè)20cm×20cmφ8mm 鋼筋網(wǎng)，然后再噴射8cm 厚的C20 噴射混凝土，要特別注意在錨噴的坡面范圍內(nèi)增設(shè)泄水孔，確保山體水可以排出；塌腔邊坡的永久支護采用地梁錨索。

(5)洞頂水渠處理：在地表回填至水渠頂標(biāo)高后，可著手進行水渠的恢復(fù)工作， 塌方段的水渠恢復(fù)采用鋼筋混凝土水渠，外鋪防水板；未塌落的水渠要求鋪設(shè)防水板，要切實做好防水板的搭接以及防水板和原水渠連接時的封閉工作，確保水渠水不下滲。

(6)左洞繼續(xù)掘進：只有上述5 點全部完成后方可繼續(xù)掘進， 在準(zhǔn)備繼續(xù)掘進前要求對塌方體上端采用雙排L=6m，φ50mm 小導(dǎo)管進行注漿加固， 小導(dǎo)管環(huán)向間距20cm，單數(shù)根外插角15°、雙數(shù)根外插角50°，小導(dǎo)管鋪助鋼拱架的間距采用每2.5m 一個循環(huán)，小導(dǎo)管注漿范圍為以拱頂為中心左右各施作90°， 雙排小導(dǎo)管注漿的施作必需超過塌方段落， 同時與原狀圍巖搭接長度為5m；塌方段落和搭接5m 范圍必需采用JZDK-1 支護型式(圖5)，同時初支鋼拱架間距采用0.5m，二襯混凝土標(biāo)號由原設(shè)計C25 提高為C30；采用單側(cè)壁上下臺階法

圖5 JZDK-1 型復(fù)合支護型式設(shè)計圖

開挖并按(CD 法)施作，要特別注意施工安全，嚴(yán)格要求短進尺、及時支護并盡早成環(huán)；同時要繼續(xù)加強監(jiān)控量測工作，加密其檢測頻率，盡量做到用準(zhǔn)確的量測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)現(xiàn)場施工。開挖時要特別注意預(yù)留好變形量，同時在掘進過程中若發(fā)現(xiàn)雙排小導(dǎo)管施工輔助措施注漿效果不好，可在拱頂6m 范圍內(nèi)采用徑向小導(dǎo)管注漿固結(jié)，小導(dǎo)管采用梅花型0.8m×0.8m 布置，長度為6m，徑向小導(dǎo)管注漿范圍以拱頂為中心左右各擴散90°進行施作(圖6)。

圖6 隧道左洞進口掌子面ZK1+850 冒頂處理方案示意圖

(7)左洞洞口已經(jīng)施工初支但未施工二襯的段落局部存在侵限，在施工二襯前要求施工方提供斷面，侵限的部位若侵入二襯不多則局部加固， 若侵入二襯較多必需進行換拱處理。

(8)右洞的掘進按照原設(shè)計圖紙，但要求切實做好中加巖柱加固、施工輔助措施、鋼拱架的接頭部位的焊接、螺栓連接及鋼拱架的落底(采用上下臺階施工段落鋼拱架必需采取措施確保落底以控制沉降)等工作；同時掌子面暫停施工時，必需做好施工輔助措施，必要時根據(jù)實際地質(zhì)情況做好臨時封閉和排水工作。

(9)現(xiàn)場對小導(dǎo)管注漿材料、壓力及配合比的控制：為了保證水泥漿液擴散到土體中一定范圍， 采用C30 細(xì)粒水泥漿作為注漿材料，注漿壓力控制在2.0～3.5MPa。徑向小導(dǎo)管注漿流程次序為：先拱墻，再拱部；小導(dǎo)管注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)： 壓力逐步升高并達到設(shè)計終壓后， 再繼續(xù)注漿15min 以上，進漿量一般控制在20～30L/min 以內(nèi)，實際注漿量由現(xiàn)場施工試驗確定。

現(xiàn)場小導(dǎo)管注漿施作嚴(yán)格按照圖7 流程圖進行：

圖7 小導(dǎo)管注漿施作流程圖

6 洞內(nèi)位移及受力監(jiān)控技術(shù)

對拱頂、拱腰及拱腳位置進行重點監(jiān)控，并根據(jù)隧道冒頂位置處理后的監(jiān)控數(shù)據(jù)分析(圖8)——隧道冒頂沉降位移及收斂值沒有超過預(yù)留沉降量40cm 的警戒值；另外， 受處理塌方段的鋼拱架的應(yīng)力也沒有超出強度極限值，這證明本文的處理方案是可行合理的，值得類似工程借鑒。

圖8 拱頂、拱腰及拱腳位置監(jiān)控數(shù)據(jù)分析圖

7 小結(jié)

隧道冒頂是常見的工程事故，在處理冒頂過程中，不但需要考慮處理方案的可行性， 還要根據(jù)現(xiàn)場情況通盤考慮配套機械設(shè)備、班組人員技術(shù)能力、處理費用以及影響工期等因素。 從禾村隧道冒頂?shù)奶幚斫Y(jié)果得出下列體會：

(1)隧道施工時應(yīng)加強地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)超前預(yù)報工作，尤其是在易塌方冒頂段應(yīng)補打地質(zhì)鉆孔， 保證圖紙地質(zhì)的描述和現(xiàn)場情況相符合。

(2)隧道施工中在圍巖破碎段要降低對圍巖的擾動次數(shù)，減少爆破藥量，嚴(yán)格控制進尺，在冒頂段的處理過程中要保證施工質(zhì)量，尤其是洞內(nèi)注漿固結(jié)，及初期鋼架支護必須嚴(yán)控質(zhì)量。

(3)施工作業(yè)應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況，進行動態(tài)設(shè)計及時調(diào)整初期支護施工，并遵循“寧強勿弱”的加固措施，保證隧道作業(yè)安全。實踐證明采用“洞外回填、洞內(nèi)注漿”處理冒頂是可行的一種方法。