以某新區(qū)市政隧道為例談隧道塌方處理及效果評價

姚健鵬 徐志剛 易 威

(珠海大橫琴股份有限公司，廣東珠海 519031)

1 隧道工程塌方的主要影響因素

對于隧道塌方的主要影響因素，國內(nèi)外研究學(xué)者的意見基本上是一致的，主要有地質(zhì)水文原因、施工管理及認識原因、設(shè)計原因及認識原因三個方面。

1.1 不良地質(zhì)及地下水原因

地質(zhì)原因是引發(fā)隧道塌方的最主要因素。隧道結(jié)構(gòu)是典型的地下工程，地質(zhì)因素的千變?nèi)f化和其很多時候的不可預(yù)見性是造成塌方事故的主要原因。隧道穿過斷層及斷層的破碎地段，或在薄層巖體的小曲褶皺錯動發(fā)育地段，開挖時因巖石內(nèi)部潛在的應(yīng)力迅速釋放而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)引起塌方。

地下水的作用催化塌方的發(fā)生。地下水的存在會使巖質(zhì)軟化、強度降低、穩(wěn)定性降低，減少結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。地下水的流動也可能沖蝕構(gòu)造破碎帶或結(jié)構(gòu)面的充填物，在這種情況下，地下水對存在破碎巖層隧道穩(wěn)定性的影響是非常顯著的。

1.2 施工管理及認識原因

施工過程中存在的工藝操作不符合施工技術(shù)規(guī)范要求，施工管理不到位，質(zhì)量意識及安全意識不強也是造成塌方的另一個重要原因。隧道開挖過程中沒有及時根據(jù)地質(zhì)變化調(diào)整施工方法，施工支護不及時，圍巖暴露時間過長等原因容易導(dǎo)致塌方的發(fā)生。

1.3 設(shè)計原因

隧道工程設(shè)計通常采用的方法有理論計算法、工程類比法及現(xiàn)場監(jiān)控法等，受到勘察技術(shù)以及其他制約因素的影響，設(shè)計單位掌握的勘察資料不詳細、不準確，這就造成某些危險地段的施工方法、支護強度與其實際地質(zhì)條件不相適應(yīng)，增加了隧道塌方的可能性。

2 隧道塌方處理的主要方法

隧道塌方基本上呈現(xiàn)拱形塌方、V形塌方及塌穿塌方等三種形態(tài)，針對不同的塌方形態(tài)及塌方高度，塌方處理措施主要有五種:管棚法、小導(dǎo)管注漿法、三臺階開挖法、填實法和空洞法。

根據(jù)文獻［1］所收集調(diào)查的70多個隧道塌方處理案例的分析可以看出其中小導(dǎo)管注漿法、三臺階開挖法和管棚法是目前塌方處理最常用的三種措施。但是，塌方形態(tài)一般具有共性及個性特點，需要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選取一種或多種措施相結(jié)合的方法進行塌方處理。

3 工程實例——某新區(qū)市政隧道塌方過程與處理方法

3.1 工程概況

該工程位于廣東省珠海橫琴島上，屬雙向四車道小凈距隧道，長約2 308.2 m，隧道內(nèi)輪廓為三心圓曲墻結(jié)構(gòu)，標準段凈高6.641 m，凈寬10.59 m;緊急停車帶襯凈高7.21 m，凈寬13.34 m。隧道左右線各設(shè)4個緊急停車帶，緊急停車帶長40 m。

3.2 塌方段區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，隧址區(qū)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，其中以深井斷裂對隧道影響最大，深井斷裂Ⅰ-15及大坪斷裂 Ⅳ-37與本隧道在K3+710～K4+075里程段呈5°～7°斜交，塌方段位于深井斷裂帶及大坪斷裂帶影響范圍內(nèi)，圍巖類別為Ⅴ級，巖體極破碎，呈碎裂～散體結(jié)構(gòu)，工程地質(zhì)性狀較差，且有大坪斷裂在此交匯，使工程地質(zhì)條件更為復(fù)雜。

3.3 塌方段水文地質(zhì)情況

隧道由于受深井斷裂構(gòu)造影響，基巖裂隙較發(fā)育，特別在K3+940～K4+135段，巖體較破碎，是透水較嚴重的部位。

3.4 塌方過程、規(guī)模及原因分析

2012年6月5日23點35分，隧道右洞K4+061～K4+101段拱頂開始發(fā)生坍塌。開始時噴射混凝土剝落，型鋼拱架扭曲變形，拱頂坍塌巖體塌下;6月6日下午坍塌進一步擴大，至6月9日，坍塌趨于穩(wěn)定，塌方體充滿了整個加寬段隧道范圍。塌方巖體主要由塊石、碎石組成且夾層較多，塊石表面有明顯銹蝕痕跡，塌方時伴有地下水涌出。坍塌高度約20 m，塌方量約10 000 m3(見圖1)。

圖1 隧道塌方現(xiàn)場情況

由于工程建設(shè)各方高度關(guān)注安全工作，發(fā)現(xiàn)及時、應(yīng)對及時、措施得當，塌方過程中未發(fā)生任何人員傷亡事故。

3.5 塌方分析

根據(jù)對塌方部位的補充勘察結(jié)果及現(xiàn)場情況分析，本次塌方主要由以下原因造成:

1)地質(zhì)及地下水原因。

塌方段位受深井斷裂帶及大坪斷裂帶的影響，隧道上方為中風(fēng)化花崗巖，局部為強風(fēng)化狀態(tài)，巖體較為破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差是本次塌方的主要原因。

隧道經(jīng)過的山體，山頂有水庫，常年有水，水量較大，地下水裂隙水豐富，是本次塌方事件的重要誘因。

2)施工原因。

隧道右洞K4+061～K4+101在初支施工完成及基本穩(wěn)定后并沒有嚴格按照新奧法的要求及時進行仰拱及二襯施工，沒有使結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán)以發(fā)揮圍巖的最大自承能力。

3.6 處理方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及對空腔體的分析，本工程采取超前錨桿注漿法、三臺階開挖法和管棚法相結(jié)合，從洞內(nèi)塌方段進出口同時進行的施工步驟進行塌方處理。

本次塌方處理具體措施如下:

1)采用厚度10 cm的C20噴射混凝土封閉塌方段兩端掌子面。

2)進口采用大管棚注漿、錨噴支護及拱架相結(jié)合方式掘進，出口采用超前錨桿注漿、錨噴支護及拱架方式掘進。

3)支護加強采用在原設(shè)計基礎(chǔ)上增設(shè)R32N型自進式注漿錨桿對圍巖進行加固，L=4.0 m，@800 ×800。

4)管棚采用φ146×7.5 mm R78合金無縫管，環(huán)向間距為1.0 m，縱向外插角為3°～5°，設(shè)置范圍為拱部90°，一環(huán)共設(shè)13根。

5)臨時護拱采用Ⅰ20a型鋼拱架，間距1.0 m，拱架采用φ22鋼筋連接，連接鋼筋環(huán)向間距1.0 m。

6)超前支護采用R32N型自進式錨桿，L=2.5 m，環(huán)向間距為25 cm，排距2.0 m，超前錨桿設(shè)置為雙排，外插角分別為10°～15°和30°～35°，設(shè)置為拱部150°范圍。

7)開挖采用三臺階法，循環(huán)進尺控制在0.5 m左右，臺階長度控制在5 m～6 m。當進出口處理距離3 m～5 m時暫停出口工作面，由進口單面施工直至貫通。

8)塌方處理施工初期支護采用:C20噴射混凝土26 cm;φ8@200×200雙層鋼筋網(wǎng);拱架采用Ⅰ20a型鋼拱架，間距50 cm;φ22連接鋼筋，間距100 cm，一榀拱架分為7節(jié)，每節(jié)拱架接頭位置分別設(shè)4.0 m長4根R32N型自進式鎖腳錨桿;系統(tǒng)錨桿為R32N型自進式錨桿 L=4.0 m，@800 mm×500 mm。

9)加強二次襯砌，鋼筋混凝土的主筋由φ22調(diào)整為φ25鋼筋、混凝土由C25P8調(diào)整為C30P8。

4 塌方處理監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為防止塌方事故的再次發(fā)生，隨著塌方體的掘進，在塌方段內(nèi)設(shè)置4個斷面進行圍巖收斂、拱頂下沉的連續(xù)監(jiān)測，測點布置如圖2所示。

圖3是K4+075斷面的拱頂收斂隨時間的變化曲線，從圖3中可以看出，拱頂下沉收斂速度很快，A，B，C測點拱頂下沉變化規(guī)律基本一致，20 d左右基本完成收斂變形，最大下沉變形約7.5 mm。圖4是4個監(jiān)測斷面拱頂下沉平均值隨時間變化的曲線，可以看出，各斷面拱頂下沉的變化規(guī)律基本一致，最大下沉位于K4+098斷面，約為8.4 mm。通過上述監(jiān)測結(jié)果分析可以看出，對于本工程情況采用超前錨桿注漿法、三臺階開挖法和管棚法相結(jié)合的處理方法是可行有效的。至今隧道已通車，截至目前未發(fā)現(xiàn)隧道主體和地表有任何變化，隧道運行安全穩(wěn)定。

圖2 拱頂沉降點布置圖

圖3 K4+075斷面的拱頂收斂隨時間的變化曲線

圖4 拱頂下沉平均值隨時間變化的曲線

5 結(jié)語

1)隧道塌方原因具有多樣性，但是地質(zhì)與地下水是主要的影響因素，因此預(yù)防隧道塌方的有效措施是加強工程地質(zhì)及水文情況的探測及分析工作，運用先進科技方法對圍巖穩(wěn)定性進行分析，為設(shè)計提供依據(jù)，有效指導(dǎo)工程施工。

2)加強隧道施工過程中對新奧法原理的理解和實施，要遵循“超前探測、超前支護、短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強支護、勤量測”的工藝要求進行施工，根據(jù)勘探數(shù)據(jù)與實際情況進行對比，運用動態(tài)施工的管理方法指導(dǎo)工程實踐。

3)通過對施工過程的拱頂下沉收斂位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，圍巖的收斂速度較快，20 d左右基本趨于穩(wěn)定。本工程中采用超前錨桿注漿法、三臺階開挖法和管棚法相結(jié)合的塌方處理措施能有效保障圍巖收斂及穩(wěn)定，所取得的結(jié)論對今后處理類似的工程具有較好的借鑒意義。

［1］何曉東.軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性與塌方處置措施分析［D］.西安:長安大學(xué)，2009.

［2］JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］劉衛(wèi)紅，諶躍飛.隧道塌方原因與處理技術(shù)——以通平高速公路姜源嶺隧道為例［J］.公路工程.2012，37(1):53-54.

［5］唐 穎.公路隧道軟弱圍巖施工方法的探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(4):27.

［6］王立忠，胡亞元，王百林，等.崩塌松散圍巖隧道施工穩(wěn)定分析與監(jiān)控［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(4):589-594.