周偉宏

(中鐵八局集團第三工程有限公司, 貴州貴陽 550002)

大斷面、淺埋、富含水黃土隧道坍塌處治方法研究

周偉宏

(中鐵八局集團第三工程有限公司, 貴州貴陽 550002)

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，黃土區(qū)域新建多條高速鐵路，大規(guī)模出現(xiàn)黃土隧道，黃土的特性造就了黃土隧道修建的施工難度，對于大斷面、淺埋、富含水區(qū)域黃土隧道坍塌施工難度更大。文中結(jié)合實際工程介紹大斷面、淺埋、富含水黃土隧道坍塌的處治方法，從坍塌體處理、開挖、支護、監(jiān)測等環(huán)節(jié)進行論述，為今后類似工程施工提供經(jīng)驗。

大斷面; 淺埋; 富含水; 黃土隧道; 坍塌處治

新建寶雞至蘭州客運專線魏家嘴隧道位于甘肅省定西地區(qū)黃土高原梁峁溝壑區(qū)，在水流切割侵蝕作用下沖溝發(fā)育，溝深坡陡，主溝多切割至第三系泥巖，部分支溝基巖出露，最大埋深約240 m。隧道起訖里程為IDK957+163.05～DK960+080,全長2 946.8 m雙線隧道，開挖斷面達到151.6 m2。

1 隧道坍塌概況

2013年10月2日01:32魏家嘴隧道掌子面IIDK957+266出現(xiàn)傾覆、滑坍情況，洞內(nèi)IDK957+256～DK960+266段出現(xiàn)坍塌，坍塌體坡腳至IIDK957+248處，洞外地表形成出現(xiàn)一個縱向長22 m、橫向?qū)?5 m陷坑(IDK957+248～DK960+270段，左側(cè)邊緣距線路中心8 m，右側(cè)邊緣距線路中心17 m)。

魏家嘴隧道坍塌前按照設計采用三臺階七步開挖法組織施工，坍塌時上導坑施工里程為IIDK957+266，中導坑左施工里程為IIDK957+263.2，中導坑右施工里程為IIDK957+262，下導坑左施工里程為IIDK957+260.2，下導坑右施工里程為IIDK957+259。仰拱施工里程為IIDK957+256，距掌子面距離為10 m；二次襯砌施工里程為IIDK957+247，距掌子面距離為19 m。

2 隧道坍塌原因分析

2.1 工程地質(zhì)及現(xiàn)場情況

隧道洞身通過的地層主要為第四系上更新統(tǒng)坡積砂質(zhì)黃土，上更新統(tǒng)沖、風積砂質(zhì)黃土、沖積粉質(zhì)黏土，風積砂質(zhì)黃土，第三系上統(tǒng)泥巖。魏家嘴隧道區(qū)地下水主要接受大氣降水補給，根據(jù)隧道地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造等條件，隧道區(qū)地下水類型可分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，隧道正常涌水量525 m3/d。

IDK957+179.25～IIDK957+360段為淺埋段，埋深為19 m，土質(zhì)為新黃土，隧道地表為耕地，地勢平坦，雨水不易排出，黃土長期受地表雨水下浸影響。

2.2 隧道施工原設計情況

IDK957+179.25～IIDK957+360段采用三臺階臨時仰拱法開挖，采用Ve型鋼筋混凝土二次襯砌，初期支護為錨噴支護，35 cm厚C25噴射混凝土，直徑為φ8 mm、間距20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)，全環(huán)設間距0.6 m的I25a型鋼鋼架，各臺階鋼架底部設置兩根φ42×3.5×4 m鎖腳錨管，邊墻設φ22砂漿錨桿,仰拱底鋪設50 cm厚砂夾石。IDK957+179.25～IIDK957+209.25段拱部加設φ42雙層超前小導管超前支護，小導管長5 m，環(huán)向間距為0.3 m，搭接不小于1. 0m。

2.3 隧道坍塌成因分析

(1)魏家嘴隧道進口端坍塌段埋深為19 m，土質(zhì)為新黃土，屬淺埋地段。

(2)通過超前地質(zhì)預報探測隧道地下水位抬高，隧道將穿過地層分界處及巖層風化分界處，該段圍巖圍巖地質(zhì)含水率將增高，承載力降低，圍巖自穩(wěn)性更差，軟塑性更強。

(3)隧道地表為耕地，地勢平坦，雨水不易排出，黃土長期受地表雨水下浸影響，造成該段含水率增高。

(4)開挖斷面大、跨度大，本隧道最大跨度為14.72 m，開挖斷面達到151.6 m2，開挖過程中擾動的圍巖范圍較大。

(5)根據(jù)塌方現(xiàn)場情形顯示，掌子面首先失穩(wěn)，由于鋼架之間連接筋的作用，導致后方鋼架被牽引而產(chǎn)生塌方。

(6)根據(jù)黃土自身的特征，該段為砂質(zhì)黃土，土體松散，自穩(wěn)能力差，且具有弱濕陷性，極易因局部失穩(wěn)而引起連鎖反應，造成大坍塌。

坍塌段在施工階段實測含水率高達30 %，仰拱處地基承載力低至87 kPa，與原設計取用參數(shù)相差較大，原設計施工措施偏弱。

3 隧道坍塌主要處理技術(shù)措施

3.1 地表處理

對地表坍塌基坑頂面采用防雨布進行封閉遮蓋，避免雨水下滲；距塌坑邊緣10 m范圍外挖設截水溝，一方面防止地表水反流入隧道，另一方面降低地表水的滲入量，及時排放；坍塌段洞內(nèi)二襯施工完成且達到設計強度后進行洞頂陷坑回填處理，回填高出原地面20 cm；地表陷坑底部采用黃土夯填，回填過程中采用小型機械人工夯填，禁止采用大型機械夯實，黃土最大粒徑不大于5 cm，分層回填厚度20 cm；陷坑表層設2 m厚的隔水層，隔水層采用三七灰土夯填，三七灰土采用現(xiàn)場機械拌制，白灰摻量30 %，黏質(zhì)黃土摻量70 %，分層回填厚度20 cm。人工采用小型機械夯實后，并經(jīng)檢查，密實度達到80 %后，再進行下一層回填夯實。

3.2 洞內(nèi)反壓回填、臨時仰拱施工

洞內(nèi)進行反壓回填，反壓回填坡腳位置為IIDK957+232，反壓回填坡體坡比1∶1.75，分層采用小型機械人工夯實。受隧道坍塌影響IIDK957+247～IIDK957+252段初期支護侵限，洞身不穩(wěn)定，從安全角度考慮，不利于管棚洞室開挖?？紤]實際情況在IIDK957+253處施工管棚(IIDK957+253～IIDK957+255段開挖預留量無法滿足要求，勢必出現(xiàn)后期初支侵限，對于侵限部分與其他已侵限部分同時處理)，在IIDK957+253處噴射15 cm厚的C 25混凝土作為止?jié){墻，利用IIDK957+253處原鋼架作為管棚施工導向架。為確保注漿效果在止?jié){墻施工過程中加設φ6.5，格網(wǎng)間距20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片。

待平臺回填完畢后，IIDK957+247～IIDK957+253段平臺施作臨時仰拱，臨時仰拱采用I 22a型鋼做骨架，間距為0.6 m，與初期支護鋼架焊接，骨架中鋪設鋼筋網(wǎng)片，噴射C 25混凝土(圖1)。

圖1 隧道坍塌處理

3.3 管棚施工

IIDK957+253處拱部144°范圍施作管棚，作為穿越坍塌土體的主要輔助措施。管棚采用φ108壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距30 cm，共61根，長20 m，外插角15°。鋼管壁鉆設孔徑10～16 mm注漿孔(靠孔口2.5 m處的棚管不鉆孔)，孔間距15～20 cm，呈梅花形布置，管頭焊成圓錐形，便于入孔。接長鋼管應滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應前后錯開，同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50 %，相鄰鋼管接頭至少錯開1 m。管棚施工中有必要注意一下幾個方面：

(1)管棚施工鉆孔環(huán)節(jié)采用旋轉(zhuǎn)式鉆機，做好鉆孔的糾偏工作，鉆進時產(chǎn)生坍孔、卡鉆，需補注漿后再鉆進，確保鉆孔質(zhì)量。

(2)管棚安裝過程中一定要按照設計要求進行施工，確保管節(jié)施工質(zhì)量。

(3)管棚注漿是為了固結(jié)鋼管周圍一定范圍的土體，注漿效果的好壞對管棚的預支護效果影響很大，在施工過程中一定要控制注漿質(zhì)量。

(4)按照設計圖紙等相關(guān)資料要求配制好漿液，并做壓漿試驗，確定合理的注漿參數(shù)。

(5)控制好注漿壓力，避免壓力偏小，達不到注漿固結(jié)范圍。但也不宜過大，過大會造成竄漿，擴散至設計的注漿范圍之外。

(6)注漿過程中隨時檢查孔口、鄰孔有無串漿現(xiàn)象,如發(fā)生串漿,立即停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口,也可采用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵,直至不再串漿時再繼續(xù)注漿。

(7)把握好注漿結(jié)束標準。注漿結(jié)束標準有兩條，即壓力達到設計值和漿液擴散效果好。

(8)及時抽排施工積水，避免對周邊土體造成影響。

4 坍塌體開挖與支護

4.1 支護加固措施

魏家嘴隧道IIDK957+248～IIDK957+270段開挖土體含水率高，承載力小，初支變形大。為防止鋼拱架承載下沉，上、中、下臺階拱腳處增設縱向[32a槽鋼，通長布置；中、下導坑兩側(cè)鋼架底部增設橫向?qū)? m、縱向?qū)?.3 m的C25噴射混凝土擴大基礎，并增設I 25a工字鋼斜腿，在擴大基礎下墊15 mm鋼板(圖2)。

(a)中臺階大拱腳 (b)下臺階大拱腳 圖2 支護加固措施

在上、中臺階交叉處新增I 25a斜撐，使CRD法中隔墻更加穩(wěn)固，保證施工安全(圖3)。

圖3 中隔墻處加斜撐

初期支護每單元鋼架間增設I 25a橫向連接，連接處中間設1根長4 m的φ108鎖腳錨管，角度與初期支護相同；各部開挖初期支護鋼架底部鎖腳錨管由原設計2根調(diào)整為4根。

為提高隧底承載力，基底采用φ250×6 mm的鋼管樁處理，內(nèi)置鋼筋籠，鋼管樁長5.0 m，間距1.0 m×1.0 m，呈梅花型布置，灌注C 25混凝土。

初期支護的鋼架間距由0.6 m調(diào)整為0.5 m，二次襯砌環(huán)向主筋由單排φ22鋼筋調(diào)整為雙排φ25鋼筋。

4.2 坍塌體開挖

魏家嘴隧道IIDK957+248～IIDK957+270段開挖工法由原設計的三臺階七步開挖法調(diào)整為CRD法，分8個單元進行施工，即上臺階左右單元、中臺階左右單元、下臺階左右單元、仰拱左右單元。上臺階高3.7 m，中臺階高3.7 m，下臺階高3.5 m，上、中、下導坑臺階長度8 m左右。上、中、下導坑及仰拱分左右半幅錯開施工，采用人工進行開挖，其中上、中臺階導坑開挖預留核心土。隧道開挖時嚴禁超欠挖，每次進尺0.5 m。開挖前先按照CRD的臨時支護設置參數(shù)進行IIDK957+247～IIDK957+253段臨時加固，加固后采用CRD法對掌子面滑塌段進行分部開挖(圖4～圖6)。

圖4 CRD法施工工序橫斷面

圖5 CRD法施工工序平面示意

圖6 CRD法施工工序縱斷面示意

采用CRD法具體施工工序如下：

(1)單元施工。①利用洞身上一循環(huán)架立的鋼架施作洞身縱向超前支護；②開挖1部，并預留核心土；③施作1部初期支護、中隔壁、臨時仰拱；④斜撐施工；⑤復噴混凝土至設計厚度。

(2)單元施工。①開挖2部，并預留核心土；②施作2部初期支護、中隔壁、臨時仰拱；③斜撐施工；④復噴混凝土至設計厚度。

(3)單元施工步驟及工序同1單元。

(4)單元施工步驟及工序同2單元。

(5)單元施工。①開挖5部；②施作5部初期支護、中隔壁。

(6)單元施工步驟及工序同5單元。

(7)單元施工。①開挖7部；②施作7部初期支護、中隔壁。

(8)單元施工步驟及工序同7單元。

根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析，待變形收斂后或根據(jù)需要，逐步拆除中隔壁墻，利用襯砌模板臺車一次性灌注拱墻二次襯砌。

5 初期支護侵限段處理

魏家嘴隧道IIDK957+247～IIDK957+252段受坍塌影響初支侵限，由于管棚施工IIDK957+253～IIDK957+255段預留變形量不足致使侵限，待IIDK957+256～IIDK957+280段二次襯砌混凝土達到設計強度且侵限段圍巖變形穩(wěn)定后進行侵限處理。

IIDK957+247-IIDK957+252處搭設臺架，原有噴射混凝土采用鎬頭機及風鎬破除，原施工鋼拱架采用氧焊隔榀逐節(jié)割除。IIDK957+253～IIDK957+255段原初支處理同于IIDK957+247-IIDK957+252段處理方法，但是中隔墻在二次襯砌施工完畢后混凝土強度達到設計值再拆除。

6 施工監(jiān)測

為確保隧道結(jié)構(gòu)及施工安全，采用非接觸量測法。開挖監(jiān)控量測點布設每2 m一個斷面，采用徠卡TS15全站儀測試儀器進行，監(jiān)測內(nèi)容主要是拱頂下沉量、地表下沉量、凈空收斂量；其中上、中、下臺階左右導坑均設置觀測點。

利用中鐵西南院研究的隧道監(jiān)控量測信息平臺及手機用戶進行全方位把控，在操作中將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過手機客戶端上傳至監(jiān)控量測信息平臺進行處理，可以對數(shù)據(jù)進行準確分析，并通過手機可以及時了解監(jiān)測情況。另外可以通過手機起到預警作用，大大提高了監(jiān)測工作的效率，也確保了數(shù)據(jù)的及時、真實反饋，為施工安全、動態(tài)設計提供參考(圖7、圖8)。

圖7 施工監(jiān)測

圖8 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)

當沉降量出現(xiàn)異常或預警時，加大量測次數(shù)，并查清原因，及時上報。

7 施工效果

通過變更隧道開挖工法、加強地表處理、提高支護參數(shù)、改善隧底承載力等措施，魏家嘴隧道坍塌段順利度過，確保了安全、進度。加大監(jiān)控量測頻率，提供了動態(tài)設計參數(shù)，有效控制了沉降量，確保實體工程質(zhì)量。施工完畢，通過檢測該段地表沉降、二次襯砌以及仰拱檢測均符合相關(guān)標準要求，說明坍塌段處理方案可行。

8 幾點體會

(1)施工過程中，嚴格控制安全步距，嚴格遵循“少進尺、短開挖、勤量測、強支護、早成環(huán)”的原則，仰拱及時施作成環(huán)，以保障安全。

(2)做好洞內(nèi)外排水工作，避免由于水造成承載力下降，影響施工。

(3)做好監(jiān)控量測工作，及時反饋，提高設計質(zhì)量，確保結(jié)構(gòu)及施工安全。

(4)依據(jù)實際埋深、水文、地質(zhì)等情況調(diào)整合理開挖工法，確保順利施工。

(5)做好施工總結(jié)，特別是開挖預留量預留情況。

(6)加強開挖土體含水率及承載力檢測，依據(jù)實際情況采取加強措施，確保施工正常開展。

(7)對于隧道災害整治，要做好預案，確保組織、管理等到位，加強應急情況的處理能力。

(8)開展大斷面黃土隧道結(jié)構(gòu)性狀的現(xiàn)場實測，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相互補充、互為印證，使數(shù)值模擬更加接近工程實際。

[1] TB 10304-2009， J947-2009 鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程[S].

[2] TZ 204-2008 鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

[3] TB 10003-2005,J449-2005 鐵路隧道設計規(guī)范[S].

[4] 朱偉.黃土隧道塌方處理及原因淺析[J].西部探礦工程,2000(3)：71-73.

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[定稿日期]2015-07-07