淺談隧道穿越巖性分界面石質(zhì)塌方處理措施

林運飛

(廣西龍靖高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

在公路山嶺隧道建設過程中，隧道施工塌方的案例比比皆是。造成塌方的因素也有很多，例如圍巖破碎、圍巖節(jié)理具有不利組合、地下水影響、支護不及時、開挖方法不當?shù)?。目前所報導過的塌方大多是發(fā)生在圍巖巖性比較單一的情況下，且塌方體以土質(zhì)為主；對于穿越巖性分界面，且塌方體為石質(zhì)的報道較少，因此有必要對穿越兩種巖性的接觸地段且同種圍巖風化程度上下不均的隧道圍巖施工進行研究，為以后的隧道工程安全施工提供指導。

2016年7月，位于靖西市的靖西至龍邦高速公路樂村隧道右線發(fā)生了大面積塌方。原因在于隧道穿越巖性分界面，掌子面拱頂為強～中風化輝綠巖，與強風化硅質(zhì)巖捕擄體交界，拱頂輝綠巖巖體破碎，呈塊狀，裂隙發(fā)育，與硅質(zhì)巖結(jié)合性差。在掘進過程中，拱頂輝綠巖巖體連續(xù)坍塌。因此，及時正確地處理和分析穿越巖性分界面、圍巖強度不均、塌方體為石質(zhì)的隧道塌方，對隧道的安全施工具有重要意義。

1 工程概況

1.1 隧道區(qū)地質(zhì)情況

樂村隧道設計為分離式隧道，右洞長315 m，里程樁號為YK22+785～YK23+100，凈寬10.75 m，凈高5 m的建筑限界，單向縱坡為1.996%。隧道區(qū)屬巖溶峰叢谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏較大，山體連綿起伏。隧道穿越一山體，谷地和山頂相對高差約115 m。隧道兩頭為灰?guī)r出露區(qū)，中間為頁巖出露區(qū)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探成果可知，隧道兩端以沉積巖為主，地層巖性主要為泥盆系上統(tǒng)硅質(zhì)巖及泥盆系中統(tǒng)灰?guī)r；中間以巖漿巖為主，地層巖性主要為中生代輝綠巖。受巖漿侵入及后期地質(zhì)構(gòu)造及風化作用，圍巖巖性、風化程度變化大。

2 塌方段地質(zhì)及塌方情況

2.1 塌方區(qū)工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件

樂村隧道YK22+958～YK22+949塌方段平均埋深約72 m，屬深埋情況。隧洞區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，隧道單位長度用水量預測為0.42 m3/d·m，隧道圍巖富水程度屬弱富水區(qū)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探成果，YK22+960～YK22+985段可見強風化硅質(zhì)巖捕擄體，YK22+958～YK22+949段設計圍巖以全風化輝綠巖為主，大部分已風化成硬塑～堅硬黏土狀，局部為強風化硅質(zhì)巖及強～中風化輝綠巖，裂隙發(fā)育，巖體破碎，施工時洞室可能有滴水狀或淋雨狀出水?，F(xiàn)場施工表明，掌子面下部以全風化輝綠巖為主，大部分已風化成硬塑～堅硬黏土狀。掌子面上部拱頂為強～中風化輝綠巖與強風化硅質(zhì)巖交界，輝綠巖呈塊狀，巖體破碎，裂隙發(fā)育；硅質(zhì)巖呈褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖石極軟，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯多呈碎塊狀、土柱狀(圖1)。掌子面設計圍巖等級為Ⅴ級，支護形式為S5-B(表1)。

1.硅質(zhì)巖 2.輝綠巖圖1 YK22+958圍巖結(jié)構(gòu)縱向示意圖

襯砌類型圍巖級別超前支護初期支護錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土鋼拱架預留變形量二次襯砌S5-BⅤ級?42×4 mm超前小導管,環(huán)向間距40 cm,縱向間距3 m,小導管長度4.5 m?25中空注漿錨桿,長度3.5 m,間距100 cm×75 cm;?25中空注漿錨桿,長度3.5 m,間距100 cm×50 cm?8鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm,單層24 cm Ⅰ18工字鋼 75 cm12 cm仰拱二襯均為45 cm

2.2 塌方情況描述

隧道掘進到里程YK22+960時，隧道拱頂出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，時有小塌方。隨著掌子面繼續(xù)掘進至YK22+958，挖掘機在找頂過程中，拱頂發(fā)生局部塌方，在清理塌方體時，拱頂輝綠巖巖體發(fā)生大面積坍塌。塌方體以強～中風化輝綠巖為主，夾雜黃褐色強風化硅質(zhì)巖，極破碎。塌方體估算有400～500 m3，掌子面前方坍塌深度未知，高度預計有30 m以上。塌方體堆滿掌子面后，拱頂上部圍巖仍不穩(wěn)定，偶有巖體墜落沖擊發(fā)出聲響，塌方體不時從拱頂滑落。

2.3 塌方原因分析

根據(jù)初期物探，塌方段圍巖應以全風化輝綠巖為主，大部分已風化成硬塑～堅硬黏土狀；但掌子面實際情況顯示，掌子面下部基本為全風化輝綠巖，上部為強～中風化輝綠巖，巖體破碎，裂隙發(fā)育，較堅硬，巖體表面較光滑，粘結(jié)性極差。掌子面穿越強風化硅質(zhì)巖與強～中風化輝綠巖交界面，這兩種巖體的風化程度、巖性截然不同。強風化硅質(zhì)巖大部分已風化成堅硬黏土狀，因此該交界面可以認為是一種軟弱結(jié)構(gòu)面。由此可知，隧道拱頂輝綠巖在軟弱接觸面的影響和自身重力作用下產(chǎn)生坍落是導致隧道塌方的決定因素。

塌方段在掘進過程中由于采用機械開挖，開挖時間較長，存在一定的空頂現(xiàn)象，且掘進過程中發(fā)生過小塌方，對拱頂上部圍巖造成了擾動；開挖過程中也未嚴格落實預留核心土三臺階開挖，核心土預留面積過小，塌方體可滑動面積較大，從而導致拱頂塌方進一步擴大。因此，圍巖失穩(wěn)前支護結(jié)構(gòu)不能及時有效地支護是造成塌方的促成因素，未嚴格按照開挖方法施工是造成塌方擴大的關(guān)鍵因素。

3 塌方處理方案與效果

3.1 塌方處理方案的確定

塌方發(fā)生后，項目公司、設計院、總監(jiān)辦、總承包部等相關(guān)人員立即到現(xiàn)場進行勘察。由于塌方體不穩(wěn)定，塌方高度高，塌方巖體主要為較堅硬的強～中風化輝綠巖，塌方體墜落沖擊力極大，因此不能對掌子面塌方體進行清理，須等待圍巖穩(wěn)定，而超前小導管注漿加固又不足以支撐拱頂上方塌方體。針對塌方具體情況，經(jīng)研究討論，提出了采用雙層小導管注漿固結(jié)拱圈上方塌方體、管棚支護支撐掌子面前方塌方體、加強初期支護的方案來處理此次塌方。具體措施是：

(1)封閉塌方體回填噴混凝土：采用黏土對塌方體進行覆蓋，覆蓋厚度40 cm，并修整成臺階，再噴射10 cm混凝土，形成全封閉狀態(tài)，便于掌子面松散塌方體注漿。

(2)初支加固：臨近掌子面3榀初支鋼架內(nèi)側(cè)加設臨時護拱，形成雙層拱架增強初支受力，并加強鎖腳小導管支護。要求護拱與初支面做到密貼，不密貼處要進行噴射混凝土填充密實。

(3)雙層小導管注漿固結(jié)拱圈上方塌方體：小導管第一層沿開挖輪廓線布置39根，傾角10°，環(huán)向間距40 cm，第二層傾角19°，環(huán)向間距40 cm與第一層導管成梅花型布置，注漿材料為M30水泥砂漿。小導管長4.5 m，每次搭接≥1.5 m，注漿壓力在1.2 MP以上，保證注漿效果。

(4)管棚支護：掌子面塌方范圍施作φ108管棚。管棚長9 m(暫定，視塌方大小而定)，傾角10°，環(huán)向間距50 cm，注M30水泥砂漿。

(5)掌子面掘進：嚴格按照預留核心土三臺階法開挖，控制每循環(huán)進尺0.5 m，按S5-A襯砌類型支護(見表2)，施工時做好超前小導管支護。

(6)塌方體空腔泵送混凝土：在處理YK22+958塌方體向前掘進過程中，采用管棚鉆機鉆孔探明塌方區(qū)域，如在3 m范圍內(nèi)還有空腔，從初支拱頂至塌方體臨空面預留排氣管、泵送混凝土管，并及時向空腔內(nèi)泵送混凝土，使初支背后形成一道護拱，防止腔體內(nèi)松散石塊塌落壓塌初支拱架威脅作業(yè)人員安全，消除安全質(zhì)量隱患。

表2 分離式隧道S5-A復合式襯砌支護設計參數(shù)表

3.2 塌方的處理效果

為監(jiān)測塌方段的處理效果，確保施工安全，保障隧道安全順利掘進，在塌方段內(nèi)設置YK22+957、YK22+953兩個斷面分別對拱頂沉降及周邊收斂進行連續(xù)監(jiān)測。通過觀測數(shù)據(jù)來掌握這段圍巖的變形情況。通過一個多月的監(jiān)測，監(jiān)控量測結(jié)果顯示，拱頂沉降、周邊位移已趨于穩(wěn)定，其中YK22+957斷面拱頂累計下沉量為5.8 mm(拱頂下沉時態(tài)曲線圖見圖2、拱頂下沉速率時態(tài)曲線圖見圖3)，周邊位移累計位移量為5.26 mm(周邊位移時態(tài)曲線圖見圖4、周邊位移速率時態(tài)曲線圖見圖5)；YK22+953斷面拱頂累計下沉量為11.8 mm(拱頂下沉時態(tài)曲線圖見圖6、拱頂下沉速率時態(tài)曲線圖見圖7)，周邊位移累計位移量為5.29 mm(拱頂下沉時態(tài)曲線圖見圖8、拱頂下沉速率時態(tài)曲線圖見圖9)。

圖2 YK22+957拱頂下沉時態(tài)曲線圖

圖3 YK22+957拱頂下沉速率時態(tài)曲線圖

圖4 YK22+957周邊位移時態(tài)曲線圖

圖5 YK22+957周邊位移速率時態(tài)曲線圖

圖6 YK22+953拱頂下沉時態(tài)曲線圖

圖7 YK22+953拱頂下沉速率時態(tài)曲線圖

圖8 YK22+953周邊位移時態(tài)曲線圖

圖9 YK22+953周邊位移速率時態(tài)曲線圖

通過上述處理，隧道施工順利通過了該塌方段，監(jiān)控量測結(jié)果表明該段落初支已基本穩(wěn)定，拱頂下沉量、周邊位移量比較小。該段落澆筑完二次襯砌后，通過近一年的觀察，總體無異常現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)隧道在遇到不良地質(zhì)條件時，一定要嚴格按照審批的施工方案進行施工，及時對掌子面進行初噴封閉，初支及時跟進，縮短開挖時長，避免掌子面后方長時間空頂，從而降低塌方風險，減小大塌方的概率。

(2)隧道在穿越巖性分界面地段，特別是同一地段圍巖強度相差較大，掌子面前方為破碎石質(zhì)圍巖，巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖體結(jié)合性差時，應及時加強超前支護，必要時可考慮增設管棚，縮短開挖進尺，減少圍巖擾動，以提高掌子面拱頂及前方圍巖的承載能力。

(3)對于塌方部分必須回填密實，若塌方高度過高，必須保證泵送混凝土有適當厚度，塌方后的拱頂部分在回填密實之前仍可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可采取增設護拱的方式增強初支受力，并加強鎖腳小導管支護，防止突然塌落的巖體壓塌初支拱架威脅作業(yè)人員的安全。

[1]吳旻碩，李 曉.隧道圍巖強度不均地段塌方成因及其處理方法[J].工程地質(zhì)學報，2008(5)：672-676.

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