玉希莫勒盖隧道塌方分析及治理

炊鹏飞,李 辉,张宏刚,孙锦家

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安710055;2.西安理工大学 水利水电学院,陕西西安 710048;3.陕西元创建筑设计有限公司,陕西西安 710075)

0 引 言

我国是一个多山的国家[1],为缩短交通里程和提高公路等级,山区公路建设需要修建大量隧道,而隧道工程所遇到的地质条件千变万化,围岩与支护相互作用十分复杂,特别是隧道穿越软弱地质层部分。因此,监控量测对于隧道工程设计施工显得尤为重要。隧道塌方事故在隧道修筑过程中频繁出现,隧道穿过断层等软弱地质层时尤甚,国内一些专家学者在这方面做了大量的研究[2～4]。及时准确的分析隧道塌方原因,提出合理的施工方法,对隧道的后续施工和我国隧道施工提供宝贵经验显得尤为重要。

1 工程概况

玉希莫勒盖隧道位于新疆G217线上,全长1 943 m。G217线是一条沟通南北疆的大通道,是新疆“二纵三横”公路主骨架中的一纵,同时又是国家国防公路网络中的一条重要组成路线,在新疆公路网中占据着最重要的地位。而其中乔尔玛至那拉堤段需翻越天山玉希莫勒盖达坂,是其中重要的一段。为使车辆安全运行,同时缩短交通里程,修建了玉希莫勒盖隧道。隧道进出口里程K722+095～K724+038。隧道进口高程约为3 200m,出口高程约为3 230 m,隧道在出口段穿越断层,断层分布在玉希莫勒盖达坂顶部偏南,长度大于60 km,断层总体走向N49°W,倾向 NE,局部略有曲折,倾角80°～85°,与线路在K723+750(设计桩号)处斜交,断层破碎带宽度150 m～200 m,其主要为因强烈的构造挤压变质作用形成的绿泥石片岩及绢云母片岩,岩体基本质量指标BQ=178.5。隧道洞身于K723+600～K724+038通过该断层破碎带,受断裂构造影响,围岩岩体极为破碎,易产生透水、坍塌等不良地质问题。

隧道断层带最初设计支护方式参见表1。

隧道穿越断层及其破碎带部分采用三台阶超短台阶法施工,上、中台阶长5m,仰拱距下台阶10 m～15 m,二次衬砌距仰拱端头不大于50 m,各施工工序间距如图1所示。

表1 隧道断层带支护参数

图1 断层带施工工序

2 监控量测点布设情况及量测结果

2.1 监控量测点的布设

量测点的布设应尽快进行[5,6],以尽量及早获得靠近推进工作面的动态数据,一般规定,应测项目测点的初读数,应在爆破后24 h内,并在下一循环爆破前取得。量测初始值时,测点位置距离开挖工作面距离不应超过2 m,实际上有的测点已经安设在距离开挖掌子面0.5 m左右的断面上(拱顶沉降测点、净空位移测点一般焊接在拱架上),观测效果更佳,但需加强测点保护。

在隧道出口端断层带沿隧道纵向每隔5 m布置测点分别对初次支护拱顶下沉、净空位移(拱脚水平收敛及墙腰水平收敛和二次衬砌的收敛)等进行量测。监测仪器分别使用DSZ2水准仪(配测微器)和JSS30A型数显收敛计,测点布置见图2。

图2 测点布置示意图

2.2 量测结果

拱顶沉降和周边收敛是围岩及支护应力形态变化最直观的反映,能为地下洞室稳定性提供可靠直接的信息,且易测取[7]。

本文主要对塌方段K723+911～K723+919之间的K723+915横断面上所布监测点的监测结果予以研究。K723+915断面监测结果见表2,监测项目曲线如图3和图4所示。

表2 K723+915断面拱顶沉降和拱脚水平收敛(2-3)实测值

3 监测数据综合分析及信息反馈

3.1 拱顶沉降监测数据分析

从图3、图4可以看出,量测第8 d～9 d出现沉降速率增大的情况,沉降速率均值超过了10 mm/d,说明沉降不正常,需要对支护结构予以加强。通过采取加长超前小导管、中空注浆锚杆的长度,以及竖立临时中隔墙(工字钢)支撑的方法,从而使累计沉降曲线和沉降速率曲线回归正常变化方式。而从第11 d开始,沉降速率又迅速增大。在量测的第13 d时,沉降速率突然增大为33 mm/d,累积沉降值达到121 mm,是预留变形量的4倍,从而使车辆建筑界限达不到设计标准要求。

图3 K723+915拱顶沉降和水平收敛累计时程曲线

3.2 周边收敛监测结果分析

从图3、图4可以看出,拱脚水平收敛量测数据变化情况和拱顶沉降相似,收敛速率也在量测的第10 d出现速率大于10 mm/d的情况。只不过在采取支护加强措施后累计水平收敛值仍然变化较大,收敛速率在加强支护后的2 d出现较小的下降,但收敛速率最小也有6.1 mm/d,而从第 11 d又继续迅速增长。量测的第14d速率增大到31.01 mm/d,累积收敛值达到128.93 mm。

图4 K723+915拱顶沉降和水平收敛速率曲线

3.3 综合分析及塌方过程描述

4 塌方原因分析

7月29日早晨9点钟塌方处出现大量涌水现象,围岩碎屑伴随着水流一起拥下来。在塌方处理过程中发现隧道上方右侧的空洞区面积远大于左侧,同时测量数据显示隧道右侧(1-3)收敛值为负,说明隧道右侧的测点沉降值相对拱顶沉降值要大,说明存在偏压。综合考虑隧道塌方的原因,主要从以下几个方面来分析:

(1)岩石性质因素。该段是断层破碎带,主要为绿泥石片岩及绢云母片岩,通常力学强度低、松散、整体性差、遇水软化、崩解等。

(2)水的影响。在无地下水的情况下,隧道通过断层破碎带时围岩的稳定性总是较好的或危害比较轻微且易于克服的,当存在地下水时,情况就要复杂的多。而该断层属于中等富水断层,单位洞身涌水量为16.42 m3/d。地下水可产生三方面的作用:带走细小颗粒、软化结构面、产生空隙水压力,这些作用可使围岩由局部变形失稳发展到整体失稳。此外,频繁降雨是塌方的诱因,平均每3 d就有一次降雨,降雨次数多且时间间隔短。雨水的入侵导致了围岩的重量增加,岩体间的胶结性降低,从而使强度和自稳能力都降低,加剧了隧洞围岩的失稳和坍塌。

(3)施工过程对隧洞稳定性的影响。隧道施工中断层破碎带段的爆破没有采取相应的控制爆破措施,从而使岩体受到较大的扰动,加速了围岩的失稳。另一方面,应急措施方案不彻底、不及时、相关人员重视程度不够。

5 塌方后的综合处理方案

变三台阶超短台阶法施工为CRD法施工,开挖过程中严格控制每循环进尺长度,开挖方式主要为人工配合风镐挖掘。施工总体思路和施工工序:首先施作超前注浆小导管对洞室四周塌方体进行超前注浆加固,防止开挖过程中发生坍塌;接着开挖左、右上导洞岩体,施作初期支护、临时仰拱和临时支撑。最后开挖左、右下导洞部分岩体,施作初期支护和临时支撑。隧道支护参数基本上同表1,拱部120°范围内的超前小导管长度变为6 m,加密格栅钢架的纵向连接钢筋φ 25,环向间距50 cm,其余支护参数都不变。塌方后隧道横断面施工步骤和支护参数见图5。

图5 塌方后隧道横断面施工步骤及支护方式示意图

具体施工步骤如下:Ⅰ小导管超前支护,2开挖上部导洞,Ⅲ上部初期支护,Ⅳ施做临时仰拱、上部临时钢支撑,5开挖下部导洞,Ⅵ下部边墙初期支护,Ⅶ施做下部临时钢支撑,Ⅷ施做仰拱初期支护,Ⅸ铺设防水层、模筑二次衬砌。

6 塌方处理效果评价

6.1 塌方处理后塌方段监测结果

塌方处理后各断面拱顶沉降和水平收敛(2-3)随时间变化曲线见图6、图7。

图6 塌方段各断面拱顶沉降累计时程曲线

图7 塌方段各断面水平收敛累计时程曲线

6.2 塌方处理后数据分析

从塌方处理后的累计拱顶沉降值和累计水平收敛值的数据分析可知,各断面的累计沉降量和收敛量都在15 mm～25 mm之间,小于预留变形量30 mm。分别经过7 d～10 d和8 d～11 d的变形之后,拱顶沉降速率和周边收敛速率分别降低到1mm/d以下。由此可知,经过塌方处理后,该段的变形是稳定的,处理方案是可靠有效的。

7 结 论

(1)在隧道施工时,建立完整的监控量测及信息反馈系统,对准确判断隧道的稳定性和确保施工人员的安全是重要和必要的。

(2)该类型隧道塌方采用CRD法施工,超前注浆小导管支护、钢筋格栅支撑、中空注浆锚杆及喷射混凝土的处理方式来处理是有效可行的,可以为类似穿越断层及其破碎带的隧道施工提供借鉴。

(3)隧道通过断层破碎带等软弱围压夹层,当采用爆破掘进时,应采取相应的控制爆破措施。

(4)该类型隧道出现险情时,相关人员应充分重视,及时采取彻底可靠的应急处理措施,避免险情进一步扩大而发生塌方。

[1]朱汉华,尚岳全.公路隧道设计与施工新法[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]刘志春,李文江,孙明磊,等.乌鞘岭隧道F4断层区段监控量测综合分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(7):1502-1511.

[3]杨会军,胡春林,谌文武,等.断层及其破碎带隧道信息化施工[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3917-3922.

[4]张志勇,傅钱俊,方文俊,等.桃树垭隧道塌方原因分析及处治方案[J].中外公路,2010,30(3):226-229.

[5]徐干成,白洪才,郑颖人,等.地下工程支护结构[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[6]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[7]李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京:科学出版社,2002.