防治隧道坍方的施工技术探讨

曾亚平

(岳阳市公路桥梁基建总公司,湖南 岳阳 414000)

防治隧道坍方的施工技术探讨

曾亚平

(岳阳市公路桥梁基建总公司,湖南 岳阳 414000)

结合公路隧道工程施工实践中遇到的问题,对采用的相应技术处理措施作了介绍,并提出了隧道坍方防治施工技术方面的探讨.

公路隧道;坍方;防治;施工技术

工程概况

京昆国道主干线四川省雅安至泸沽高速公路菩萨岗隧道设计荷载为公路-Ⅰ级,计算行车速度80km/h,设计为分离式双洞单向行车,左洞桩号 K170+366～K173+350 ,长2984m,右洞 YK170+355～YK173+345,长2990m,设计纵断高程在2427m至2444m之间,纵坡设计为人字坡,坡度 ± 0.3% ～ ± 3%.本隧道主洞衬砌内轮廓设计为拱高715cm,上半圆半径为553cm的三心圆曲边墙结构,净宽10.25m,净高5m,净空面积(含仰拱)78.21m2,周长(含仰拱)32.29m.

在本隧道施工中,我们就不同围岩地质条件下的施工技术进行了认真探讨,着重点是:通过合理的施工技术预防和减少隧道坍方的出现,以及出现坍方时采取合理工程技术措施进行治理.

1 隧道工程地质条件

1.1 地形地貌

本隧道所在区域为高中山深切河谷地貌与高中山湖盆区地貌分界的分水岭,所在山地地形起伏大,山高坡陡,沿线地表植被发育,人迹罕至.

1.2 地层岩性

(1)第四系全新统(Q4).块石、碎石土,为坡积成因,厚度较小.(2)早震旦系花岗岩 ().岩性为花岗岩,成份以石英为主,长石、云母少量,局部分布有钾长花岗岩.中～粗晶结构,块状构造.强风化至弱风化质,节理裂隙发育,岩石一般较破碎,是本隧道主要岩性.

(3)构造岩.压碎岩主要分布在断层带内,母岩以辉长岩或花岗岩为主,普遍具绿泥石化、蚀变.挤压破碎强烈,岩石矿物多可捏成粉末状,岩石较软弱.

1.3 水文地质条件

本隧道区内的地下水按其赋存的介质分为两类:一是覆盖层中的孔隙水,二是基岩裂隙水.地表水主要分布在隧道右侧海子内,距隧道轴线最近约450m,海子水位高程一般为2510m.

1.4 地震

隧址区位于地震基本烈度Ⅸ度区.

1.5 本隧道岩石物理力学特征

据野外调查及室内实验结果,参数见表1.

表1 各级围岩主要物理力学指标表

2 隧道洞身结构设计

隧道洞身结构按新奥法施工原理进行设计,即以系统锚杆、喷砼、钢筋网、钢架等组成的初期支护与二次模筑砼相结合的复合衬砌型式,通过分析计算确定洞身结构支护参数.洞身正常段支护参数见表2[1].

表2 洞身正常段支护参数表(单位:cm)

3 产生隧道坍方的原因

3.1 不良地质水文条件

(1)隧道穿越不稳定地层、断裂、褶皱带、含有各种不利的软弱结构面的围岩、溶洞陷穴等不良地质区域;

(2)隧道穿越垭口、沟谷、傍山地区及隧道进出洞口段;

(3)地下水发育地区或地表水渗漏明显地段.

3.2 设计缺陷

(1)对地质的勘察不详,判断不准,没有查明坍方隐患,未进行相应的设计处理;

(2)选线时隧道穿越位置不当,未绕避应当而且可以绕避的不良地质地段.

3.3 施工措施不力

(1)施工方法不适应地质条件,或地质条件变化后没有及时改变施工方法,措施不力.甚至由于坍方处理不及时、不当而造成再次坍方或引起更大坍方;

(2)对前方地质情况掌握不够,选择了不合适的施工技术,如盲目冒进、长进尺、支护不及时不牢固、爆破方法不当等;

(3)未能妥善处理地下水和地表水.

4 隧道施工中预防和减少坍方的技术措施

不良地质及水文条件是产生坍方的自然原因;设计方案一般是经过详细勘察和反复论证的,即使穿越不良地质地段,也是线形受地形地貌所限不得已而为之,而且隧道设计因其隐蔽工程的特性,本身就是动态设计,不是一劳永逸、一成不变的;施工是造成坍方的直接原因.

新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整的力学概念,按照新奥法施工原理,实际施工中应做到“短进尺,弱爆破,强支护”.开挖方法是影响围岩稳定、避免或造成隧道坍方的重要因素之一,所以隧道开挖的基本原则,是在保证围岩稳定或减少对围岩的扰动的前提下,选择适当的开挖方法和掘进方式,并合理提高掘进速度.在选择开挖方法时,应对隧道断面大小和形状、围岩的工程地质条件和自稳性、支护条件、机械配备能力、工期要求、经济性等相关因素进行综合分析确定.

本隧道开挖主要采取的是台阶法,Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面法,Ⅳ级围岩一般采用两台阶法,Ⅴ级围岩采用三台阶法.这里重点介绍三台阶法,三台阶的分阶是:上台阶指隧道断面半圆拱顶部的弓形范围,底宽约10.5m,拱顶中心高约2.8m,开挖后可以架设拱顶的三段初期支护钢支撑;中台阶指半圆拱除去上台阶弓形范围的剩余部分,宽 10.5～13m,高约 3.7m,开挖后可以架设拱部左右侧的两段初期支护钢支撑;下台阶指位于半圆拱之下的边墙部分(含仰拱),宽 12～13m,高约 3m,开挖后可以架设左右侧边墙的两段初期支护钢支撑.从隧道纵断面看,三个台阶呈梯级状态,从掌子面向后高度梯级下降,上台阶的长度一般控制在6m左右,中台阶20m左右,下台阶40m左右.

三台阶开挖具体又细分为七个开挖面,从掌子面开始,七个开挖面分别是:上台阶掌子面,中台阶的左、右、中三个长方形块,下台阶的也是左、右、中三个长方形块,按此顺序分步骤相互交错开挖.为防止出现坍方,开挖支护过程应把握好以下方面:

第一,上台阶掌子面开挖前,应严格按照设计和规范要求施作超前小导管并注浆,然后才能在超前支护的保护下进行开挖,视围岩情况每次掘进0.9～1.8m,迅即架设1～2榀初期支护钢支撑,施作系统锚杆且注浆,挂钢筋网,喷射初期支护砼,如此一气呵成,在拱顶形成较稳定的承载拱.

第二,在拱顶承载拱的支护下,进入中台阶的施工,中台阶施工完毕的段落就进入下台阶的施工,如此先上后下,由高至低,分步实施.每处围岩开挖完成后,均应迅即施作初期支护,最大程度的缩短围岩裸露时间,以控制围岩的变形和松驰.开挖作业均应采用光面爆破,布孔与装药量应合理,尽量减少对围岩的扰动和破坏程度,且应尽量使隧道周边轮廓圆顺,避免棱角突变处应力集中.

第三,七个开挖面交错开挖,因七个面分别处于隧道纵断面的七个不同桩号段,从而使每一处隧道横断面上最多只有一个开挖面,这样围岩裸露的范围减到了最小,保证了围岩的稳定.因隧道出渣大型挖装运机械设备需在中台阶和下台阶作业,应保证好机械的安全作业半径,避免相互干扰,降低效率,更要避免工程机械触碰初期支护,危及围岩的稳定,还要确保三台阶开挖施工地段具有良好的运输通道.

第四,初期支护完成后,与围岩连成整体共同受力形成了一个大的承载拱,在下台阶核心土挖除后落底并快速施作仰拱砼封闭仰拱,及早闭合隧道断面,有效地发挥初期支护体系的作用,保证隧道的稳定.之后进入二次衬砌,二衬与掌子面的距离控制在80m左右较合适,原因是:

(1)围岩与初期支护变形已经基本稳定了;

(2)确保初期支护不至于裸露时间过长而出现隧道意外坍塌事故,因为只有二衬参与受力后隧道才真正的进入了安全状态;

(3)保证了前方三台阶开挖和初期支护有充足的施工场地.

第五,认真做好隧道监控量测,监测围岩与支护变位、变形速率及收敛程度,并进行必要的反馈分析,正确估计其特性及随时间的变化,及时调整初期支护的参数及掌握二次衬砌的最佳时间.

第六,应重视隧道超前地质预报工作,就目前的勘察技术水平,设计过程中难以对隧道工程地质及水文条件有全面的掌握,因此施工中需补充调查,做到“知己知彼,百战不殆”.一般采用TSP(Tunnel Seismic Prediction ahead)法,即隧道前方地震预报或超前地质预报,可以基本探明前方 80m范围内的围岩地质和水文条件,能提供重要参考.另外还有一个比较简单实用的方法是超前钻孔,即在掌子面前方钻孔不少于2个,深度6m左右,也能了解到近距离内的地质水文状况.

5 隧道施工中坍方的技术处理措施

本隧道出现坍方绝大多数是因断层、破碎带,围岩破碎,节理裂隙发育,整体强度很低,且不同程度的地下水影响.一般较小的坍腔首先要用喷射砼封闭坍腔,防止坍腔扩大.如出现地下水大量涌水,则采取“堵”与“疏”相结合的治理措施,当地下水是由地表水补给时,在地表设置截排系统引排,多数情况的地下水为承压水,将主要的股水收集后用管道引排至拱脚,通过隧道的排水沟排出洞外.初期支护施作时,对应坍腔位置,埋设一至几根直径110mm的钢管,初支具有设计强度后,通过预埋管泵送C20砼或M10水泥砂浆,在初支外形成超过60cm厚的护拱,护拱之上的空腔部分再吹填中粗砂作为缓冲层.

下面就菩萨岗隧道出口右洞YK172 + 885 ～ + 875段出现的较大坍方实例说明处治过程与措施.

该段原设计地质情况:围岩为弱风化花岗岩、夹破碎的辉长岩岩脉,岩质坚硬,由于邻近区域性活断层−安宁河东支断裂,隧道局部发育次级小断层以及局部存在差异风化带.花岗岩岩层透水性较差,地下水对围岩稳定性影响不大.但在断层及其影响带、岩脉与花岗岩接触带、节理密集带,岩体极破碎,透水性好,地下水水头压力大,可能产生喷射状漏水,并且可能伴随有较大的坍塌.〔BQ〕= 280.设计围岩级别为Ⅳ级.

该段围岩实际地质情况:围岩为强风化夹全风化的花岗岩,局部夹弱风化岩石,差异风化明显,肉红色为主.岩层构造发育了多条小断层,风化节理裂隙众多,倾向杂乱,倾角 40°～90°,岩体很破碎,岩石强度很低,稳定性很差,锤击易崩裂成散砂状,岩体Is(50)较低,〔BQ〕小于250.同时左侧发育着一条产状为68°～279°的破碎带,宽度3～5m,岩质极松散,呈砂石或米石状,或为角砾岩状.破碎带中地下水压力很大,呈现喷泉状股水涌出.

2009年4月18日上午9点30分,YK172 + 884掌子面初期支护喷射砼将结束时,拱部突然出现坍方,涌水涌渣,涌水量为180m3/h,浑浊,水温6～8°C,涌渣为河沙状.至4月19日下午,已形成坍腔长9m、宽13m、高7.5m,靠近掌子面的YK172 + 889 ～ + 885段已施作的初期支护出现细小裂纹.4月20日下午确定YK172 + 885 ～ + 875段采取以下工程处理措施:

(1)为保住已施作好的初期支护不损坏,在离掌子面 10m处开始,沿初期支护内轮廓架立 10榀 20a工字钢护拱,纵向间距1m,每榀长度按已开挖轮廓线;

(2)施作Ø42mm超前小导管长3.5m,纵向间距1.8m,环向间距40cm;

(3)该段围岩级别由原设计的Ⅳ级调整为Ⅴ级,衬砌类型由原设计S4b变更为S5b,其中20a工字钢支撑间距由80cm调整为50cm,D25中空注浆系统锚杆相应调整为纵环间距50×100cm;

(4)二次衬砌C25砼变为C25钢筋砼,按S4a二次衬砌配筋;

(5)开挖方法按Ⅴ级围岩的三台阶开挖法;

(6)初期支护施作时,在拱部预埋3根直径110mm的注浆管,坍腔用泵送C20砼进行回填.

4月21日,在离掌子面10m处开始,沿初期支护内轮廓架立10榀20a工字钢护拱完成后,掌子面按间距 50cm一榀施作 20a工字钢架过程中,继续塌方,涌渣约 500m3,涌水量为 120m3/h,掌子面暂停施工.4月 23日,采用沙袋反压封堵涌水涌渣处,并施作双层超前小导管及注水泥浆.4月 26日,掌子面右侧YK172 + 894 ～ + 884拱腰坍腔部位泵送C20砼约150m3.4月27日,在坍腔处分别安装3根直径110mm输送砼管道,掌子面左、右侧管道长3m,中间管道长4.5m,泵送C20砼时,左右侧泵送砼约50m3时被堵管,中间管道泵送砼约150m3时被堵管,泵送砼未达到预期效果.4月29日至5月1日,在掌子面施作双层小导管并注浆.5月2日,在距掌子面5m范围内初期支护上施作小导管并注浆.5月3日,在掌子面坍腔处开窗60cm×60cm检查,大量涌渣伴水而出,涌渣量约200m3,探测后发现坍腔内的涌渣堆积厚度在5m以上,主要是粒径为5cm～40cm的破碎花岗岩,所注浆液无法与其固结.5月7日上午会审重新调整确定该段采取以下工程处理措施:

第一、对YK172+900～+890段仰拱增加20a工字钢与初期支护工字钢架闭合成环;

第二、YK172+885～+875段超前支护采用双层Ø42mm小导管,第一层倾角5°～10°,第二层倾角30°,长4.5m,环向间距0.4 m,纵向间距2.4 m,并注水泥浆,使拱部以上3.0 m范围注浆形成护拱;

第三、初期支护20a工字钢架间距0.4 m,D25系统锚杆纵环间距40×100cm,其余初期支护同S5b;

第四、二次衬砌采用50cm厚的C25钢筋砼,按S5a二次衬砌配筋;

第五、用3根直径110mm钢管将涌水集中至边墙部位排出;

第六、坍腔用泵送C20砼进行回填.

5月7日下午YK172+885掌子面开始重新施作6m长双层超前小导管并注水泥浆,至5月9日上午已用水泥45t,水泥浆大部分从预埋的排水管及拱顶超前小导管随水流出,未达到加固围岩、形成护拱效果.5月9日上午,改用双液浆效果也不明显,中午开始用人工环形开挖将掌子面最前方的工字钢剥出,加密超前小导管后,再向前40cm掘进一榀.5月14日晚,6m长双层超前小导管施作完毕,扒开坍腔口坍渣,坍腔内涌出大量石渣,将小导管压弯.5月15日上午继续清除坍腔口石渣,让坍腔内石渣涌出,部分小导管随坍渣涌出,上午10点、下午2:45及4:50清理3次,均从坍腔内涌出大量砂夹石块,坍腔无法稳定.5月16日上午确定该段增加以下工程处理措施:

在YK172+885掌子面拱顶部3m宽范围内,用地质钻机施作Ø108mm管棚,环向间距30cm,数量11根,同时在左侧、右侧分别施作3根、4根Ø108mm管棚,总根数18根,管棚长度暂定12m.

5月17日开始施作管棚, 6月10日管棚施作完毕,实际根数19根,除1根仅长7m报废外,其余18根长度在14m～19m之间.在管棚和双层小导管的双重超前支护下,开始向前40cm/榀掘进,终于在6月26日掌子面到达YK172 + 875.

由此可见,隧道一旦形成较大坍方,处理起来就要付出很大的人力物力,工期影响大,经济损失也大.所以隧道坍方的防与治,应该重在预防,预防措施无论从投入的人力物力财力方面,都是较小的,而效果很好,能够及时地把坍方消灭在萌芽状态,确实能起到“四两拨千斤”的作用.

[1]中华人民共和国行业标准编写组.JTGD70–2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004

Discussion on Prevention of Tunnel Construction Technology of Soil Slip

ZENG Ya-Ping
(Highway Bridge Construction Corporation of Yueyang,Yueyang 414000,China)

Combining with the practical problems in the course of highway tunnel construction,the corresponding technical measures are introduced,and the discussions on tunnel construction technical aspects of the soil slip prevention are presented.

highway tunnel;soil slip;prevention;construction technology

U457+.2

A

1672-5298(2011)01-0081-05

2010-12-07

曾亚平(1974− ),男,湖南临湘人,岳阳市公路桥梁基建总公司工程师,一级建造师.主要研究方向:桥梁及道路工程