新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方处治分析

梁玮玮

(广西交投商贸有限公司,广西 南宁 530006)

0 引言

当前广西发布了《广西高速公路网规划(2019—2035)》规划,高速公路建设步入黄金发展阶段,隧道溶洞塌方作为高速公路建设中常见的一类工程地质灾害,对工程的进度、安全、质量、成本都有重大的影响,做好隧道溶洞塌方处治工作,对工程建设具有重要意义[1]。

本文通过新柳南高速公路吾排隧道右线YK72+940～YK72+969段溶洞塌方为例,对项目工程地质条件、溶洞塌方成因进行介绍分析,提出综合处治方案。经过工程实践检验,综合处治方法可行有效,对类似工程问题具有借鉴意义。

1 工程背景

新柳南高速公路吾排隧道右线掌子面在掘进至YK72+969时,后方YK72+957处上台阶右侧拱肩位置初支被4块巨型孤石从背后击中,孤石直径为1～4 m,致使YK72+957～YK72+969段发生塌方,伴有约600 m3突泥体涌出,突泥体夹杂块石及软塑性黄泥;YK72+940～YK72+951段初期支护在塌方牵引下,出现急剧变形损坏,严重侵占到二次衬砌空间。塌方后该段对应地表在YK72+953处发生塌陷,塌陷范围直径约2 m,深约2 m,周围出现宽度为10～17 cm不等的裂缝,影响范围纵向长约150 m,横向宽约100 m,面积约为15 000 m2。

2 设计情况

吾排隧道长1 620 m,属长隧道。出现溶洞塌方的YK72+940～YK72+969段落属岩溶峰丛洼地地貌,地形起伏较大,洼地较发育,地面高程为266.0～350.0 m,相对高差约84 m。该段落设计为三级围岩段落,结构衬砌及支护方式采用S3型。施工过程中,围岩为中风化含燧石灰岩,岩溶强发育,岩体较破碎,泥质填充严重,变更采用S5-P型衬砌及支护,单排小导管进行超前支护,环距为40 cm,纵距为240 cm;初支采用Ⅰ20b工字钢,型钢纵向间距为60 cm,C25喷射混凝土26 cm。见图1。

3 工程地质情况

3.1 水文地质

吾排隧道隧址区为岩溶峰丛洼地地貌,沿线隆起地段地势较高,隧道中部沟谷洼地发育,为地表水的汇集区域。地表溪流具季节性,水流量受大气降雨所控制。洞身处于地下河岩溶管道及稳定地下水位之上,受地下河主岩溶管道影响不大,但因为地表洼地与地下河管道间形成垂直缝状溶蚀通道,地表水通过消水洞下渗补给地下水的主要导水地带,雨季雨水注水量大,在隧道施工过程中将产生较大的威胁[2]。

3.2 地下地貌

塌方位置位于山谷中间水田路段,地表右侧约140 m位置为吾排屯,左侧约80 m位置有一小山塘,该段隧道埋深为86.0～108.0 m,围岩为中风化合燧石灰岩,岩体呈中-厚层状构造,岩质坚硬,浅层溶蚀裂隙弱-中等发育,岩溶形态以溶蚀裂隙、岩洞为主,岩体较完整-较破碎,位于稳定地下水水位之上,以潮湿或点滴状出水为主[3]。

3.3 地层岩性

吾排隧道隧址区出露地层为第四系残坡积层(Qel+dl)为主,角砾呈褐色,稍湿,稍密状,土质不均匀,粒径>2 mm碎石颗粒约占总质量的60%,原岩为硅质岩、硅质白云岩,颗粒骨架间黏性土充填,主要分布于洼地底部,厚度为1～10 m。

4 溶洞塌方成因分析

分析认为,由于该段隧道所处地形为山谷间水田段,YK72+940～YK72+969段岩溶强烈发育,隧道轮廓线外发育有串珠状溶洞,充填可-软塑状黏土,岩体间节理裂隙发育,破碎松软,完整性较差。施工过程中扰动破坏了原围岩应力平衡状态,岩体中应力重新分布,导致YK72+957处的岩体失稳、塌落,牵引造成YK72+957～YK72+969段溶洞塌方,在孤石塌落带动下,致使地表整体下沉,局部出现塌陷,同时在孤石与填充物塌落造成的松散压力作用下,致使YK72+940～YK72+969段整体出现隧道溶洞塌方[4]。

5 溶洞塌方综合处治措施

经实地考察研究,并在组织召开专家评审会基础上,总结该隧道溶洞塌方主要是因隧道轮廓线外孤石滑落,致使已施工隧道的初期支护受损,牵引导致该段落出现整体塌方。综合处治措施分别制订了地表防排水、增强塌方段衬砌结构强度及加强洞内排水等综合处治措施。

5.1 处治方案

(1)对地表采取防排水措施。在该段落对应的地表水田段周围开挖环向截水沟,防止拱顶渗水;地表裂缝采用黏土进行填塞捣实封闭,铺设防水材料后再回填土填平原地面;同时抽干隧道地表左侧小山塘,防止掘进过程中掌子面出现突水突泥现象[5]。

(2)采用洞渣对该段落进行反压回填,掌子面喷射混凝土封闭,稳定后对地表塌方处进行回填处理,回填高度超出原地面约0.5 m,修筑成龟背形,并使用防水布遮盖防止地表水渗入。

(3)采用“大管棚+超前小导管注浆”进行支护。通过大管棚及小导管向掌子面轮廓线外位置进行注浆,使掌子面轮廓线外固结形成拱形受力结构。

(4)对YK72+940～YK72+969段塌方损坏的隧道初期支护进行更换,采用S5-P2衬砌进行支护,并进行加强。衬砌类型开挖预留量为15 cm,锁脚锚管尺寸采用φ108 mm×6 mm,长度为6 m,径向中空注浆锚杆采用φ42 mm×4 mm、长度为4.5 m,初支衬砌中采用Ⅰ22b工字钢,型钢纵向间距为50 cm,C25喷射混凝土厚度为28 cm;二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土,衬砌厚度为55 cm,防渗等级≥P8。

(5)衬砌背后渗水点处预埋排水管及竖向盲管,隧道环向盲管加密至2 m一道进行布设[6]。

5.2 具体设计参数

(1)超前支护采用φ108 mm×6 mm自进式超前大管棚,7节×1.5 m/节φ108 mm×6 mm管棚拼接而成,每根管棚长10.5 m,管棚环向间距为30 cm,外插角为12°,穿过钢拱架开孔打入,管棚间搭接长度为3 m。

(2)小导管采用φ42 mm×4 mm双排设计,长为450 cm,环向间距为40 cm,纵向间距为275 cm,外插角分别为10°～15°、25°～30°,小导管尾部焊接于钢架,每间隔15 cm钻φ10 mm注浆孔,按梅花型进行布置。小导管在管棚施作位置的下一榀工字钢处打入[7]。

(3)锁脚锚管采用4根单节长为1.5 m的φ108 mm×6 mm自进式管棚拼接而成,通过U型钢筋与型钢拱架焊接牢固,注水泥净浆。

5.3 监控量测

隧道溶洞塌方处治期间,根据现场实际情况加强对洞内及地面的监控量测,对围岩和支护结构的力学形态及变化趋势进行评估,提供有关隧道施工的全面、系统信息资料,为参建各方及时准确预报安全隐患,有效避免二次事故发生,科学指导设计和施工。

5.3.1 地表沉降监测

在隧道地表塌陷段落设置监测断面2～3个,横向测点布置间距范围为4～8 m,隧道中线附近稍密,偏离隧道中线处稍疏,在每个断面上布设测点7～11个,实际布设时还应结合现场地形布设。布置测点如图2所示。

5.3.2 拱顶下沉和净空收敛监测

溶洞塌方段按每5 m设置一个观测断面,每个断面设置5对观测点,隧道拱顶下沉和净空收敛测点安设在同一断面,在拱顶及距离隧道轴线水平距离3 m处分别设置拱顶下沉的中测点和左右测点;在起拱线以上1.5 m处安设周边位移测点。测点布设见图3。

5.3.3 监控量测频率

在处理隧道溶洞等不良地质时,根据现场施工实际情况适当增大监控量测的频率,做好提前预警措施。

图2 地表下沉测点示意图

图3 拱顶下沉及周边位移测点布置示意图

5.4 处治过程注意事项

(1)施工前应完善超前地质预报及超前地质钻探工作,探明掌子面轮廓线外溶洞规模、走向、洞内填充等情况,综合判断初期衬砌轮廓线外围岩情况,为后续溶洞塌方的安全处治提供基础资料。

(2)施工过程中严格控制反填段的开挖进尺,每循环按照1榀型钢拱架的进尺距离施工。施工过程全程安排人员旁站,观察掌子面工作区间动态,确保施工安全。

(3)加强隧道爆破施工管控。施工时遵循“短进尺、强支护、弱爆破、勤监测”原则,严格控制爆破施工药量,减少爆破对围岩的扰动[8]。

(4)严格控制隧道安全步距。严格按照《公路隧道施工技术规范》(JTG/T 3660-2020)相关要求控制隧道安全步距,同时加快跟进仰拱施工,做到及时封闭成环,并加快二次衬砌的施作[9]。

(5)加强监控量测。严格落实地表、洞内监控量测程序,加密坍塌体处理段量测断面,加大监控量测频率,及时分析监控量测数据,优化溶洞塌方处治措施,从而确保施工的安全。

6 结语

新柳南高速公路吾排隧道右线YK72+940～YK72+969段溶洞塌方处治采用“大管棚+超前小导管注浆”进行超期支护,落实“短进尺、强支护、弱爆破、勤监测”原则,并采取三台阶法进行开挖,加强溶洞塌方段衬砌结构强度,历时一个半月成功进行处治。后期跟踪监测观察,隧道结构稳定安全,各项指标验收结果优良,内实外美,溶洞处治效果达到了预期目标,可为后续同类型隧道溶洞塌方处治提供参考。