公路隧道淺埋軟弱地質段塌方冒頂處理技術

黃 剛, 劉湘君

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概述

成簡快速路第二標段位于成都市龍泉驛區的柏合鎮、山泉鎮和茶點鎮境內,穿越龍泉山。龍泉山 2#隧道橫穿龍泉山山脈中段,隧道進口位于成都市龍泉驛區長松寺墓東北側溝谷內,出口位于夏家溝右岸紅花村十三組北側 100 m附近。該隧道為分離式隧道,左線隧道起點 Z K 4+619,終點Z K 6+943,長 2 324 m。右線隧道起點 Y K 4+618,終點 Y K 6+938,長 2 320 m。隧道凈空斷面10.5 m×5.0 m,左側隧道最大埋深 322 m,右側隧道最大埋深約 320.6 m。隧道進口 ～中部 ～出口的線間距為 17.218 m～26.5 m～13.83 m。隧道進、出口為Ⅴ類圍巖,覆蓋層薄。洞身圍巖為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖,主要以泥巖、泥質砂巖、砂巖為主。

2 隧道工程地質情況

(1)隧道進口工程地質條件評價。

隧道進口位于蘆溪河右側支溝內,該溝谷呈東西向發育,與路線走向近于一致,地表基巖均裸露,地面坡度為 45°,地表坡面即巖層層理面,巖性為蓬萊鎮組厚層狀中粒砂巖,巖體完整,節理不發育,隧道軸線與巖層走向近于垂直,利于邊坡穩定。

(2)隧道出口工程地質條件評價。

隧道出口位于湯家河支溝夏家溝右岸,溝谷由北向東發育,沿溝谷橫向支溝發育,位于夏家溝右岸與其右岸支溝交匯處一突出小山脊坡腳附近,洞口附近地表多為坡積土掩蓋,僅小山脊中部見基巖出露。隧道出口位置地表均被坡殘積粘土覆蓋,根據鉆探揭示,斜坡地段坡殘積粘土層厚0～3 m,坡腳緩坡地帶厚 4～6 m,隧道左側夏家溝及出口橫向支溝谷內分布沖洪積粘土,厚 0～3 m,下伏基巖為侏羅系遂寧組泥質砂巖,左線隧道出口地面坡度 15°～25°,右線隧道出口段地面坡度 25°～40°,隧道出口地段巖層傾向夏家溝,傾角 5°～10°,路線右側存在順層現象,隧道走向與巖層走向呈小角度相交,不利于邊坡穩定。

3 塌方經過

2009年7月30日 12∶35,該隧道出口右線Y K 6+918～Y K 6+916上半洞開挖爆破散煙后,約在 12∶35,施工人員準備進洞出渣時發現在Y K 6+918～Y K 6+916新爆破成型的洞頂部位有少量塊石掉落,為安全起見,施工人員退至洞口繼續觀察巖石掉落情況。在 13∶00左右,掉塊加劇并隨之出現大量坍塌,連續垮塌過程大約持續了1.5 min,直至塌方段頂部全部垮塌完,造成 Y K 6+923～6+916段冒頂。垮塌造成 Y K 6+923～6+920段初期支護的 4榀工字鋼折斷或壓彎變形,頂拱部位約 10根管棚被拔出折斷。塌方形成的坑成漏斗狀,在 Y K 6+923～6+916段頂拱形成了一個約 8 m×8 m的天窗,下部由于渣體掩埋,當時無法探明具體的垮塌范圍。待處理完成后發現,掌子面約 2 m范圍內同樣受冒頂影響成凹形。

4 塌方原因分析

分析后認為主要有以下幾方面原因引起塌方:

(1)從天氣情況看,近期長期下雨,致使巖土含水率飽和,洞口泥巖遇水后軟化,自身穩定性下降。

(2)從地質情況看,塌方處正好處于土石分界線,可能存在一定的滑移面,且洞口段邊坡主要為泥巖,自穩能力差。

(3)從支護情況看,根據事故處理后的原始照片,超前大管棚支護、灌漿效果滿足設計要求,但開挖段已有 20 m,已開挖至管棚尾部,且管棚端部處于軟弱圍巖或土體中,無法承受上部過大的壓力,同時,對上次爆破后預留的鉆孔空間進行了素噴支護,而未進行型鋼支護,進而造成管棚承受壓力過大。

初步認定上述三種原因疊加造成了該段塌方事故的發生。

5 處理方案比較

針對該段塌方,項目部先后建議并采取了三個處理方案。

方案 1。從塌方處上口由上向下按 1∶0.5～1∶0.75的坡度進行削坡并與邊坡臨時支護同步進行,每次削坡高 3 m,立即在成型的邊坡打設 3 m長、間排距 1 m(梅花型布置)的自進式錨桿,掛φ 8@15 cm×15 cm的掛網鋼筋,然后噴護 10 cm厚的混凝土;上部臨時支護完成后,再進行下一層3 m的削坡及相應的錨噴支護施工,直至坍塌坑四周邊坡全部支護完成。坍塌坑邊坡臨時支護完成后,將洞內塌方體全部挖除,并將破壞的鋼支撐及管棚全部拆除,然后以 50 cm的間距按照設計邊線安設 18#工字鋼支撐,并用 φ 25鋼筋@1 m將鋼支撐連接成一整體,加固好后,在鋼支撐外緣鋪設 φ 8@20 cm×20 cm鋼筋網片,沿鋼支撐內緣鋪設模板,進行 C 20混凝土模噴支護 20 cm。待噴混凝土達到強度要求后,采用 20#工字鋼在噴混凝土上方約 50 cm、空腔體下部設置縱橫工字鋼梁架,間距為 1 m,然后澆筑1.5 m厚 C 20混凝土;在噴混凝土和澆筑混凝土時,埋設 5根排水管至洞內。待混凝土強度達到設計強度,對坍塌坑人工分層進行夯實至原坡面。采用上述方法處理施工完成后,在開挖掌子面進行超前支護,具體方法是:重新進行管棚施工,管棚長 15 m,待管棚施工完成后,再按臺階法進行開挖施工,施工按弱爆破、短進尺、強支護的原則進行。

上述方案為項目部參加事故分析及方案討論四方會議時的建議方案,因未達成一致,暫未按該方案施工。

方案 2。先用彩條布或防雨布將塌方范圍遮蓋,在塌方體范圍外人工修排水溝,將外部地表水引排至塌方體漏斗空腔體外,待塌方邊坡穩定后,對塌方漏斗空腔體邊坡以及裸露邊坡進行 C 20混凝土噴護,厚度為 10 cm。待空腔體封閉完成后,采用小導管管棚超前支護處理塌方段,具體施工程序為:

(1)為保障施工人員安全,先對洞內堆積體表面進行素噴 C 20混凝土,厚 10 cm,隨后在現有已破壞工字鋼樁號后退 1～2 m(樁號約 6+925)處,架立 1榀 I 18工字鋼導向鋼架與原有鋼架聯結牢固,鋼架設為城門洞型,外弧半徑為 6 m,在導向鋼架上進行小導管施工,小導管采用 φ 50無縫鋼花管,長度為4.5 m,壁厚 3.5 mm,環向間距20 cm,按拱部 120°范圍布置。具體布置情況見圖1。小導管管壁鉆注漿孔,孔徑為 6～8 mm,孔間距 15 cm,安裝超前小導管并與鋼架連接固定,外插角 15°,小導管與鋼架安裝順序以及小導管外插角根據實際情況進行調整。采用 Y T-28手風鉆鉆孔,用灌漿泵進行灌漿作業,灌漿壓力為 2～3 M P a;灌漿材料:水泥漿的水灰比為 0.8∶1。第一排小導管注漿完成后,清理塌方體至導向鋼架 1.6 m處,進行第二榀導向鋼架的架設,隨即進行第二排小導管施工,施工方法同第一榀。兩環搭接長度不小于 2.5 m。

圖2 塌方段小導管橫向布置圖

(2)第二排小導管施工完成后,割除已破壞的頂部大管棚和最近的一榀已破壞的工字鋼拱架,采用機械清理短距離塌方體后恢復 1榀已破壞的支護拱架,并按照設計圖紙恢復初期支護,之后,繼續采用機械清理短距離塌方體,割除最近一榀已破壞的工字鋼并恢復工字鋼拱架,然后進行第三排小導管施工。利用已經架立好的工字鋼作為導向鋼架進行第三排小導管施工,初期支護工字鋼間距縮小為 40 cm,其余初期支護按照設計圖紙進行施工。

(3)依此循環推進,直至順利通過塌方地段。采用上述方法施工處理完成后,拆除導向鋼拱架以及占據二襯斷面的小導管。開挖掌子面,繼續采用小導管進行超前支護,按照臺階法進行開挖施工,施工采取弱爆破、短進尺、初期支護緊跟作業面的方式。

該方案為四方會議后的修正方案。8月1～3日,按該方案在組織材料進場和人員施工時,因初期支護中大管棚及工字鋼等結構物密布,且塌方體為松散堆積物和強風化泥巖混合體,導致鉆孔及小導管跟進等工序進行的很困難,致使小導管不能達到預期效果,從而停止了該方案的實施。

方案 3。先用架管、鐵絲、彩條布或防雨布對塌方范圍進行遮蓋,在塌方體范圍外用人工修排水溝,將外部地表水引排至塌方體漏斗空腔體外。待塌方邊坡基本穩定后,采用人工從上至下清理塌方漏斗空腔體邊坡以及裸露邊坡的危石及松散體,隨后,對不穩定部分采用錨噴網進行支護。在人工清理、順坡施工時派專職安全員 24 h觀測及監督邊坡變化情況。待坍塌邊坡危險排除后,將洞內塌方體全部挖除,并將破壞的鋼支撐及管棚全部拆除,然后以 40 cm的間距按照設計邊線安設 20#工字鋼支撐,并用∠63 mm×5 mm等邊角鋼剪刀撐將鋼支撐連接成一整體,工字鋼底部采用混凝土找平,用槽鋼通條布置以增加底部基礎承載力。另外,每榀拱架增加4根 φ 28鎖腳錨桿,長度按照設計圖紙長度保持不變,在鋼支撐外緣鋪設 φ 8@20 cm×20 cm鋼筋網片,沿鋼支撐內緣鋪設模板,進行 C 20混凝土模噴支護 24 cm。待噴混凝土達到強度要求后,采用 20#工字鋼在噴混凝土上方約 30 cm、空腔體下部設置縱橫工字鋼梁架,間距為 1 m,兩端頭緊靠兩側巖體,并用φ 28砂漿錨桿錨入巖體并與工字鋼連接,巖體錨入深度為3.5 m,與工字鋼焊接聯成整體,焊接長度為 0.5 m,然后澆筑 1.5 m厚 C 20混凝土,混凝土采用強制性攪拌機攪拌,采用混凝土輸送泵入倉澆筑。在噴混凝土和澆筑混凝土時,縱向設置一排 φ 50鋼管作為排水孔,排距為 1 m,L=2 m,與二襯時的排水管相結合。按照上述方法處理施工完成后,將掌子面破壞的大管棚進行割除,在開挖掌子面采用小導管超前支護,采用臺階法開挖施工,施工時采取弱爆破、短進尺、支護緊跟的方式。待混凝土強度達到設計強度、開挖一段距離后,將防雨棚揭開,采用卷揚機安裝提升軌道,利用洞渣對空腔體回填,人工分層進行夯實至原坡面,隨后采用錨噴網進行整面封閉,錨桿為 φ 22砂漿錨桿,L=2.5 m,鋼筋網 φ 8@20 cm×20 cm,混凝土標號為C20,厚度為 15 cm,具體布置情況見圖2、3。

圖2 塌方段處理橫向布置示意圖

圖3 塌方段處理縱向布置示意圖

從 8月4日起,項目部按第三套方案組織施工。8月4～5日,完成了冒頂漏斗范圍內的支護,8月6～7日,完成了洞內塌方渣料的出渣,8月8～15日,完成了該段邊頂拱的襯砌。完成該段處理共計用時 12 d。

6 結 語

對于公路隧洞淺埋軟弱地質段冒頂,在塌方量不大、小導管成孔比較困難的情況下,采用先支護冒頂邊坡,后出渣,再支護塌方段邊頂拱并進行回填的方法是可行的,具有一定的借鑒意義。