復(fù)雜條件高危隧道施工災(zāi)變工程對策研究

石先火

(中鐵十三局集團(tuán)五公司大廣南項(xiàng)目部，湖北 黃石 435000)

1 工程概況

大慶至廣州高速公路是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的縱五線之一，規(guī)劃全長3460 km，湖北段全長約267 km，由麻城至浠水段147 km、鄂東長江公路大橋段13 km、黃石至通山段107 km三段組成。新建大廣高速公路黃通段第七合同段位于陽新縣境內(nèi)，合同段內(nèi)設(shè)白人巖隧道穿過白人巖山。由于隧道位于鄂東南山區(qū)，地質(zhì)條件惡劣，施工條件差，安全風(fēng)險(xiǎn)大，環(huán)保要求高，在建設(shè)過程中將可能會(huì)遭遇塌方、溶洞突泥涌水以及大變形等一系列嚴(yán)重影響施工安全與進(jìn)度的重大難題。

白人巖隧道位于陽新縣三溪鎮(zhèn)徐立中村附近，起訖里程K218+276～K218+611，全長335 km。設(shè)計(jì)為雙向四車道高速公路，雙連拱斷面形式，單洞隧道建筑限界為10.75 m(寬)×5.0 m(高)，隧道襯砌后單洞凈空面積68 m2。隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕－溶蝕低山丘陵地貌，為低山溝谷地形，切割深度較大，地面相對高差達(dá)135 m，山體成條帶狀，最高自然地面標(biāo)高198.7 m，屬陡坡地形，植被發(fā)育。隧道地層含有角礫亞黏土、黏土、斷層角礫巖，隧道位于一座向斜構(gòu)造山體中。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有巖溶、斷裂帶、采空區(qū)和巖堆體，工區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，降雨集中。地表水豐富，使得整個(gè)淺埋段處于飽和富水巖層，隧道開挖后圍巖局部被地下水帶走，極易發(fā)生坍塌和冒頂。

2 隧道施工難點(diǎn)問題分析

白人巖隧道出口段頂部山體為坡積土覆蓋層，正洞出口段K218+598～K218+587設(shè)計(jì)為Ⅴ類圍巖、K218+587～K218+582因開挖揭示拱部仍為坡積土，(設(shè)計(jì)Ⅲ類)變?yōu)棰纛悋鷰r加強(qiáng)區(qū)進(jìn)行支護(hù)。左線出口端于2010年8月4日進(jìn)洞，現(xiàn)掌子面里程約為K218+581。由于當(dāng)年8月下旬到9月中旬雨量較大，特別是9月13、14日出現(xiàn)兩次大暴雨，造成隧道出口段出現(xiàn)多處險(xiǎn)情和安全隱患。

2.1 仰坡塌陷并伴開裂

K218+581～K218+585段洞身正上方山體仰坡出現(xiàn)兩處沉降塌陷并伴開裂，塌陷面積大小各約為15 m2和20 m2，深度影響直達(dá)洞身拱頂，具體見圖1。

圖1 山體仰坡沉降塌陷與開裂

2.2 存在仰坡滑坡隱患

塌陷位置出現(xiàn)橫向裂縫，有可能造成坡體向洞口方向滑移。

2.3 破壞圍巖穩(wěn)定、影響結(jié)構(gòu)安全

由于土體下陷引起隧道圍巖變形較大，極大程度影響圍巖穩(wěn)定;土體下陷后導(dǎo)致圍巖無法形成自然拱，自撐能力大大減弱，致使頂部豎向荷載全部由初期支護(hù)承擔(dān)，初期支護(hù)嚴(yán)重變形、K218+585～K218+582段拱架下沉超限較大，結(jié)構(gòu)安全受到極大威脅。

2.4 洞內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重突泥突水

K218+581處掌子面出現(xiàn)突泥，土方量約為50 m3。如遇雨水天氣仍將會(huì)出現(xiàn)突泥突水且有加重的趨勢。洞內(nèi)嚴(yán)重突泥突水如圖2所示。

圖2 洞內(nèi)嚴(yán)重突泥突水

2.5 右線二襯混凝土出現(xiàn)裂紋

右線隧道K218+585～K218+597段二襯混凝土拱腰部位出現(xiàn)縱向裂縫，長15 m，寬2 mm，深35 cm。如繼續(xù)受左線隧道洞口仰坡及洞身圍巖較大變形影響，裂縫存在繼續(xù)擴(kuò)展的趨勢，甚至?xí)灤┒r混凝土全部厚度。

3 工程對策與方案

參照隧道工程理論與施工技術(shù)［1］－［3］，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、斷面以及洞口山體等條件，提出了“先穩(wěn)邊仰坡、后加固洞身段、全過程監(jiān)控”的施工原則，并進(jìn)一步分析得出了具體工程對策與方案。

3.1 穩(wěn)定邊仰坡

3.1.1 邊仰坡截水及臨時(shí)防水

隧道洞口邊仰坡塌陷部位上方位置距征地紅線60 cm左右增設(shè)一道攔水埂，覆蓋左右兩個(gè)洞口，截水埂為寬24 cm、高50 cm的矩形截面，與原設(shè)計(jì)截水溝形成完善的截、排水系統(tǒng)，確保洞口及塌陷部位不被暴雨沖蝕。

為防止在邊仰坡防護(hù)未形成時(shí)，邊仰坡尤其是已塌陷部位受雨水沖刷，在雨水來臨前將攔水埂至洞口的邊仰坡全部用防水布覆蓋，防水布幅與幅之間橫向搭接長度不小于50 cm，并用膠帶連接牢固。豎向搭接時(shí)上幅需壓在下幅之上，防止雨水從接縫處流入仰坡坡體。

3.1.2 地表注漿固結(jié)

對仰坡塌陷的兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行加密注漿，間距1.0 m×1.0 m梅花型布置。

施作時(shí)先進(jìn)行塌陷部位的注漿加固。

3.1.3 邊仰坡掛網(wǎng)噴混凝土加固

注漿完畢后對仰坡采用掛網(wǎng)噴混凝土加固，鋼筋網(wǎng)采用20 cm×20 cm網(wǎng)格形式，鋼筋直徑8 mm，噴C20混凝土厚度20 cm。

3.1.4 明洞施作提前閉合

為進(jìn)一步確保仰坡土體不向洞口方向滑移，在處理仰坡的同時(shí)進(jìn)行明洞施作并提前閉合。

靠近洞口兩米范圍內(nèi)明洞仰拱基礎(chǔ)巖石完整且強(qiáng)度高，為避免因爆破動(dòng)力影響洞內(nèi)初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)安全及洞口附近極弱圍巖的穩(wěn)定，基礎(chǔ)部分巖體可不開挖，采用強(qiáng)度高于仰拱的鋼支撐替代原定仰拱的作用，具體作法為:

(1)選用H 17型鋼作為橫向鋼支撐代替仰拱，鋼支撐兩端須與墻身基礎(chǔ)鋼筋連接，形成閉合，橫向鋼支撐的弧度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，弧度應(yīng)有利于鋼支撐發(fā)揮支撐作用，橫向鋼支撐間距50 cm。

(2)為使鋼支撐不發(fā)生位移，在鋼支撐位置打入鎖固錨桿，其規(guī)格為直徑22 cm的螺紋鋼筋，長度須進(jìn)入巖石不小于1 m，外露長度須滿足固定鋼支撐的要求，錨桿間距沿橫向間隔1 m。

(3)原定仰拱以上回填部位按原設(shè)計(jì)施作。

3.2 加固洞身

3.2.1 初期支護(hù)穩(wěn)定段(K218+598～K218+587)加強(qiáng)

該段初期支護(hù)未出現(xiàn)大的變形，但由于其基礎(chǔ)軟弱，已出現(xiàn)明顯下沉，同時(shí)該段緊鄰初期支護(hù)變形破壞段，為防止該段因前段的影響發(fā)生破壞，對該段采取以下措施進(jìn)行加固。

(1)增設(shè)臨時(shí)鋼支撐。根據(jù)初期支護(hù)實(shí)際情況，增設(shè)臨時(shí)型鋼豎向支撐，并增設(shè)橫向臨時(shí)鋼支撐以穩(wěn)定初期支護(hù)及圍巖。

(2)環(huán)向小導(dǎo)管注漿。為進(jìn)一步提高隧道輪廓線周邊近距離圍巖的支撐能力，采用42注漿小導(dǎo)管沿鋼支撐環(huán)向布置注漿加強(qiáng)，環(huán)向間距1 m，小導(dǎo)管長度3.5 m。小導(dǎo)管環(huán)向注漿施工完畢并穩(wěn)定后，分段開挖下導(dǎo)，施做仰拱，及時(shí)封閉成環(huán)。

(3)增設(shè)鎖腳錨管。為增強(qiáng)型鋼拱架基礎(chǔ)的承載力，對每榀左側(cè)鋼拱架基礎(chǔ)增設(shè)兩個(gè)斜向下的鎖腳注漿錨管，錨管選用42注漿小導(dǎo)管，長3.5 m，斜向下角度45°。

3.2.2 初期支護(hù)變形侵限段(K218+587～K218+581)處理

該段初期支護(hù)下沉較大，部分下沉已侵限，部分噴混凝土已開裂脫落，該段初期支護(hù)須重新施作并加強(qiáng)。

(1)雙層超前小導(dǎo)管超前支護(hù)。針對本隧道的特點(diǎn)，在該段采用雙層42小導(dǎo)管超前支護(hù)作為開挖時(shí)確保圍巖穩(wěn)定的輔助措施，其參數(shù)為:每層導(dǎo)管環(huán)向間距30 cm，長度均為4.5 m，角度第一層為15°，第二層為30°，上下兩層導(dǎo)管須交錯(cuò)布置，搭接水平投影長度不小于1 m，具體見圖3。

圖3 雙層超前小導(dǎo)管超前支護(hù)布置

(2)環(huán)向小導(dǎo)管注漿。為進(jìn)一步提高隧道輪廓線周邊近距離圍巖的支撐能力，采用42注漿小導(dǎo)管沿鋼支撐環(huán)向布置注漿加強(qiáng)，環(huán)向間距1 m，小導(dǎo)管長度3.5 m。

(3)卸架撬頂。在環(huán)向小導(dǎo)管注漿施作完畢且圍巖穩(wěn)定后，按照先卸鋼架后撬頂?shù)牟襟E處理拱頂下沉，直至恢復(fù)原設(shè)計(jì)隧道輪廓線。

(4)重做強(qiáng)支護(hù)。在恢復(fù)原設(shè)計(jì)隧道輪廓線后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)施作，并且提高初期支護(hù)的支撐能力強(qiáng)度，即采用雙層型鋼支撐縱向疊加，間距0.5 m，其他支護(hù)方式及參數(shù)同原設(shè)計(jì)。此步須緊跟卸架撬頂，具體在施作過程中應(yīng)拆除一榀更換一榀完善一榀。

3.2.3 過渡段(K218+581～K218+571)施工

過渡段洞身加強(qiáng)支護(hù)方式及參數(shù)與拱架下沉段相同，從掌子面所揭露的巖體及上覆土層關(guān)系分析，過渡段長度應(yīng)從目前掌子面往進(jìn)口方向不小于10 m，即K218+581～K218+571區(qū)段。

過渡段掘進(jìn)須按照短進(jìn)尺弱爆破的原則進(jìn)行，每循環(huán)進(jìn)尺不超過1 m。

圖4 白人巖隧道左線出口段山體塌陷及拱頂下沉處理程序

3.3 加強(qiáng)監(jiān)控量測

(1)邊仰坡變形觀測。為便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊仰坡變形，在仰坡塌方區(qū)域沿隧道軸向及橫向各設(shè)置三個(gè)變形觀測點(diǎn)，每天觀測3次，根據(jù)觀測結(jié)果及時(shí)處理。

(2)洞身段變形監(jiān)測。增加左線出口段初期支護(hù)段變形觀測頻率并增設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)做好右洞出口段襯砌的變形觀測。

4 施工組織與工藝

依據(jù)隧道工程理論與技術(shù)［4］－［7］，為確保能及時(shí)、安全地處理好該段存在的險(xiǎn)情和隱患，成立專門的處理工班，調(diào)遣經(jīng)驗(yàn)豐富的施工人員組成該工班;同時(shí)配置專業(yè)的施工機(jī)械以滿足該段處理施工的需要。白人巖隧道左線出口段山體塌陷及拱頂下沉處理程序見圖4。

5 結(jié)論

(1)由于地質(zhì)與山體條件較差，加上暴雨天氣的影響，新建大慶至廣州高速公路湖北省黃石至通山段白人巖隧道施工中出現(xiàn)了洞口段山體塌陷、邊仰坡開裂、洞身段拱頂下沉以及突泥突水等嚴(yán)重險(xiǎn)情和安全隱患，一旦處理不及時(shí)或不得力則可能造成重大安全事故。

(2)結(jié)合隧道地質(zhì)、斷面以及洞口山體等條件提出的“先穩(wěn)邊仰坡、后加固洞身段、全過程監(jiān)控”的施工原則以及穩(wěn)定邊仰坡、加固洞身段、圍巖實(shí)時(shí)監(jiān)控和施工組織與工藝等技術(shù)很好地穩(wěn)定了邊仰坡、控制洞身段拱頂下沉，并可保證坑內(nèi)不積水且未引起次生的洞內(nèi)突水突泥。

［1］關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003

［2］陳豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1995

［3］張鴻，方華.北晨亭隧道洞口山體滑坡及初支裂縫綜合治理研究［J］.中外公路，2008，28(6):159－163

［4］李剛.淺談鐵路隧道洞口及明洞段邊坡防護(hù)［J］.山西建筑，2010，36(11):327－328

［5］賈金青，王海濤，宓榮三.隧道洞口滑坡穩(wěn)定性分析及滑坡治理［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(5):735－738

［6］賈劍青，王宏圖，李晶，等.復(fù)雜條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2010，31(11):3599－3603，3618

［7］方建勤，廖樹忠.隧道施工對洞口邊坡穩(wěn)定性影響研究［J］.公路，2009(12):192－195