軟弱地質(zhì)淺埋大斷面隧道地表塌陷處理研究

高 龍

(中鐵十三局集團(tuán)公司 貴廣鐵路工程指揮部，廣西 賀州 542600)

新建貴廣鐵路是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點(diǎn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km的國(guó)家高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線。因受地形、地質(zhì)條件限制，隧道占全線比例高達(dá)85.42%。由于隧道必須滿(mǎn)足高速鐵路需要，其開(kāi)挖斷面面積達(dá)150 m2以上，屬鐵路大斷面隧道。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，加上位于西南山區(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，故在建設(shè)過(guò)程中將可能會(huì)遭遇塌方、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。

東科嶺隧道位于廣西省賀州市鐘山縣紅花鄉(xiāng)境內(nèi)，起止里程 DK553+830—DK558+710，全長(zhǎng)4 880 m，隧道最小埋深20 m左右，最大埋深581 m。隧道進(jìn)口800 m為全～強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖、出口600 m為灰?guī)r、中部約3 400 m為砂巖夾頁(yè)巖;隧道上覆蓋層為軟土、粉質(zhì)黏土和紅黏土。特別是DK554+195到DK554+600共405 m段，地形為小盆地狀，上為農(nóng)田，下伏向斜構(gòu)造全風(fēng)化花崗巖堆積體。堆積體上部是卵石土、碎石土，局部夾黏土層形成富水層，埋深為20～41 m。地表有水田和常年流水水溝經(jīng)過(guò)隧道頂部，同時(shí)在線路左前側(cè)有一水庫(kù)和一片沼澤地，使得整個(gè)淺埋段處于飽和富水巖層，極易發(fā)生坍塌和冒頂。

1 隧道施工與高強(qiáng)支護(hù)及其效果

依據(jù)隧道工程施工技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)、斷面以及埋深等條件，采用“光面爆破、噴錨緊跟、監(jiān)控量測(cè)、及時(shí)反饋和修正”的新奧法施工。同時(shí)，選用快速高效的大型機(jī)械配套施工，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖出渣機(jī)械施工作業(yè)線，噴錨機(jī)械配套作業(yè)線，襯砌臺(tái)車(chē)作業(yè)線相配合的一條龍作業(yè)。對(duì)于軟弱圍巖地段，堅(jiān)持“短進(jìn)尺、弱(不)爆破、快封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤測(cè)量、緊襯砌”原則并及時(shí)封閉成環(huán)。

1.1 軟弱圍巖段施工方案

1)淺埋軟弱圍巖段施工。根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況及斷面設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)裝備和多年隧道施工經(jīng)驗(yàn)，洞口淺埋及偏壓段采用大拱腳臺(tái)階法、CRD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。該段屬?lài)鷰r地質(zhì)條件較差地段，設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)Ⅱ型支護(hù)。支護(hù)形式為施作超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)，開(kāi)挖后噴混凝土、架設(shè)鋼拱架及掛設(shè)鋼筋網(wǎng)相結(jié)合的加強(qiáng)型支護(hù)。

2)斷層及破碎帶施工。破碎帶內(nèi)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，容易引起掉塊和小塌方，對(duì)隧道穩(wěn)定性有一定影響。隧道地下水主要有上層滯水和孔隙潛水，溶洞水，破碎帶內(nèi)含水豐富，對(duì)隧道危害極大。施工時(shí)根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)掌子面前方及圍巖情況，短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)以及加快二次襯砌進(jìn)度，保證仰拱距掌子面距離不超過(guò)40 m，二次襯砌距掌子面不超過(guò)90 m。

3)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與圍巖監(jiān)控量測(cè)。高度重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。對(duì)DK554+221—DK554+321段進(jìn)行了TSP探測(cè)，探測(cè)結(jié)果判斷基巖為灰黑、乳白、淡黃色中～粗粒似斑狀花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化，性軟;節(jié)理不甚發(fā)育，掌子面經(jīng)常滲水;可用鎬、鋤開(kāi)挖，錘擊后可呈散粒狀，屬Ⅴ級(jí)圍巖級(jí)別，整個(gè)巖體破碎，自穩(wěn)能力差。DK554+221—DK554+235圍巖波速較低，無(wú)明顯反射界面，圍巖泊松比變化。巖體結(jié)構(gòu)破碎，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，富含地下水。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)斷面按照不超過(guò)10 m布置，重點(diǎn)放在對(duì)拱頂下沉、型鋼拱內(nèi)力、周邊收斂量測(cè)項(xiàng)目上。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間觀測(cè)發(fā)現(xiàn)拱頂下沉量測(cè)值隨時(shí)間推移逐漸增大，并有擴(kuò)張趨勢(shì)。

4)隧道防排水。洞口設(shè)置防水系統(tǒng)，做好溝渠規(guī)劃，防止雨水等下灌。對(duì)洞頂淺埋段(DK554+221—DK554+321)，在施工至該里程前在地表常年水溝內(nèi)鋪設(shè)雙層防水塑料布，防止水流下滲引起塌陷。掘進(jìn)過(guò)程中防水措施還采取地質(zhì)預(yù)報(bào)，超前探測(cè)前方破碎帶，再利用超前注漿改善圍巖的滲透性，從而確保開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中的安全。

1.2 軟弱圍巖段施工方案效果分析

隧道進(jìn)口于2009年3月12日開(kāi)工，采用上、下臺(tái)階開(kāi)挖386 m，仰拱完成360 m，二次襯砌329 m。隧道出口于2009年4月17日開(kāi)工，共完成掌子面掘進(jìn)673 m。東科嶺進(jìn)口2010年1月19日下午16時(shí)30分突然發(fā)生突泥突水，至2010年1月26日17時(shí)40分，連續(xù)突水突泥7次，累計(jì)突水突泥達(dá)9 100 m3，并由此發(fā)生隧道頂部地表塌陷(見(jiàn)圖1)。

圖1 突泥突水后地表塌陷

鑒于東科嶺隧道地質(zhì)條件極差、埋深淺且必須開(kāi)挖出大斷面高標(biāo)準(zhǔn)隧道等因素，在采用最為保守的施工方法并進(jìn)行最高級(jí)別的高強(qiáng)度支護(hù)后，仍然不可避免地出現(xiàn)了隧道突泥突水、塌方并引起地表塌陷等事故。由此影響了工程的安全和質(zhì)量，并造成工程停滯不前等極為嚴(yán)重的后果。

2 工程對(duì)策及效果分析

2.1 地表排水改移

按盡量避免水流進(jìn)入隧道址區(qū)范圍的原則，地表常年流水水溝改移至遠(yuǎn)離塌陷區(qū)位置，同時(shí)在水溝內(nèi)鋪設(shè)雙層防水板，防止水流下滲引起再次塌陷。另外，用兩臺(tái)水泵晝夜抽排坑內(nèi)積水，保證坑內(nèi)無(wú)積水，防止引起次生的洞內(nèi)突水突泥。

2.2 地表塌陷區(qū)處理

首先，清除坑壁四周的碎石等松散雜物。其次，對(duì)塌坑邊坡采用錨噴網(wǎng)防護(hù)。采用長(zhǎng)度為3 m的φ22 mm砂漿錨桿，間距1 m×1 m梅花形布置，加 φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，C25噴射混凝土10 cm厚。最后，塌坑底部采用 φ42 mm豎向鋼花管注漿，鋼花管長(zhǎng)度為8～9 m，間距1 m×1 m梅花形布置，四周采用雙排鋼花管注漿，長(zhǎng)度為8～12 m，間距為1 m，角度為45°至60°。在注漿的過(guò)程中采用 φ8 mm鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)塌坑底面并與鋼管連接，噴射20 cm厚混凝土以避免順管壁往地面嚴(yán)重返漿現(xiàn)象。塌陷區(qū)處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 塌陷區(qū)處理結(jié)果

2.3 旋噴樁處理

除了對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行排水及清理與防護(hù)外，還對(duì)其進(jìn)行旋噴樁加固處理。

1)旋噴樁加固處理方案。結(jié)合隧道地質(zhì)及實(shí)際情況，在DK554+195—DK554+530范圍沿隧道拱頂開(kāi)挖輪廓以?xún)?nèi)5 m范圍，固結(jié)洞頂軟弱圍巖;沿隧道開(kāi)挖拱角線以外，做雙層旋噴樁帷幕止水墻。旋噴樁采用雙管工藝施工，成樁直徑≥50 cm，間距1.0 m，梅花形布置帷幕止水墻嵌入弱風(fēng)化層≥1.0 m。

2)旋噴樁試驗(yàn)參數(shù)。為檢驗(yàn)旋噴樁實(shí)際效果，選擇卵石土覆蓋層和風(fēng)化花崗巖兩個(gè)具有代表性的地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行各一組試驗(yàn)。每組兩個(gè)孔，孔中心距為60 cm，深度8～10 m。參考相同和相似地質(zhì)條件所做過(guò)的高壓旋噴工程的資料和本次工程技術(shù)措施的要求，確定的施工技術(shù)參數(shù)列于表1。

表1 水泥噴漿參數(shù)

3)旋噴樁試驗(yàn)及效果分析 旋噴過(guò)程中，風(fēng)化花崗巖層的孔口溢漿量略大于覆蓋層的溢漿量，成樁的水泥平均耗量為270 kg/m左右。對(duì)于深8～10 m樁孔，造孔速度較慢，時(shí)間大約為4 d，其主要原因是卵石土自穩(wěn)性差，卵石土中卵石含量占30%左右，有個(gè)別大塊漂石。

為分析旋噴結(jié)果，分別對(duì)覆蓋層和花崗巖風(fēng)化層各一組試驗(yàn)樁進(jìn)行開(kāi)挖檢測(cè)，因條件所限，開(kāi)挖深度僅為5 m左右。經(jīng)測(cè)量，兩組試驗(yàn)樁均成形較好，樁身均勻完整，無(wú)凹凸現(xiàn)象。在覆蓋層中的樁徑達(dá)550～600 mm，兩樁搭接為2～8 cm;在花崗巖風(fēng)化層中，樁徑為500～550 mm，試驗(yàn)樁結(jié)果如圖3所示。

圖3 全風(fēng)化巖層中試樁結(jié)果

從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果看，在隧道兩側(cè)止水墻樁中心距在0.50 m的前提下，在風(fēng)化花崗巖地層中的成樁樁徑可達(dá)500～550 mm，其效果較好。

3 工程方案優(yōu)化分析

盡管工程對(duì)策較為有力且效果較好，但為確保施工安全、質(zhì)量與工期，還須進(jìn)一步對(duì)工程方案及措施進(jìn)行優(yōu)化。借鑒類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，采用地表旋噴樁止水墻與井點(diǎn)降水聯(lián)合防排水的方法。

圖4 旋噴樁與井點(diǎn)降水結(jié)合處理方案(單位:cm)

由于地表水補(bǔ)充量較大，堆積向斜構(gòu)造巖體破碎極易富水。單采用降水施工周期較長(zhǎng)，且補(bǔ)給源太多，效果不一定很好，故應(yīng)對(duì)該段進(jìn)行旋噴止水墻加固配合井點(diǎn)降水施工。在隧道兩側(cè)開(kāi)挖線以外5 m施工旋噴樁帷幕止水墻，按照間隔1.0 m梅花形雙排布置旋噴樁，每隔50～100 m再施工一道隧道橫向旋噴帷幕止水墻。降水井沿隧道兩側(cè)按照間隔10 m一個(gè)布置，隧道橫向沿旋噴帷幕止水墻按照6 m一個(gè)布置(見(jiàn)圖4)。處理范圍為DK554+196—DK554+600。

4 結(jié)論

1)對(duì)于軟弱地質(zhì)、大斷面以及淺埋隧道，即使采用“短進(jìn)尺、弱(不)爆破、快封閉、強(qiáng)支護(hù)”進(jìn)行施工，也會(huì)出現(xiàn)突泥突水、塌方和地表塌陷等事故并造成嚴(yán)重后果，在建設(shè)中必須高度重視。

2)地表水移離塌陷區(qū)能防止水流下滲引起再次塌陷。按先清理、掛網(wǎng)噴漿支護(hù)，再注漿防護(hù)的工藝進(jìn)行地表塌陷區(qū)處理，可保證坑內(nèi)不積水并防止次生的洞內(nèi)突水突泥。

3)由施工結(jié)果及檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧道兩側(cè)止水墻高壓旋噴樁中心距0.50 m時(shí)，旋噴樁加固處理后在風(fēng)化花崗巖地層中的成樁樁徑可達(dá)500～550 mm，其效果較好，此方法可行。

4)為確保施工安全、質(zhì)量與工期，還須進(jìn)一步對(duì)諸如地表旋噴樁止水墻加井點(diǎn)降水聯(lián)合防排水工程進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其效果進(jìn)一步研究。

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