強地震后松散巖體中的隧道塌方處理技術(shù)研究

趙玉虎

(中交一公局橋隧工程有限公司，北京100070)

巖體經(jīng)強震后，顆粒之間的粘結(jié)受到嚴(yán)重破壞，巖體表現(xiàn)為松散，抗拉強度極低，圍巖更易產(chǎn)生松弛大變形，更易發(fā)生隧道塌方事故。塌方治理不易，若不根據(jù)具體情況對癥下藥，很難將其根治，經(jīng)常出現(xiàn)邊治邊塌的情況;塌方治理不徹底，也將會為隧道運行期造成安全隱患。因而在施工過程中要重視信息化施工，重視監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報工作，及時采取措施，防止塌方發(fā)生［1］～［4］。

1 隧道工程概況

汶川“5·12”地震災(zāi)后重建工程唐家山隧道為單洞雙向行車隧道，起訖樁號為K0+865～K4+375，隧道總長3 510 m。隧道凈寬9.0 m，凈高5.0 m。隧道采用上下臺階法分部開挖。

隧址區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上屬北川－映秀大斷裂的北西側(cè)，以巖質(zhì)隧道為主。根據(jù)鉆探揭示，隧道圍巖體涉及地層為含粉土角礫、含粉土碎(塊)石、寒武系下統(tǒng)清平組(C—c1)粉砂巖夾千枚巖、灰?guī)r和碳硅質(zhì)千枚巖;地下水主要為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水。受“5·12”地震影響，隧址區(qū)巖層受到強烈的構(gòu)造變形，巖體松散破碎，富水含泥，粘結(jié)力差，自穩(wěn)能力極差，屬于富水性較強的構(gòu)造破碎帶。隧道塌方處圍巖為強風(fēng)化粉砂巖，受強地震影響，節(jié)理裂隙極發(fā)育，呈網(wǎng)狀，巖芯呈小碎塊狀，巖體破碎，呈散體－碎裂狀。

2 塌方描述及探測

圖1 塌方現(xiàn)場

2010年3月17日上午12:30左右，唐家山隧道里程K0+905處開挖上臺階時拱頂發(fā)生塌方事故，方量約30 m3，見圖1。上臺階毛洞開挖時跨度約11 m，高度約3.5 m。

2.1 普氏平衡拱理論分析［5］

前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)·M·普洛托雅克諾夫(簡稱普氏)以松散理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為在松散介質(zhì)中開挖隧道后，隧道上方將形成拋物線的平衡拱(圖2)，平衡拱高度h為:

式中:b為平衡拱的半跨度(m);fm=R/10，為巖石堅固性系數(shù)。

其中:R巖石的抗壓極限強度(MPa)，取值應(yīng)考慮巖石天然層理、裂隙及節(jié)理的影響。

經(jīng)計算，唐家山隧道上臺階開挖形成的平衡拱高度約為8 m。

圖2 平衡拱寬度示意

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是利用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置的電磁技術(shù)。其特點是快速便捷、分辨率高、地位準(zhǔn)確、探測和處理數(shù)據(jù)速度快、不影響施工，是當(dāng)前國際上最先進(jìn)的地球物理勘探手段之一［6］。

本次塌方空洞探測的測線布置和分析后結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 測線布置

圖4 空洞與隧道位置關(guān)系

(1)空洞方位:空洞位于隧道左上方，空洞中心距隧道軸線約1.8 m，與豎直方向成20°角。

(2)空洞尺寸:寬3.1 m(隧道橫斷面方向)，長2.8 m(洞軸線方向)，高約4 m。

與普氏理論計算結(jié)果比較，探測空洞范圍基本處于平衡拱范圍內(nèi)。

3 事故原因分析

(1)地質(zhì)條件太差，設(shè)計初期支護(hù)略顯薄弱。此次塌方里程K0+905正好位于洞口40 m長管棚完畢處，由于“5·12”地震，該處巖層受到強烈的構(gòu)造變形，巖體松散破碎，富水含泥，粘結(jié)力差，屬于富水性較強的構(gòu)造破碎帶。設(shè)計初期支護(hù)由系統(tǒng)錨桿、φ8(間距20 cm×20 cm)雙層鋼筋網(wǎng)、26 cm厚C20噴射混凝土、18工字鋼(縱距50 cm)鋼拱架結(jié)合超前小導(dǎo)管組成。

采用上述設(shè)計支護(hù)難以滿足圍巖的穩(wěn)定，圍巖自穩(wěn)時間短，來不及噴混凝土就發(fā)生局部牽連性的小塌方。此外圍巖粘結(jié)力差，錨桿錨固力降低致使整個初期支護(hù)強度隨之降低。

(2)監(jiān)控量測信息反饋不及時，未能及時發(fā)現(xiàn)存在塌方隱患，以致沒有及時采取可靠的預(yù)防措施。

(3)施工過程中未能重視超前地質(zhì)預(yù)報工作。該段隧道施工中未進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，未能及時了解前方地質(zhì)情況。

4 塌方處理方案

經(jīng)過雷達(dá)探測分析后，確定塌方處理措施為:先采用C20噴射混凝土封閉掌子面，然后用小導(dǎo)管注漿固定洞身周圍的松散土體，塌方空腔采用M20水泥砂漿填充，洞身開挖增設(shè)16 m長φ108大管棚加強支撐。具體施工步驟如下。

(1)先采用20 cm厚C20噴射混凝土(掛φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20 cm×20 cm)封閉掌子面，見圖5。

圖5 掌子面封閉

(2)施工第一排小導(dǎo)管37根，鋼管長度3.5 m，環(huán)向間距40 cm，打入角度30°～35°。小導(dǎo)管采用外徑42 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管上鉆φ6注漿孔，間距15 cm，左右對稱布置在圓心角為145°的頂弧上。

(3)注漿:將小導(dǎo)管編號，先注奇數(shù)號，后注偶數(shù)號。注漿過程中出現(xiàn)冒漿時，暫停注漿10～30 min，并采取堵塞措施;如果長時間壓力不上升，也暫停注漿10～30 min，然后換孔再進(jìn)行注漿，以控制注漿量。漿液采用水泥－水玻璃雙液漿，水灰比為1∶1，水玻璃濃度為35波美度，模數(shù)2.4，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。注漿參數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場實驗按實際情況確定。

(4)施工第二排小導(dǎo)管16根，鋼管長度3.5 m，環(huán)向間距40 cm，打入角度50°～55°。考慮到塌方中心位于拱頂左側(cè)，因此在拱頂左側(cè)約44°范圍內(nèi)布置9根鋼管，右側(cè)約30°范圍內(nèi)布置6根(圖6)，6#～8#孔采用無孔鋼管，先注M20水泥砂漿，壓力達(dá)到2.0 MPa時停止注漿，然后對其它孔進(jìn)行注水泥漿，注漿要求同第(3)步。

(5)施工大管棚，環(huán)向間距45 cm，長度16 m，角度控制在7°，大管棚采用φ108，壁厚6 mm，節(jié)長3 m、6 m的熱軋無縫鋼管。管棚內(nèi)均勻植入3根φ22鋼筋，并與管棚內(nèi)壁緊貼。漿液采用水泥－水玻璃雙液漿，注漿參數(shù)同第(3)步。導(dǎo)向墻采用工字鋼臨時支撐搭設(shè)。

(6)填充塌方空腔。塌方空腔采取在下方打鋼管的方式注漿，根數(shù)兩根，角度為68°～72°，長度1#管4.5 m，2#管直抵巖面(預(yù)計長度5 m)，主要對1#孔注M20水泥砂漿。注漿過程中，如果2#孔冒漿，應(yīng)立即堵塞，并繼續(xù)注漿，當(dāng)壓力達(dá)2.0 MPa時，繼續(xù)注漿10 min后停止注漿。

(7)開挖，并進(jìn)行臨時支撐。臨時支撐按Ⅴ級圍巖襯砌的上半斷面實施，工字鋼每環(huán)5片，鋼筋網(wǎng)為單層，鎖腳錨桿按原設(shè)計長350 mm、D25中空注漿方式施工，徑向錨桿不施工。臨時襯砌長度為3.0 m，掘進(jìn)進(jìn)尺為1榀臨時拱架，施工時注意留好核心土。臨時支撐完成后，按正常設(shè)計進(jìn)行掘進(jìn)施工。

(8)正常掘進(jìn)10 m后(或根據(jù)實際施工情況)，返回拆除臨時支撐，并按設(shè)計要求進(jìn)行襯砌。拆除進(jìn)尺為50 cm，拆除后施工的第一榀拱架增設(shè)一環(huán)超前小導(dǎo)管，每拆除一環(huán)后立即按設(shè)計進(jìn)行初期支護(hù)。初期支護(hù)完成后，及時跟上二次襯砌。施工設(shè)計圖如圖6、圖7所示。

圖6 立面布置

圖7 縱剖面布置

從處理效果看，本次塌方處理采取的措施是正確的、及時的。通過處理，加強了支護(hù)措施和襯砌結(jié)構(gòu)強度，較穩(wěn)妥、安全、順利地通過了改塌方段。經(jīng)過設(shè)點觀測，未發(fā)現(xiàn)拱頂下沉變形現(xiàn)象，處理效果較好。

5 結(jié)論和建議

本文較為詳細(xì)的介紹了富水軟弱破碎圍巖隧道塌方處理的全過程，根據(jù)本次處理措施，對預(yù)防和處理類似圍巖中的隧道塌方有以下認(rèn)識和體會。

(1)新奧法在我國隧道施工中已被廣泛采用，但在實踐中人們對其原理的理解和實施仍有一定的距離。“設(shè)計－施工－量測－設(shè)計”是新奧法的根本所在，屬動態(tài)信息管理［6］。而實際中人們只是執(zhí)行了量測－施工，往往忽略了量測－設(shè)計，在類似圍巖地段加強施工監(jiān)控量測，及時反饋信息指導(dǎo)設(shè)計、施工顯得尤為重要。

(2)本次塌方處理方案是建立在對隧道圍巖及塌方空洞的充分認(rèn)識基礎(chǔ)上的。其中地質(zhì)雷達(dá)的空洞探測為方案設(shè)計和塌方處理起到了很好的作用。

(3)本次塌方正好位于大管棚完畢處，說明在松散巖體中選取適當(dāng)?shù)某爸ёo(hù)尤為重要。

(4)隧道塌方的原因復(fù)雜多樣，但地質(zhì)因素是決定性的。因此預(yù)防隧道塌方的根本措施是加強工程地質(zhì)及水文地質(zhì)工作［7］。包括運用先進(jìn)的科技手段對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行探測、預(yù)報、分析等工作，為設(shè)計提供依據(jù)及指導(dǎo)工程施工。

［1］李志厚.公路隧道特大塌方病害處治方法研究［D］.西安:長安大學(xué)，2004

［2］許向?qū)?地震烈度區(qū)山體變形破裂機制地質(zhì)分析與地質(zhì)力學(xué)模擬研究［D］.成都理工大學(xué)，2006

［3］陳亞林.隧道塌方原因與處理［J］.廣東地質(zhì)，2006(2):1－5

［4］劉傳孝，楊水杰，蔣金泉.探地雷達(dá)技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，1998(6):99－101

［5］朱漢華，尚岳全，符文熹，等.公路隧道設(shè)計與施工新法［M］.北京:人民交通出版社，2002

［6］陳豪熊，殷杰.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2003

［7］何曉東.巖穩(wěn)定性與塌方處置措施分析［D］.西安:長安大學(xué)，2009