黃土隧道富水塌方變形段處理

【摘要】本文以石樓隧道出口端黃土隧道施工為背景，由于該段工程順線路方向存在偏壓、富水、圍巖軟弱、巖性破碎、自穩(wěn)能力極差等不良地質(zhì)，在施工過程中出現(xiàn)了較大范圍的塌方，本文分析了產(chǎn)生塌方變形的原因，并給出了相應(yīng)的處理方案，有效解決了圍巖加固、沉降及收斂控制等問題，從而為今后類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】黃土隧道 軟弱圍巖 富水 塌方

1.工程概況

石樓隧道全長12807m，為單洞雙線特長隧道，施工中共設(shè)置斜井4座。隧址區(qū)位于呂梁山西坡，黃河左岸黃土梁峁區(qū)，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。海拔高程1055～1297m，相對(duì)高差10～252m。隧道山頂有深切沖溝，溝底距洞頂3.27～97m。隧道進(jìn)口端與出口端均處于黃土與第三系黏土分界處。

隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造構(gòu)造單一，地層簡單，地層層序?yàn)榈谒南敌隆⒗宵S土、第三系粉質(zhì)黏土，具弱～中等膨脹性，呈散體結(jié)構(gòu)，下伏三疊系泥巖與砂巖。隧道表覆第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土，第四系中更新統(tǒng)洪積層（Q2pl）老黃土，第三系（N2）粉質(zhì)黏土，下伏三疊系（T2e）泥巖與砂巖。

地下水主要為孔隙水及基巖裂隙水，賦存于第四系老黃土、第三系粉質(zhì)黏土及三疊系中統(tǒng)二馬營組砂巖、泥巖裂隙及風(fēng)化層中。埋深1.1～190.7m，高程（1059.34～1174.89m），水位隨季節(jié)變化幅度2～3m，主要受大氣降水補(bǔ)給影響，以蒸發(fā)及人工開采方式排泄。DK231+670～DK233+175段通過山谷淺埋段，富集大量孔隙水及基巖裂隙水，雨季水量增加，出水量10～15m3/h。

隧道斷面尺寸為9.85m*7.7m（凈寬*凈高）。塌方段揭露地層為第三系粉質(zhì)黏土，硬塑，夾多層鈣質(zhì)結(jié)合層，土質(zhì)軟硬不均，土體節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈微張狀，局部裂隙呈張開狀，結(jié)構(gòu)面結(jié)合一般，呈塊狀結(jié)構(gòu)。掌子面潮濕，拱頂見線狀滲水，中下導(dǎo)兩側(cè)邊墻見線狀滲水，兩側(cè)拱腳處滲水呈股狀。掌子面與二襯間的初支兩側(cè)邊墻出現(xiàn)大面積滲水濕跡，拱部雨滴狀滴水，已施做的二襯泄水孔見股狀水。仰拱處積水，設(shè)集水井用水泵排水。

2.塌方變形情況

隧道出口端施工至DK232+878時(shí)，監(jiān)控量測(cè)結(jié)果反饋出異常情況，日最大拱頂沉降量達(dá)190.07mm，詳見表2-1，隨著下沉量的增加，DK232+912.3～DK232+905段出現(xiàn)初期支護(hù)變形開裂、DK232+905～DK232+878段發(fā)生塌方。

造成變形塌方的主要原因?yàn)樵摱挝恢脛傔^淺埋段，淺埋段下穿河道（河溝底里程為DK232+930），淺埋段河溝往小里程方向有一豎直高坎，高坎相對(duì)高差48m，存在順線路方向的偏壓，如圖2-2所示；隧道區(qū)裂隙水發(fā)育，呈線狀流出，開挖后因裂隙水流出、浸泡土體軟化，呈可塑或軟塑態(tài)、自穩(wěn)能力極差，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力急劇增大，且經(jīng)地下水長時(shí)間浸泡基礎(chǔ)軟化，仰拱及拱腳基底承載力降低，從而造成沉降異常，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形開裂、塌方。

3.塌方變形段處理方案

3.1應(yīng)急處理措施

出現(xiàn)異常后，在保證人員、設(shè)備安全的前提下決定采取立即采用回填反壓、洞內(nèi)引流排水、臨時(shí)鋼支撐、徑向小導(dǎo)管注漿加固等一系列的措施對(duì)異常情況進(jìn)出處理，防止其進(jìn)一步發(fā)展、惡化。

3.1.1.回填反壓、洞內(nèi)引流排水

從碴場(chǎng)回運(yùn)棄土進(jìn)行反壓夯實(shí)至上導(dǎo)坑位置，并

在洞內(nèi)設(shè)置集水井、布設(shè)引水管路，將掌子面的水及時(shí)抽至已設(shè)置好的集水井里，再通過集水井將水及時(shí)排出洞外，最大限度減少地下水浸泡土體。

3.1.2.臨時(shí)鋼支撐

臨時(shí)鋼支撐分為橫向支撐和斜支撐，橫向支撐每兩榀拱架設(shè)置一道，斜支撐從隧道中線所在的填充面向左右線初支面各設(shè)置一道，支撐均由兩根I20a工字鋼并在一起焊接而成，支撐與隧道結(jié)構(gòu)接觸面采用方木楔緊。

3.1.3.徑向小導(dǎo)管加固注漿

徑向注漿采用風(fēng)槍在初支面上以2m×2m的間距梅花行布孔，孔深4.5m，安裝注漿管，注漿管采用φ42無縫鋼管在加工場(chǎng)加工而成，如圖3-1所示，現(xiàn)場(chǎng)安裝。安裝完注漿管后進(jìn)行注漿，注漿漿液采用1：1單液漿，注漿壓力控制在1.5Mpa以上，注漿順序按梅花形交錯(cuò)進(jìn)行。

圖3-1 注漿管大樣圖

3.2塌方、變形段處理施工方案

石樓隧道DK232+912.3～DK232+905初期支護(hù)變形開裂段、DK232+905～DK232+878塌方段采取超前長管棚注漿后換拱，超前小導(dǎo)管注漿、雙層鋼拱架、拱架間型鋼連接、增加鎖腳錨管加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)對(duì)仰拱基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固的方案進(jìn)行處理，施工順序?yàn)椋簩?dǎo)向墻施工→長管棚施工→管棚注漿→換拱→仰拱注漿處理→仰拱施作→導(dǎo)向墻拆除→防排水層、二襯施工。

3.2.1.長管棚施工

（1）施作導(dǎo)向墻

首先在DK232+913.5～911.5段施作C35混凝土套拱作為長管棚的導(dǎo)向墻，套拱緊貼著原初支面施作，套拱以已施作的仰拱作為基礎(chǔ)，套拱寬2m，厚1m，內(nèi)埋設(shè)5榀I20a工字型鋼支撐間距50㎝，拱架間以Φ22鋼筋縱向連接，由于二襯離變形段太近無法施作管棚工作室，以與襯砌外緣線11°46′6″的夾角焊接2.5m長φ140mm的導(dǎo)向管，鋼支撐與管棚導(dǎo)向管用Φ22鋼筋固定焊成整體。導(dǎo)向管支撐穩(wěn)固后，進(jìn)行模板安裝及C35砼澆筑。等換拱至DK232+895時(shí)，再在DK232+895～DK232+893施作一個(gè)導(dǎo)向墻，施作24m長管棚，兩管棚搭接長度6m。

（2）施做長管棚

在DK232+911及DK232+894處全環(huán)（包括上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階）施作大管棚，大管棚設(shè)計(jì)參數(shù)：

①大管棚采用熱軋無縫鋼管 φ108，壁厚6mm，節(jié)長分別為3m、6m；②管距：環(huán)向間距30cm；③傾角：第一次施作的管棚鋼管與襯砌外緣線夾角為11°46′6″，第二次施作的管棚鋼管與襯砌外緣線夾角為3°；④管棚長度為24m，鋼管接頭采用φ114×6mm，長15cm絲扣連接，同一端面內(nèi)接頭數(shù)量不得超過總鋼管數(shù)的50%，相鄰鋼管的接頭至少錯(cuò)開1m；⑤DK232+894處導(dǎo)向管采用φ140無縫鋼管導(dǎo)向。大管棚施工如圖3-2、3-3所示。

超前管棚采用外徑108mm壁厚6mm的熱軋無縫鋼管加工制成，長3m/6m，內(nèi)設(shè)鋼筋籠，如圖3-4所示。鋼管兩端分別車上陰陽螺紋，鋼管間采用絲扣連接，接成24m的長管棚，鋼花管上鉆注漿孔，孔徑10～16mm，孔間距15cm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段110cm；管棚前端加工成錐形，為使鋼管接頭錯(cuò)開，編號(hào)為奇數(shù)的第一節(jié)管采用3米鋼管，編號(hào)

為偶數(shù)的第一節(jié)采用6米鋼管。

3.2.2.注漿

全斷面長管棚注漿采用水泥漿，水泥漿液水灰比1：1（重量比）。注漿壓力控制在1.5Mpa以上，注漿結(jié)束后用M7.5水泥砂漿充填鋼管，以增強(qiáng)管棚強(qiáng)度。在初期支護(hù)混凝土表面徑向施作中空注漿錨桿，錨桿長3.5m，間距1m，呈梅花形布置，全環(huán)布設(shè)，并進(jìn)行注漿，水泥漿液水灰比及注漿壓力同上。

3.2.3.換拱

為減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用風(fēng)鎬對(duì)噴射混凝土進(jìn)行鑿除，禁止使用爆破拆除，混凝土鑿除后切除拱架及鋼筋網(wǎng)等變形支護(hù)結(jié)構(gòu)，拆除完畢開挖至設(shè)計(jì)尺寸后及時(shí)施做新的初期支護(hù)，具體如下：

（1）初噴4cm厚C25混凝土；

（2）施作錨桿；

（3）鋼筋網(wǎng)片：采用φ8盤條，網(wǎng)格間距20*20cm，加工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝，搭接長度均不得小于30cm；

（4）I20a型鋼鋼架：采用雙層I20a工字作為一榀拱架，間距0.6m，拱腳采用28b槽鋼墊實(shí)，并將槽鋼連成整體；每點(diǎn)設(shè)2根自進(jìn)式錨桿鎖腳，單根長6米，兩側(cè)對(duì)稱鎖定鋼架基腳，并進(jìn)行注漿；

（5）拱架間連接：Φ22鋼筋連接，環(huán)向間距1.0m，并將每臺(tái)階拱腳處兩根連接筋利用I16工字鋼代替Φ22鋼筋（雙側(cè)4根）；

（6）φ42超前小導(dǎo)管：拱部施作雙層φ42長5m小導(dǎo)管，間距30cm；

（7）C25噴砼厚25cm。第一層拱架噴砼完成后及時(shí)進(jìn)行第二層拱架施作，拱架間用Φ22鋼筋焊接牢固，第二層拱架每節(jié)點(diǎn)再施作2根6m長自進(jìn)式鎖腳錨管，兩次打設(shè)的錨桿一起牢牢鎖住兩層拱架并對(duì)錨桿進(jìn)行注漿。

（8）換拱以后初支預(yù)留變形量不小于30cm。

（9）拆除DK232+913.5～911.5段導(dǎo)向墻及DK232+912～DK232+905段一次換拱后拱架，并對(duì)其進(jìn)行二次換拱處理。

（10）整個(gè)換拱過程采用三臺(tái)階法進(jìn)行，每開挖循環(huán)進(jìn)尺嚴(yán)格控制在0.6m以內(nèi)，設(shè)臨時(shí)仰拱，必要時(shí)加堅(jiān)向支撐。

3.2.4.仰拱基底處理

因黃土隧道裂隙水發(fā)育，水量較大，成股流出，最大流量為12m3/h，仰拱底軟弱，應(yīng)及時(shí)做好引排水，仰拱采用基底注漿加固處理。仰拱基底處理的各項(xiàng)參數(shù)如下：（1）漿液擴(kuò)散半徑2.0m；（2）孔口環(huán)向間距由1.25m；（3）孔口縱向間距2.0m；（4）注漿深度5.0m。

3.2.5.仰拱施工

仰拱開挖后及時(shí)清理基底，噴射4cm初噴混凝土進(jìn)行封閉后，及時(shí)施做仰拱支護(hù)、仰拱襯砌及仰拱填充，盡快封閉成環(huán)，仰拱施工過程中嚴(yán)格控制單循環(huán)開挖進(jìn)尺不超過兩榀鋼架間距。

3.2.6.防排水層、二次襯砌施工

為保證施工及結(jié)構(gòu)安全，在處理塌方過程中采用單工序作業(yè)，處理完成一段后及時(shí)施做防排水層，澆筑二襯混凝土，二襯厚度由原設(shè)計(jì)45cm增加至60cm，采用C35鋼筋混凝土。

4.處理效果

通過采取回填反壓、洞內(nèi)引流排水、臨時(shí)鋼支撐、徑向小導(dǎo)管加固注漿等一系列的應(yīng)急處理措施，有效控制止了異常情況的進(jìn)一步惡化，防止了惡性事故的發(fā)生。制定并實(shí)施合理的施工處理方案，采用長管棚注漿超前支護(hù)、小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)、雙層鋼拱架、鋼架間型鋼連接加強(qiáng)支護(hù)、增加鎖腳錨管、仰拱基底注漿固結(jié)等方法相結(jié)合處理塌方變形段，施工后監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂下沉趨于穩(wěn)定（如表4-1所示），保安全、保質(zhì)量的完成了塌方變形段施工。

5.結(jié)束語

在黃土富水隧道的塌方處理中，采用超前大管棚超前支護(hù)，通過大管棚注漿、增加鎖腳錨管數(shù)量有效的控制了變形；施作雙層拱架增加了拱架的剛性；采用型鋼連接鋼拱架增強(qiáng)了鋼拱架的整體連接性；對(duì)仰拱進(jìn)行注漿處理增加了基底的承載力。此方法在黃土富水隧道塌方處理中取得了良好的效果，非常具有可行性，有效的保證了施工的安全，達(dá)到了預(yù)期的目的。