大斷面隧道坍塌處理施工技術(shù)概述

張俊

摘 要 介紹了隧道加寬帶坍塌處理施工技術(shù)，分析了坍塌產(chǎn)生的原因，并提出預(yù)防措施，同時(shí)也為采用超前管棚、雙層拱架支護(hù)及預(yù)留核心土開(kāi)挖等施工方法處理大型坍塌提供了一個(gè)成功的實(shí)例。

關(guān)鍵詞 隧道;坍塌;原因分析;施工技術(shù)

1工程概況

大風(fēng)口隧道位于重慶市巫山縣騾坪鎮(zhèn)龍河村至巫山縣兩坪鄉(xiāng)溪溝村之間，進(jìn)口位于騾坪鎮(zhèn)龍河村，出口位于兩坪鄉(xiāng)溪溝村。本隧道為一座上、下行分離的四車(chē)道高速公路特長(zhǎng)隧道。全線(xiàn)長(zhǎng)5003m。

大風(fēng)口隧道ZK14+396～ZK14+436段為加寬帶原設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，開(kāi)挖至ZK14+410掌子面時(shí)涌水量達(dá)30m3/h。圍巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖質(zhì)較軟，巖體較破碎，石塊大小多數(shù)在18～40cm之間，結(jié)構(gòu)松散，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，結(jié)合較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，2組節(jié)理呈X型，不規(guī)則，以弱風(fēng)化型為主。設(shè)計(jì)要求采用新奧法施工，全斷面開(kāi)挖， STb支護(hù)類(lèi)型，鋼筋網(wǎng)、錨桿、噴射C20砼[1]。

2事故經(jīng)過(guò)及原因分析

2010年3月16日下午，現(xiàn)場(chǎng)施工人員發(fā)現(xiàn)隧道左線(xiàn)ZK14+396-ZK14+436加寬帶段噴射砼有3條環(huán)向裂縫長(zhǎng)為50～100cm，隨即對(duì)其進(jìn)行了復(fù)噴處理。3月17日上午發(fā)現(xiàn)該處裂縫又重新出現(xiàn)且向縱向延伸有水滲出，隨后施工單位對(duì)此段進(jìn)行了監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)拱頂下沉達(dá)1cm。項(xiàng)目部立即組織對(duì)裂縫處進(jìn)行了臨時(shí)拱架支護(hù)應(yīng)急方案。

3月18日下午洞內(nèi)裂縫處滲水變大，裂縫開(kāi)始增多，19日凌晨1點(diǎn)，原噴射砼開(kāi)始掉落，開(kāi)裂處已延伸至15米。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示拱頂下沉達(dá)3cm。有一榀臨時(shí)支撐開(kāi)始變形。施工人員立即撤離施工現(xiàn)場(chǎng)。上午9點(diǎn)時(shí)10榀臨時(shí)支撐開(kāi)始受壓變形，噴射砼大范圍脫落。10點(diǎn)時(shí)ZK14+410處拱頂坍塌，并向兩側(cè)延伸，不時(shí)有石塊落下，坍塌一直持續(xù)到下午4點(diǎn)。此時(shí)坍塌體已將加寬帶全部封堵。

2.1 分析事故原因有以下幾點(diǎn)

（1）坍塌前工地連續(xù)下雨。重慶地區(qū)暴雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，隧道施工區(qū)，地下水較發(fā)育。隧道內(nèi)滲水與外界氣候條件關(guān)聯(lián)較大。

（2）加寬帶處于斷裂帶處，地質(zhì)條件復(fù)雜，從坍塌體看此段洞頂圍巖破碎且為層狀結(jié)構(gòu)有黃色泥巖夾層遇水易泥化。

（3）此段距離掌子面70米，洞內(nèi)開(kāi)挖施工對(duì)此段有所干擾。

（4）坍塌處為加寬帶，斷面較大，穩(wěn)定性相對(duì)主洞較差，二襯未能及時(shí)進(jìn)行施工[2]。

3坍塌處理方案的確定

此段坍塌長(zhǎng)度40米，坍塌平均深度6m。ZK14+400、ZK14+435處坍塌深度3-5米。ZK14+416處坍塌深度為12米。坍塌方處理方案的篩選與確定。

3.1 灌注砼施工方案

此方案是封堵坍塌段兩端然后在坍塌空腔內(nèi)填充混凝土，待穩(wěn)定后打入超前導(dǎo)管重新開(kāi)挖。

此方案缺點(diǎn)：①坍塌范圍較大，注漿量大，重新開(kāi)挖處理費(fèi)用較高。②ZK14+436處空口較大無(wú)法封堵且無(wú)法保證坍塌區(qū)穩(wěn)定的情況下去封堵缺口人員安全受到威脅。優(yōu)點(diǎn)：如方案能正常實(shí)施處理時(shí)間較短。

3.2 超前管棚雙層拱處理方案

此方案為先打入超前管棚并注漿，固結(jié)及支撐坍塌面頂部和周邊圍巖，然后噴射砼穩(wěn)固圍巖面，在穩(wěn)定圍巖面后，立頂層Ⅰ18拱架，掛Φ8鋼筋網(wǎng)，打入Φ32鎖腳錨桿固定，在拱架與圍巖空隙處灌噴砼保證頂層拱架與圍巖密貼，待頂部拱架支護(hù)完成后開(kāi)始下層Ⅰ20拱架套拱的施工。

此方案缺點(diǎn)：施工時(shí)間較長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：先穩(wěn)固了頂部圍巖，防止巖體進(jìn)一步坍塌并對(duì)下層拱架施工提供安全保障，雙層拱支護(hù)加大了支護(hù)的穩(wěn)定性并為安全運(yùn)營(yíng)起到了很大的安全保障。

從以上兩種方案的對(duì)比看，第二種方案安全性較高，極大地防止了坍塌的擴(kuò)大，避免了二次開(kāi)挖，減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，處理造價(jià)也比第一種方案低，因此選取第二種方案。

4超前管棚雙層拱施工技術(shù)

4.1 坍塌處理方案具體參數(shù)如下

（1）在ZK14+386處設(shè)熱軋無(wú)縫鋼管Φ108×6mm超前管棚，環(huán)向間距40cm，共35根，每根長(zhǎng)45米。

（2）對(duì)ZK14+386-ZK14+396段增設(shè)臨時(shí)I16鋼拱架進(jìn)行加固﹙縱距50㎝﹚每榀拱架設(shè)4根Φ32鎖腳錨桿，L=400㎝。

（3）對(duì)ZK14+396-ZK14+436段坍塌裸露圍巖初噴C20砼封閉巖面，待圍巖穩(wěn)定后進(jìn)行頂層鋼拱架支護(hù)，立I18鋼拱架﹙縱距50㎝﹚，由于坍塌面為不規(guī)則面，為保證圍巖與拱架密貼，拱架與圍巖間隙處灌噴C20混凝土。Φ8鋼筋網(wǎng)（20×20㎝雙層），每榀拱架設(shè)8根Φ32鎖腳錨桿，L=400㎝;拱架底部澆筑50㎝厚C20砼作為拱腳基座。

（4）頂層拱架支護(hù)結(jié)束后，按設(shè)計(jì)斷面對(duì)ZK14+396-ZK14+436段進(jìn)行套拱支護(hù)。采用I20鋼拱架作為C20砼套拱骨架﹙縱距50㎝﹚，Φ25鋼筋對(duì)拱架進(jìn)行固定及鏈接;立模澆注45㎝厚C25砼。

（5）雙層拱間灌C20砼，拱頂處高1.5m，兩側(cè)向下延伸，其余空腔采用細(xì)沙回填。

（6）二襯采用50㎝厚C25鋼筋混凝土。

4.2 超前管棚施工

（1）施工長(zhǎng)度：45m，管棚傾角：為保證管棚能緊貼坍塌頂面，仰角取22?（不包括路線(xiàn)縱坡），外傾角由實(shí)際測(cè)量所得。

（2） 鋼管規(guī)格：熱軋無(wú)縫鋼管Φ108×6mm，節(jié)長(zhǎng)3m、6m，以絲扣連接而成，鋼管四周梅花形鉆Φ8mm出漿孔眼。管距：環(huán)向間距中至中為45cm。

（3）注漿量計(jì)算公式為：Q=пRK2Lη式中R為漿液擴(kuò)散半徑，取RK=0.6L0;L0為注漿鋼花管中至中的距離;L為鋼花管長(zhǎng);η為圍巖空隙率，各種地層條件下圍巖空隙率參考值：砂土40%，黏土20%，斷層破碎帶5%。

（4）注漿結(jié)束后及時(shí)清除管內(nèi)漿液，并用M30號(hào)水泥砂漿充填，增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度。

4.3 初噴砼及鋼筋網(wǎng)的安裝

（1）坍塌面初噴砼

待管棚施工結(jié)束后，進(jìn)入坍塌區(qū)域，對(duì)頂部裸露巖面噴射C20砼，厚度10cm。在噴射過(guò)程中隨時(shí)觀察頂部圍巖變化，安排專(zhuān)人進(jìn)行警戒。

注意事項(xiàng)：①施工時(shí)注意圍巖變化，有滲水處需安裝半圓管。②噴射砼是噴頭與受?chē)娒骈g距為0.6～1m，分層且S型噴射，先拱部后邊墻。

（2）鋼筋網(wǎng)施工

本次坍塌處理頂部設(shè)計(jì)雙層鋼筋網(wǎng)，緊貼巖面掛設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，當(dāng)拱架安裝后緊貼鋼架外輪廓線(xiàn)掛一層鋼筋網(wǎng)。緊貼巖面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)時(shí)，必須在初噴4cmC20砼后進(jìn)行施工，針對(duì)坍塌斷面的形狀，場(chǎng)外制作網(wǎng)片，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，與巖壁緊貼安裝

4.4 拱頂鋼架施工

由于頂部坍塌斷面不規(guī)則，鋼拱架加工時(shí)要盡量接近坍塌斷面輪廓線(xiàn)，鋼架加工要以斷面測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在坍塌區(qū)域掃面斷面時(shí)，每5米一個(gè)斷面，且根據(jù)實(shí)際情況，在變化較大處增加斷面數(shù)量。

（1）注意事項(xiàng)

①鋼拱架必須洞外加工，洞內(nèi)安裝。②在鋼架的安裝過(guò)程中不能擾動(dòng)圍巖，對(duì)于圍巖面有局部突出部位，可適當(dāng)增加或減少鋼架間距。③鋼架組裝時(shí)保證焊接牢固，鋼架之間連接牢靠，所有焊接均采用雙面焊接。④鋼架基礎(chǔ)暫時(shí)落在坍塌體上，設(shè)立拱腳墊塊，鎖腳錨桿和鋼架搭接牢靠。

4.5 鎖腳錨桿施工

本施工方案設(shè)計(jì)Φ32鎖腳錨桿，每榀設(shè)計(jì)8根，L=4米。在施工錨桿時(shí)要緊貼鋼架兩側(cè)進(jìn)行布 置見(jiàn)下圖：

（1）鎖腳錨桿施工工藝流程

測(cè)設(shè)布孔→鑿巖機(jī)就位→鉆孔→清孔→藥卷浸泡→安裝藥卷→打入錨桿。

4.6 坍塌體清理

坍塌體的清理尤為關(guān)鍵，根據(jù)隧道軟弱圍巖開(kāi)挖以往的經(jīng)驗(yàn)，本次清理支護(hù)可按照環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土的方法進(jìn)行清理，清理過(guò)程中機(jī)械操作規(guī)范不得擾動(dòng)周?chē)鷰r體，避免放炮。

（1）施工方法

①放樣，打點(diǎn)確定套拱兩側(cè)邊墻的位置;②挖除環(huán)形拱部及邊墻①，在挖出左右兩側(cè)邊墻坍塌體時(shí)，每5米作為一個(gè)工作循環(huán)，挖出后立即掛網(wǎng)噴射砼支護(hù)，噴射砼施工結(jié)束后，進(jìn)行套拱施工，預(yù)埋環(huán)向止水帶。③待①施工完穩(wěn)定后，開(kāi)挖核心土②; ④開(kāi)挖下部圍巖③，開(kāi)挖時(shí)采用跳槽施工每2米一段，挖出后立即施工仰拱。

（2）注意事項(xiàng)

①施工時(shí)要對(duì)頂層拱架進(jìn)行監(jiān)控，了解頂層鋼架的受力及下沉情況。②在挖出①后，頂層鋼架處于懸空狀態(tài)，在套拱施工前可采用臨時(shí)支撐頂住頂層鋼架拱腳，避免下沉，施工時(shí)不要對(duì)圍巖擾動(dòng)過(guò)大。

4.7 套拱施工

套拱施工為5米一段，每段之間連接處設(shè)置環(huán)向止水帶，預(yù)留連接筋。套拱內(nèi)設(shè)置I20鋼拱架，拱架之間采用Φ25鋼筋進(jìn)行連接，內(nèi)外輪廓線(xiàn)各設(shè)置一排。

（1）鋼筋接頭應(yīng)設(shè)置在承受應(yīng)力較小處，并應(yīng)分散布置。配制在“同一截面”內(nèi)受力鋼筋接頭的截面面積，占受力鋼筋總截面面積的百分率，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

（2）采用電弧焊焊接，單面搭接焊，其搭接長(zhǎng)度不得小于10d，雙面搭接焊，其搭接長(zhǎng)度不得小于5d，焊縫寬度不小于0.8d且不小于10㎜，焊縫高度不小于0.3d且不小于4㎜。

（3）焊接綁扎襯砌鋼筋時(shí)一定要其他物件保護(hù)好防水卷材不被損壞，注意防火。

4.8 后續(xù)施工

套拱施工結(jié)束后，本次坍塌處理基本結(jié)束，套拱頂部預(yù)留窗口，用于后期頂部空腔C20砼的回填。C20砼回填至拱頂1.5米高時(shí)結(jié)束施工，其余空腔的回填采用細(xì)沙材料，輸送泵施工。施工中隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量側(cè)。下部仰拱施工時(shí)，采用跳槽法，施工及時(shí)不易滯后。

5坍塌事故的預(yù)防

（1）施工前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前探孔，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以大體了解圍巖情況，超前探孔更為實(shí)用。探孔部位拱頂設(shè)置兩孔，一孔平行與路線(xiàn)，一孔上傾角度設(shè)在10～20度之間，可探明施工區(qū)頂部圍巖狀況。

（2）對(duì)于施工支護(hù)后的區(qū)域，要經(jīng)常進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)控期過(guò)后，一個(gè)月進(jìn)行一次測(cè)量，直至二襯施工結(jié)束。

（3）對(duì)于地下水較發(fā)育的隧道工程，必須做好排水措施，保證排水暢通，初期支護(hù)砼內(nèi)部不積水。

（4）隧道大斷面施工時(shí)，開(kāi)挖進(jìn)尺不宜過(guò)長(zhǎng)。

6結(jié)束語(yǔ)

大風(fēng)口隧道塌方的處理采用管棚超前雙層拱支護(hù)的方案，管棚的設(shè)置保證了坍塌處理的施工安全，雙層拱設(shè)計(jì)，頂部拱架屬于剛性材料快速承受壓力荷載，下部設(shè)計(jì)C20砼套拱剛?cè)峤Y(jié)合，有效地保證了后期運(yùn)營(yíng)的安全。坍塌處理結(jié)束后，經(jīng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)此段已完全穩(wěn)定。

此次處理的成功為今后隧道大斷面坍塌處理提供了經(jīng)驗(yàn)，具有實(shí)用參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] JTJ 042-1994.公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[2] 黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001：107.