新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方處治分析

梁瑋瑋

(廣西交投商貿(mào)有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

當(dāng)前廣西發(fā)布了《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2019—2035)》規(guī)劃,高速公路建設(shè)步入黃金發(fā)展階段,隧道溶洞塌方作為高速公路建設(shè)中常見的一類工程地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)工程的進(jìn)度、安全、質(zhì)量、成本都有重大的影響,做好隧道溶洞塌方處治工作,對(duì)工程建設(shè)具有重要意義[1]。

本文通過新柳南高速公路吾排隧道右線YK72+940～YK72+969段溶洞塌方為例,對(duì)項(xiàng)目工程地質(zhì)條件、溶洞塌方成因進(jìn)行介紹分析,提出綜合處治方案。經(jīng)過工程實(shí)踐檢驗(yàn),綜合處治方法可行有效,對(duì)類似工程問題具有借鑒意義。

1 工程背景

新柳南高速公路吾排隧道右線掌子面在掘進(jìn)至YK72+969時(shí),后方Y(jié)K72+957處上臺(tái)階右側(cè)拱肩位置初支被4塊巨型孤石從背后擊中,孤石直徑為1～4 m,致使YK72+957～YK72+969段發(fā)生塌方,伴有約600 m3突泥體涌出,突泥體夾雜塊石及軟塑性黃泥;YK72+940～YK72+951段初期支護(hù)在塌方牽引下,出現(xiàn)急劇變形損壞,嚴(yán)重侵占到二次襯砌空間。塌方后該段對(duì)應(yīng)地表在YK72+953處發(fā)生塌陷,塌陷范圍直徑約2 m,深約2 m,周圍出現(xiàn)寬度為10～17 cm不等的裂縫,影響范圍縱向長(zhǎng)約150 m,橫向?qū)捈s100 m,面積約為15 000 m2。

2 設(shè)計(jì)情況

吾排隧道長(zhǎng)1 620 m,屬長(zhǎng)隧道。出現(xiàn)溶洞塌方的YK72+940～YK72+969段落屬巖溶峰叢洼地地貌,地形起伏較大,洼地較發(fā)育,地面高程為266.0～350.0 m,相對(duì)高差約84 m。該段落設(shè)計(jì)為三級(jí)圍巖段落,結(jié)構(gòu)襯砌及支護(hù)方式采用S3型。施工過程中,圍巖為中風(fēng)化含燧石灰?guī)r,巖溶強(qiáng)發(fā)育,巖體較破碎,泥質(zhì)填充嚴(yán)重,變更采用S5-P型襯砌及支護(hù),單排小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù),環(huán)距為40 cm,縱距為240 cm;初支采用Ⅰ20b工字鋼,型鋼縱向間距為60 cm,C25噴射混凝土26 cm。見圖1。

3 工程地質(zhì)情況

3.1 水文地質(zhì)

吾排隧道隧址區(qū)為巖溶峰叢洼地地貌,沿線隆起地段地勢(shì)較高,隧道中部溝谷洼地發(fā)育,為地表水的匯集區(qū)域。地表溪流具季節(jié)性,水流量受大氣降雨所控制。洞身處于地下河巖溶管道及穩(wěn)定地下水位之上,受地下河主巖溶管道影響不大,但因?yàn)榈乇硗莸嘏c地下河管道間形成垂直縫狀溶蝕通道,地表水通過消水洞下滲補(bǔ)給地下水的主要導(dǎo)水地帶,雨季雨水注水量大,在隧道施工過程中將產(chǎn)生較大的威脅[2]。

3.2 地下地貌

塌方位置位于山谷中間水田路段,地表右側(cè)約140 m位置為吾排屯,左側(cè)約80 m位置有一小山塘,該段隧道埋深為86.0～108.0 m,圍巖為中風(fēng)化合燧石灰?guī)r,巖體呈中-厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)堅(jiān)硬,淺層溶蝕裂隙弱-中等發(fā)育,巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙、巖洞為主,巖體較完整-較破碎,位于穩(wěn)定地下水水位之上,以潮濕或點(diǎn)滴狀出水為主[3]。

3.3 地層巖性

吾排隧道隧址區(qū)出露地層為第四系殘坡積層(Qel+dl)為主,角礫呈褐色,稍濕,稍密狀,土質(zhì)不均勻,粒徑>2 mm碎石顆粒約占總質(zhì)量的60%,原巖為硅質(zhì)巖、硅質(zhì)白云巖,顆粒骨架間黏性土充填,主要分布于洼地底部,厚度為1～10 m。

4 溶洞塌方成因分析

分析認(rèn)為,由于該段隧道所處地形為山谷間水田段,YK72+940～YK72+969段巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,隧道輪廓線外發(fā)育有串珠狀溶洞,充填可-軟塑狀黏土,巖體間節(jié)理裂隙發(fā)育,破碎松軟,完整性較差。施工過程中擾動(dòng)破壞了原圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài),巖體中應(yīng)力重新分布,導(dǎo)致YK72+957處的巖體失穩(wěn)、塌落,牽引造成YK72+957～YK72+969段溶洞塌方,在孤石塌落帶動(dòng)下,致使地表整體下沉,局部出現(xiàn)塌陷,同時(shí)在孤石與填充物塌落造成的松散壓力作用下,致使YK72+940～YK72+969段整體出現(xiàn)隧道溶洞塌方[4]。

5 溶洞塌方綜合處治措施

經(jīng)實(shí)地考察研究,并在組織召開專家評(píng)審會(huì)基礎(chǔ)上,總結(jié)該隧道溶洞塌方主要是因隧道輪廓線外孤石滑落,致使已施工隧道的初期支護(hù)受損,牽引導(dǎo)致該段落出現(xiàn)整體塌方。綜合處治措施分別制訂了地表防排水、增強(qiáng)塌方段襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及加強(qiáng)洞內(nèi)排水等綜合處治措施。

5.1 處治方案

(1)對(duì)地表采取防排水措施。在該段落對(duì)應(yīng)的地表水田段周圍開挖環(huán)向截水溝,防止拱頂滲水;地表裂縫采用黏土進(jìn)行填塞搗實(shí)封閉,鋪設(shè)防水材料后再回填土填平原地面;同時(shí)抽干隧道地表左側(cè)小山塘,防止掘進(jìn)過程中掌子面出現(xiàn)突水突泥現(xiàn)象[5]。

(2)采用洞渣對(duì)該段落進(jìn)行反壓回填,掌子面噴射混凝土封閉,穩(wěn)定后對(duì)地表塌方處進(jìn)行回填處理,回填高度超出原地面約0.5 m,修筑成龜背形,并使用防水布遮蓋防止地表水滲入。

(3)采用“大管棚+超前小導(dǎo)管注漿”進(jìn)行支護(hù)。通過大管棚及小導(dǎo)管向掌子面輪廓線外位置進(jìn)行注漿,使掌子面輪廓線外固結(jié)形成拱形受力結(jié)構(gòu)。

(4)對(duì)YK72+940～YK72+969段塌方損壞的隧道初期支護(hù)進(jìn)行更換,采用S5-P2襯砌進(jìn)行支護(hù),并進(jìn)行加強(qiáng)。襯砌類型開挖預(yù)留量為15 cm,鎖腳錨管尺寸采用φ108 mm×6 mm,長(zhǎng)度為6 m,徑向中空注漿錨桿采用φ42 mm×4 mm、長(zhǎng)度為4.5 m,初支襯砌中采用Ⅰ22b工字鋼,型鋼縱向間距為50 cm,C25噴射混凝土厚度為28 cm;二次襯砌采用C30防水鋼筋混凝土,襯砌厚度為55 cm,防滲等級(jí)≥P8。

(5)襯砌背后滲水點(diǎn)處預(yù)埋排水管及豎向盲管,隧道環(huán)向盲管加密至2 m一道進(jìn)行布設(shè)[6]。

5.2 具體設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)超前支護(hù)采用φ108 mm×6 mm自進(jìn)式超前大管棚,7節(jié)×1.5 m/節(jié)φ108 mm×6 mm管棚拼接而成,每根管棚長(zhǎng)10.5 m,管棚環(huán)向間距為30 cm,外插角為12°,穿過鋼拱架開孔打入,管棚間搭接長(zhǎng)度為3 m。

(2)小導(dǎo)管采用φ42 mm×4 mm雙排設(shè)計(jì),長(zhǎng)為450 cm,環(huán)向間距為40 cm,縱向間距為275 cm,外插角分別為10°～15°、25°～30°,小導(dǎo)管尾部焊接于鋼架,每間隔15 cm鉆φ10 mm注漿孔,按梅花型進(jìn)行布置。小導(dǎo)管在管棚施作位置的下一榀工字鋼處打入[7]。

(3)鎖腳錨管采用4根單節(jié)長(zhǎng)為1.5 m的φ108 mm×6 mm自進(jìn)式管棚拼接而成,通過U型鋼筋與型鋼拱架焊接牢固,注水泥凈漿。

5.3 監(jiān)控量測(cè)

隧道溶洞塌方處治期間,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況加強(qiáng)對(duì)洞內(nèi)及地面的監(jiān)控量測(cè),對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)形態(tài)及變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估,提供有關(guān)隧道施工的全面、系統(tǒng)信息資料,為參建各方及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)安全隱患,有效避免二次事故發(fā)生,科學(xué)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

5.3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

在隧道地表塌陷段落設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面2～3個(gè),橫向測(cè)點(diǎn)布置間距范圍為4～8 m,隧道中線附近稍密,偏離隧道中線處稍疏,在每個(gè)斷面上布設(shè)測(cè)點(diǎn)7～11個(gè),實(shí)際布設(shè)時(shí)還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形布設(shè)。布置測(cè)點(diǎn)如圖2所示。

5.3.2 拱頂下沉和凈空收斂監(jiān)測(cè)

溶洞塌方段按每5 m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)置5對(duì)觀測(cè)點(diǎn),隧道拱頂下沉和凈空收斂測(cè)點(diǎn)安設(shè)在同一斷面,在拱頂及距離隧道軸線水平距離3 m處分別設(shè)置拱頂下沉的中測(cè)點(diǎn)和左右測(cè)點(diǎn);在起拱線以上1.5 m處安設(shè)周邊位移測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖3。

5.3.3 監(jiān)控量測(cè)頻率

在處理隧道溶洞等不良地質(zhì)時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況適當(dāng)增大監(jiān)控量測(cè)的頻率,做好提前預(yù)警措施。

圖2 地表下沉測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 拱頂下沉及周邊位移測(cè)點(diǎn)布置示意圖

5.4 處治過程注意事項(xiàng)

(1)施工前應(yīng)完善超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前地質(zhì)鉆探工作,探明掌子面輪廓線外溶洞規(guī)模、走向、洞內(nèi)填充等情況,綜合判斷初期襯砌輪廓線外圍巖情況,為后續(xù)溶洞塌方的安全處治提供基礎(chǔ)資料。

(2)施工過程中嚴(yán)格控制反填段的開挖進(jìn)尺,每循環(huán)按照1榀型鋼拱架的進(jìn)尺距離施工。施工過程全程安排人員旁站,觀察掌子面工作區(qū)間動(dòng)態(tài),確保施工安全。

(3)加強(qiáng)隧道爆破施工管控。施工時(shí)遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、弱爆破、勤監(jiān)測(cè)”原則,嚴(yán)格控制爆破施工藥量,減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)[8]。

(4)嚴(yán)格控制隧道安全步距。嚴(yán)格按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660-2020)相關(guān)要求控制隧道安全步距,同時(shí)加快跟進(jìn)仰拱施工,做到及時(shí)封閉成環(huán),并加快二次襯砌的施作[9]。

(5)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。嚴(yán)格落實(shí)地表、洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)程序,加密坍塌體處理段量測(cè)斷面,加大監(jiān)控量測(cè)頻率,及時(shí)分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù),優(yōu)化溶洞塌方處治措施,從而確保施工的安全。

6 結(jié)語(yǔ)

新柳南高速公路吾排隧道右線YK72+940～YK72+969段溶洞塌方處治采用“大管棚+超前小導(dǎo)管注漿”進(jìn)行超期支護(hù),落實(shí)“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、弱爆破、勤監(jiān)測(cè)”原則,并采取三臺(tái)階法進(jìn)行開挖,加強(qiáng)溶洞塌方段襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,歷時(shí)一個(gè)半月成功進(jìn)行處治。后期跟蹤監(jiān)測(cè)觀察,隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全,各項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)收結(jié)果優(yōu)良,內(nèi)實(shí)外美,溶洞處治效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),可為后續(xù)同類型隧道溶洞塌方處治提供參考。