新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方處治分析

梁瑋瑋

(廣西交投商貿有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

當前廣西發布了《廣西高速公路網規劃(2019—2035)》規劃,高速公路建設步入黃金發展階段,隧道溶洞塌方作為高速公路建設中常見的一類工程地質災害,對工程的進度、安全、質量、成本都有重大的影響,做好隧道溶洞塌方處治工作,對工程建設具有重要意義[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,對項目工程地質條件、溶洞塌方成因進行介紹分析,提出綜合處治方案。經過工程實踐檢驗,綜合處治方法可行有效,對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至YK72+969時,后方YK72+957處上臺階右側拱肩位置初支被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段初期支護在塌方牽引下,出現急劇變形損壞,嚴重侵占到二次襯砌空間。塌方后該段對應地表在YK72+953處發生塌陷,塌陷范圍直徑約2 m,深約2 m,周圍出現寬度為10～17 cm不等的裂縫,影響范圍縱向長約150 m,橫向寬約100 m,面積約為15 000 m2。

2 設計情況

吾排隧道長1 620 m,屬長隧道。出現溶洞塌方的YK72+940～YK72+969段落屬巖溶峰叢洼地地貌,地形起伏較大,洼地較發育,地面高程為266.0～350.0 m,相對高差約84 m。該段落設計為三級圍巖段落,結構襯砌及支護方式采用S3型。施工過程中,圍巖為中風化含燧石灰巖,巖溶強發育,巖體較破碎,泥質填充嚴重,變更采用S5-P型襯砌及支護,單排小導管進行超前支護,環距為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 工程地質情況

3.1 水文地質

吾排隧道隧址區為巖溶峰叢洼地地貌,沿線隆起地段地勢較高,隧道中部溝谷洼地發育,為地表水的匯集區域。地表溪流具季節性,水流量受大氣降雨所控制。洞身處于地下河巖溶管道及穩定地下水位之上,受地下河主巖溶管道影響不大,但因為地表洼地與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給地下水的主要導水地帶,雨季雨水注水量大,在隧道施工過程中將產生較大的威脅[2]。

3.2 地下地貌

塌方位置位于山谷中間水田路段,地表右側約140 m位置為吾排屯,左側約80 m位置有一小山塘,該段隧道埋深為86.0～108.0 m,圍巖為中風化合燧石灰巖,巖體呈中-厚層狀構造,巖質堅硬,淺層溶蝕裂隙弱-中等發育,巖溶形態以溶蝕裂隙、巖洞為主,巖體較完整-較破碎,位于穩定地下水水位之上,以潮濕或點滴狀出水為主[3]。

3.3 地層巖性

吾排隧道隧址區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,土質不均勻,粒徑>2 mm碎石顆粒約占總質量的60%,原巖為硅質巖、硅質白云巖,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段巖溶強烈發育,隧道輪廓線外發育有串珠狀溶洞,充填可-軟塑狀黏土,巖體間節理裂隙發育,破碎松軟,完整性較差。施工過程中擾動破壞了原圍巖應力平衡狀態,巖體中應力重新分布,導致YK72+957處的巖體失穩、塌落,牽引造成YK72+957～YK72+969段溶洞塌方,在孤石塌落帶動下,致使地表整體下沉,局部出現塌陷,同時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段整體出現隧道溶洞塌方[4]。

5 溶洞塌方綜合處治措施

經實地考察研究,并在組織召開專家評審會基礎上,總結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受損,牽引導致該段落出現整體塌方。綜合處治措施分別制訂了地表防排水、增強塌方段襯砌結構強度及加強洞內排水等綜合處治措施。

5.1 處治方案

(1)對地表采取防排水措施。在該段落對應的地表水田段周圍開挖環向截水溝,防止拱頂滲水;地表裂縫采用黏土進行填塞搗實封閉,鋪設防水材料后再回填土填平原地面;同時抽干隧道地表左側小山塘,防止掘進過程中掌子面出現突水突泥現象[5]。

(2)采用洞渣對該段落進行反壓回填,掌子面噴射混凝土封閉,穩定后對地表塌方處進行回填處理,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+超前小導管注漿”進行支護。通過大管棚及小導管向掌子面輪廓線外位置進行注漿,使掌子面輪廓線外固結形成拱形受力結構。

(4)對YK72+940～YK72+969段塌方損壞的隧道初期支護進行更換,采用S5-P2襯砌進行支護,并進行加強。襯砌類型開挖預留量為15 cm,鎖腳錨管尺寸采用φ108 mm×6 mm,長度為6 m,徑向中空注漿錨桿采用φ42 mm×4 mm、長度為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≥P8。

(5)襯砌背后滲水點處預埋排水管及豎向盲管,隧道環向盲管加密至2 m一道進行布設[6]。

5.2 具體設計參數

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

(2)小導管采用φ42 mm×4 mm雙排設計,長為450 cm,環向間距為40 cm,縱向間距為275 cm,外插角分別為10°～15°、25°～30°,小導管尾部焊接于鋼架,每間隔15 cm鉆φ10 mm注漿孔,按梅花型進行布置。小導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根單節長為1.5 m的φ108 mm×6 mm自進式管棚拼接而成,通過U型鋼筋與型鋼拱架焊接牢固,注水泥凈漿。

5.3 監控量測

隧道溶洞塌方處治期間,根據現場實際情況加強對洞內及地面的監控量測,對圍巖和支護結構的力學形態及變化趨勢進行評估,提供有關隧道施工的全面、系統信息資料,為參建各方及時準確預報安全隱患,有效避免二次事故發生,科學指導設計和施工。

5.3.1 地表沉降監測

在隧道地表塌陷段落設置監測斷面2～3個,橫向測點布置間距范圍為4～8 m,隧道中線附近稍密,偏離隧道中線處稍疏,在每個斷面上布設測點7～11個,實際布設時還應結合現場地形布設。布置測點如圖2所示。

5.3.2 拱頂下沉和凈空收斂監測

溶洞塌方段按每5 m設置一個觀測斷面,每個斷面設置5對觀測點,隧道拱頂下沉和凈空收斂測點安設在同一斷面,在拱頂及距離隧道軸線水平距離3 m處分別設置拱頂下沉的中測點和左右測點;在起拱線以上1.5 m處安設周邊位移測點。測點布設見圖3。

5.3.3 監控量測頻率

在處理隧道溶洞等不良地質時,根據現場施工實際情況適當增大監控量測的頻率,做好提前預警措施。

圖2 地表下沉測點示意圖

圖3 拱頂下沉及周邊位移測點布置示意圖

5.4 處治過程注意事項

(1)施工前應完善超前地質預報及超前地質鉆探工作,探明掌子面輪廓線外溶洞規模、走向、洞內填充等情況,綜合判斷初期襯砌輪廓線外圍巖情況,為后續溶洞塌方的安全處治提供基礎資料。

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

(3)加強隧道爆破施工管控。施工時遵循“短進尺、強支護、弱爆破、勤監測”原則,嚴格控制爆破施工藥量,減少爆破對圍巖的擾動[8]。

(4)嚴格控制隧道安全步距。嚴格按照《公路隧道施工技術規范》(JTG/T 3660-2020)相關要求控制隧道安全步距,同時加快跟進仰拱施工,做到及時封閉成環,并加快二次襯砌的施作[9]。

(5)加強監控量測。嚴格落實地表、洞內監控量測程序,加密坍塌體處理段量測斷面,加大監控量測頻率,及時分析監控量測數據,優化溶洞塌方處治措施,從而確保施工的安全。

6 結語

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+超前小導管注漿”進行超期支護,落實“短進尺、強支護、弱爆破、勤監測”原則,并采取三臺階法進行開挖,加強溶洞塌方段襯砌結構強度,歷時一個半月成功進行處治。后期跟蹤監測觀察,隧道結構穩定安全,各項指標驗收結果優良,內實外美,溶洞處治效果達到了預期目標,可為后續同類型隧道溶洞塌方處治提供參考。