复杂地质条件下隧道塌方处治分析

2012-09-27祝云华

水利与建筑工程学报 2012年1期

祝云华

(内江师范学院工程技术学院,四川内江641112)

隧道塌方是目前隧道工程中经常出现的问题,隧道中的岩石在开挖后,原有的岩体结构和受力平衡被破坏,岩体在自重的作用下,应力重新分布,构成新的受力平衡体系,在施工的过程中存在着许多的不确定因素,很容易因各种原因而造成塌方[1-2]。因此,如何采取有效措施预防和治理塌方,将塌方造成的危害降至最低,是隧道施工中最关键的问题。本文结合在建某复杂地质条件下的隧道工程,对其在施工过程中塌方处治技术进行较为深入研究,以便为今后软弱围岩隧道塌方的处治提供参考资料。

1 工程概况

杭州至兰州高速公路某隧道为一座上、下行分离的四车道特长隧道,隧道位于重庆市巫山县龙井乡白水村至金鸡村之间,呈近东西向展布,巫山端洞口位于龙井乡白水村,奉节端洞口位于龙井乡金鸡村。隧道最大埋深约305 m,隧道右线巫山端洞口位于平曲线上,曲线半径为R=2 700 m。右线奉节端洞口位于直线上。隧道左线纵坡为2.4%的单向坡,右线纵坡为2.4%和1.8%的单向坡。

隧道区内主要褶皱为齐跃山背斜,巫山向斜,隧道区处在齐跃山背斜南翼。出露地层为三迭系中统巴车组(T2b)及第四系残坡积碎石土(Qel+dl)。岩层产状陡、变化大,基岩倾向南西～北东,倾角28°～78°,浅部岩石风化裂隙发育,岩体完整性较差,深部节理裂隙不发育～较发育,节理裂隙对隧道围岩稳定性产生不利影响。隧道区基岩绝大部分为碳酸盐类岩石,裂隙岩溶水较丰富,除右线出口外,其余进出口为泥质粉砂岩,含风化裂隙水,地下水接受大气降水入渗补给;隧道水文地质条件属较复杂类型;隧道洞室具渗流现象,地下水对隧道施工影响较大,隧道围岩塌方破坏都发生在泥岩地段。

2 隧道塌方主要原因及特点

2.1 塌方原因分析

2.1.1 工程地质因素

隧道YK34+620～YK34+680段距进口620 m～680 m,埋深约100m,不同基岩岩性之间及不同风化程度之间存在一定电性差异及密度差异,存在一定程度的断层及构造破碎带,岩体节理裂隙发育、结构松散,层间结合力较低;围岩为强风化钙质胶结泥岩,自承能力差自稳时间短,遇水后易软化膨胀;该段的初期支护强度又明显不够,不能有效的阻止软弱围岩的流变,加之软岩流变性突出,围岩异常变形速率大、持续时间长,岩体蠕变现象突出,使得围岩松动圈不断扩大,以致初期支护无法承受扩大后的松散岩体自身的围压,最终隧道结构失稳而塌方。

2.1.2 地下水造成的塌方因素

隧道塌方段围岩基本上为钙质泥岩,遇水后易发生软化和泥化现象,使得开挖岩体强度及自稳能力大大降低;且随水的入渗,地表位移逐渐增加,隧道塌方前,地表位移增加趋势明显;同时隧道粘土矿物的存在又使得泥岩遇水膨胀,进而产生大量的微孔隙,这些微孔隙的出现及其吸附效应的影响[3],将破坏泥岩的天然内部结构,最终导致岩体颗粒的碎裂解体;粘土矿物遇水后的溶蚀、次生作用,可使泥岩的内聚力和内摩擦角下降;强大的地下水静压力和动压力,又大大增大了隧道初期支护负荷,使隧道施工存在较大的安全隐患[4-5],因此,水对此次塌方事故的发生起到了“催化剂”作用。

2.1.3 施工因素

隧道塌方发生时,二次衬砌与开挖掌子面距离约为95 m处,远大于三倍的隧道开挖洞径,此时的掌子面“空间效应”的影响完全消失,而初期支护抗力小于围岩的滑移力,围岩异常变形急剧增加,施工方又没有能及时采取有效措施来阻止险情,最终导致塌方事故的发生。由于工程地质条件极差,极易诱发塌方,现场地质情况与设计有出入,设计围岩类别为Ⅲ～IV级,而根据实际地质情况判断为Ⅴ级,没有遵循“岩变我变”的原则及时变更开挖方式和支护加固参数[6-7],依然沿用以前的施工方法和加固措施,初期支护严重偏弱是导致变形得不到有效的抑制,最终导致塌方事故发生。

2.2 塌方段工程特点

(1)隧道塌方段YK34+620～YK34+680渣体含碎石、岩屑、孤石,最大孤石有15 m3～20 m3,传统灌浆管不宜成孔,很难采用超前锚杆管棚法等传统方法进行处理。

(2)由于塌方堆积体体积较大,塌方里程确定在YK34+645.5～YK34+670.5段,长度25 m,处理起来在经济上是不合理的。不仅如此,该堆积体受开挖干扰产生移动或引发隧洞再次塌方。

(3)由于塌方初期支护出现较大变形,并集中于右侧拱顶至拱角部位,受内挤压力而压坏钢拱架,证明该部位的侧向压力很大,应加强对拱顶至拱角部位侧向进行超前预注浆和固结注浆施工措施,使掌子面上方进一步形成一个比较厚的稳定保护壳体。

3 塌方处治技术

通过对塌方地段的特征和原因的研究分析,结合其他隧道施工经验,认为较为合理的施工方法是采用超前支护措施:先采用小导管超前注浆,并结合超前锚杆对塌方段进行固结处理,再进行开挖。加固掘进后,如遇IV级围岩破碎,应及时采用超前锚杆加固,以保证洞身施工的顺利进行。

3.1 注浆小导管施工

注浆小导管必须严格遵循施工原则,布孔应使浆液扩散范围相互重叠,避免出现“盲区”。在隧道开挖前,采用风钻钻孔、高压风清孔之后,将小导管放入孔内,沿隧道开挖轮廓外排列,管内注入水泥浆液。注浆小导管施工技术路线见图1,将预先弯制好的工字钢支垫于小导管之下,并在拱脚处用锁脚锚杆锁定。人工配合风镐开挖上导坑,开挖完成后及时将临空面初喷混凝土封闭,然后打系统锚杆、挂网、安装工字钢格栅、喷射混凝土封闭。待上导坑掘进一段距离后,下导坑拉中槽、错槽开马口,并将临空面及时初喷混凝土后安装系统锚杆、挂网、安放边墙工字钢并与拱部工字钢连接后喷射混凝土封闭。这样注浆小导管与工字钢共同组成预支护系统,支撑和加固自稳能力极低的围岩,喷射的混凝土将不连续的岩层层面胶结起来,并产生楔形效应而增加岩块间的摩擦系数,防止岩块沿软弱面滑移。图2为导管布置及注浆范围示意图。

图1 小导管注浆技术路线图

图2 导管布置及注浆范围示意图

3.2 超前注浆锚杆

对隧道塌方YK34+645.5～YK34+670.5长约25 m段,进行超前注浆锚杆加固。本隧道中锚杆采用Φ 76 mm自进式锚杆,环向间距30 cm,注双液浆,以定量注浆为结束注浆标准,浆液加固圈范围定为1.0 m。

施工时应根据岩体节理面产状来确定锚杆的最佳方向,为加强共同支护作用,要求将超前锚杆尾端焊接在钢支撑的腹部,采用药卷材料作为粘接材料,每排超前锚杆纵向搭接不少于1.0 m。隧道塌方段超前锚杆布置图见图3。

图3 超前锚杆布置图

3.3 排水措施

由于地下水对隧道塌方有着非常重要的影响作用,它能使软化系数大的岩石强度降低,使结构面的抗剪强度减小,导致塌方。所以,在塌方处理过程中要有效处理好地下水,以保证塌体处理中不存在安全隐患。

本隧道排水的具体措施为:在上台阶开挖完成后,沿开挖段通长设置Φ 159型钢管,将隧道原掌子面处涌水抽出并排到洞外;当开挖面渗漏面积和水量较大时,在渗漏处用钻机钻孔,找出渗漏水的主要裂隙,由钻孔引流,将面上的渗漏水变为点上的渗漏水;在初期支护与二衬之间则设置环向排水管若干,间距为2m～3 m,横向排水管每5m设置一道,与中央水管相连。

3.4 塌空腔处理措施

隧道坍塌段开挖完成后,加固措施采用Φ 42小导管注水泥浆,小导管长度3 m～4 m,间距1.0 m;同时对整个坍塌区拱部120°范围内的松散体进行注浆固结,固结层厚度为钢支撑背后3.0 m,开挖到YK34+634～YK34+680段时,及时进行二次衬砌施作跟进,按照V级围岩衬砌断面进行施工,衬砌结构加强为C30钢筋混凝土结构;塌方段衬砌施工完后,对设置套拱段施设小导管注浆锚杆进行加固,待稳固后对套拱进行拆换,其开挖支护方案仍按照V级围岩进行施工。塌方段处理各施工工序见图4。

图4 塌方体开挖工序图

4 塌方处治效果评价

为保证施工安全及检查超前预支护施工的实施效果,根据塌方处理过程中现场监测得到的数据,通过对塌方YK34+660典型断面曲墙收敛、拱顶沉降数据的分析,得到了该断面的沉降和收敛变形速率和平均变形速率与时间的关系曲线,见图5、图6。

图5 沉降速率时程曲线图

图6 收敛速率时程曲线图

从图5、图6中可以看出:在洞身塌体段开挖初期,隧道拱顶沉降和周边收敛变形速率较大,但当处治措施完成后,曲线变形很快就呈下降趋势,平均变形速率逐渐降低并最终趋于稳定,初始最大收敛速率为3.58 mm/d,经过50余天的监测数据,表明其周边收敛速率已小于1.5 mm/d,而拱顶沉降速率已基本稳定在1.0 mm/d,符合规范要求,且其远小于该隧道其它正常断面的变形速率,施工处于安全状态,也充分说明了超前小导管、锚杆超前支护措施对防止围岩恶化,控制隧道变形和预防塌方作用显著。