九嶷山隧道洞口浅埋段塌方处理及总结

李昕 张涛

近年来,我国公路建设得到了迅猛的发展,高速公路隧道数量越来越多,并不断的向山区延伸。九嶷山隧道跨湘粤省界,贯穿九嶷山脉右线全长6385 m,左线全长6378.746 m。隧道左洞施工到ZK140+133时,发生了顶部坍塌。该段隧道为偏压地段,覆盖层最薄处约18 m,围岩级别为Ⅴ级、Ⅳ级围岩过渡地段,本文着重对本次塌方的原因及处理方案进行探讨及分析。

1 塌方情况

2009年9月25日,九嶷山隧道左线在对ZK140+133.6掌子面进行爆破开挖至ZK140+136,出渣完毕后,在喷射拱顶混凝土时,拱顶开始不间断掉块,并于次日凌晨拱顶塌方,塌方体塌至拱顶,随后塌体基本稳定无扩大。在该桩号位置发现有地表沉陷,沉陷范围纵向8.9 m、横向10 m,沉降最浅1.5 m、最深13 m。至26日6时,塌方基本稳定无扩大,塌体呈较稳定状态。

2 原因分析

1)工程地质原因:塌方部分处在Ⅳ级、Ⅴ级围岩过渡地段,由于风化分层级节理切割,掌子面不均匀风化严重。断面右侧围岩弱风化花岗岩,稳定性较好,左侧拱顶围岩为强风化花岗岩(设计为弱～微风化花岗岩),伴有股水流出,稳定性很差,且存在偏压。围岩处于软硬岩交替地段,在开挖掘进的扰动下,造成拱顶失稳。2)地表扰动原因:在拱顶左侧山体因施工需要,修建临时用房,临时开挖坡面人为造成了隧道左洞偏压程度加大,使洞顶全、强风化层。3)施工方案原因:施工单位在施工到该地段时,未根据掌子面地质情况及时调整施工方案及开挖断面,且在一次进尺过大(ZK140+133.6～ZK140+136,达 2.6 m),破坏了超前支护的受力,从而造成凌空面失稳。

3 塌方处理方案

1)洞内加固措施。首先对塌方形成的掌子面进行封闭处理,先采用30cm厚的挂网喷射混凝土进行临时封堵,再采用φ 42×4的钢管对塌方体进行注浆(水泥浆)固结,钢管长 6 m、间距1.0 m梅花形布置,拱顶及左侧钢管间距适当加密。塌方后段加固,在靠近掌子面的ZK140+127～ZK140+133段,原有初期支护内缘采用Ⅰ18工字钢作临时加强支护,间距0.5 m,钢拱架与原初期支护间存在的空隙采用C20喷射混凝土垫实,纵向用φ 22螺纹钢进行连接,间距1.0 m;临时加固拱架完成后,采用3.5 m长的φ 42小导管,对其周边进行加固注浆处理。通过以上措施,使塌方后段支护得到加强,并且由于对塌方体进行临时封闭,防止了整个松动圈的继续扩大。

2)洞外处置措施。在洞外地表沉陷范围3 m以外开挖临时排水沟,同时对地表拉裂范围采用彩条布进行覆盖,防止雨水灌入,加大沉陷量。对地表塌陷坑采用φ 42×4的钢管进行注浆(水泥浆)加固,长6 m、间距1.0 m梅花形布置。然后回填土并进行夯实,同时在回填土表面喷射10cm厚C20混凝土。对施工临时用房开挖所形成的临时边坡,按永久防护要求,补充坡面锚杆、护面墙,稳定,防止塌方体前后地段发生类似事件。

3)塌方地段的通过。在周边临时加强支护施作完毕后,打设两环长8 m,φ 89的钢管进行超前管棚注浆(水泥浆)支护,钢管环距0.4 m,通过φ 89超前管棚,使得塌方体内拱部形成一个注浆加固圈,形成开挖条件。超前管棚支护下采用Ⅰ18工字钢进行支护,间距0.5 m,同时为防止管棚间隙掉块,开挖前根据管棚间隙设置超前小导管,进行补充超前支护。塌方体的开挖采用短进尺,径向锚杆、锁脚锚杆均采用φ 42×4、长4 m的钢管进行注浆加固,扩大注浆加固圈范围。在通过塌方体的过程中,要求认真做好各项施工监测工作,并且根据监控结果,随时调整支护范围及支护参数,以确保施工安全。初期支护完成后,要求对塌方体前后地段及时进行二次衬砌的施作。

4 经验及总结

1)在隧道浅埋、偏压地段,必须按要求进行地表监控量测,并与洞内初期支护收敛观测数据进行互相校核,以及时掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态,提供有关隧道施工的全面、系统信息资料,以便及时调整支护参数。2)开挖过程中尤其在设计围岩级别变化地段,由于掌子面围岩的不均匀风化,使洞室在软、硬不均的岩石中开挖,洞周围岩往往会在岩节理裂隙面间错动,出现掉块乃至坍塌。这种情况下,需根据前后掌子面地质素描,短距离超前预报,对前方围岩情况进行判断,调整超前支护、系统锚杆的分布范围及打设方向,以确保开挖的安全。3)超前锚杆(超前小导管)的作用在于预支护掌子面前方围岩,其一端焊接于已架设拱架上,另一端锚固于未开挖围岩当中,其受力模式接近于一端铰支、一端固定梁。施工开挖进尺过大时,未开挖围岩如产生松动,使超前支护设计受力模式发生改变,原本固定端被破坏,从而使超前锚杆失去作用。因此隧道施工时必须控制施工进尺,使超前支护充分发挥作用。4)当围岩发生变化时,拱顶围岩为Ⅴ级时,需适时调整施工方案,采用台阶法施工时,需保留核心土,第一个台阶高度不宜大于2.5 m,以便快速将顶部工字钢架或格栅钢架安装就位,确保施工安全。5)防范于未然:隧道在浅埋、偏压、富水断层带施工,需将洞周作为重大危险源,事先拟订事故发生的应急方案,在掌子面附近预备抢险物资,并提前进行安全演练,以便在发生事故时,及时处理。

当隧道发生坍塌后,由于坍塌的处理是一项高危工作,因此拟订处理方案必须及时、恰当,组织需严密、到位,才能顺利的完成塌方善后工作。

1)发生塌方后,应及时查看洞内、外情况,分析原因及塌方发展趋势。在摸清情况的基础上,拟订处理方案。2)此类型塌方的处置要点是对塌体的封堵和对未塌方地段的加固。及时封堵掌子面及塌落面能稳定围岩,防止空腔扩大,通过掌子面封堵和后方塌方地段的加固后,才能对塌方体处理提供安全保障。3)浅埋段的塌方往往伴随着地面沉陷乃至冒顶,对于地面沉陷地段,需及时采取措施,防止地面水的下渗。由于下方为空洞段,地面沉陷段的处理需尤其注意安全,回填处理需在洞内形成稳定支护后方能进行。

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[2] 关宝树.隧道工程设计、施工要点集[Z].2005.

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