玉希莫勒盖公路隧道塌方治理及效果评价

2013-09-05杜石文李敏瑞陈首君

铁道建筑 2013年9期

关键词：施作塌方格栅

杜石文，李敏瑞，陈首君

(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116)

玉希莫勒盖公路隧道塌方治理及效果评价

杜石文，李敏瑞，陈首君

(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116)

以新疆在建玉希莫勒盖隧道为研究对象，分析了隧道K723+398—K723+404段发生塌方事故的原因。变三台阶超短台阶法施工为CRD法施工，并优化先前隧道支护参数以及采用超前小导管注浆的方法处理塌方段。处理后隧道累计拱顶沉降和水平收敛值控制在35 mm范围以内。格栅内力和围岩压力监测结果亦验证了变形监测结果，表明对塌方段采取的措施及时有效，可为类似工程借鉴。

隧道工程塌方原因分析监控量测效果评价

在隧道修建过程中，塌方是最为常见的安全事故之一。隧道塌方影响因素概括起来可归为地质条件、隧道埋深、隧道断面形式及大小、地下水、爆破扰动、施工措施不当等［1］。偏压段围岩软弱、破碎、自稳时间极短，如果施工方法和支护方式不当，则极易发生塌方或地表有害下沉［2］。许多学者对不同类型的隧道塌方原因和处理技术进行了研究［3-4］，虽有共性但在不同工程背景下又各有差异。本文在前人研究基础上，分析新疆玉希莫勒盖隧道K723+398—K723+404段塌方原因，针对性地给出支护加固方案，并结合实测结果对处理效果进行评价。

1 工程概况

玉希莫勒盖隧道全长1 943 m，位于新疆G217线上，隧道进出口里程K722+095—K724+038。隧道进出口平均高程3 200 m以上，普通段净空宽度9.8 m，净空高度6.9 m。隧道出口段所穿断层分布在玉希莫勒盖达坂顶部偏南，长度＞60 km，断层总体走向N49°W，倾向 NE，局部略有曲折，倾角 80°～85°，与隧道线路在K723+750(设计桩号)处斜交，断层破碎带宽度150～200 m，施工中发现实际影响范围更广。其中K723+398—K723+404塌方段实际揭露的围岩为强风化火山角砾凝灰岩，围岩受断裂构造影响，较为破碎，局部存在渗、涌水及突泥现象，该段围岩按照Ⅴ级断面施工。

隧道在断层及破碎带地段最初设计支护参数:拱部120°范围内采用 φ42 mm×3.5 mm，长3.0 m超前小导管，环向间距0.4 m;边墙采用中空 φ25注浆锚杆，长3.5 m，间距1.0 m(环向)×0.5 m(纵向)，梅花形布置;φ22格栅钢架间距为0.5 m/榀;全断面设置HPB235级φ6钢筋网片，网格尺寸15 cm×15 cm;初支为厚30 cm C25喷射混凝土;二衬为厚50 cm C30S8钢筋混凝土。

隧道在穿越断层及破碎带时采用的工法为三台阶超短台阶法，上、中台阶各长5 m，仰拱与下台阶间距10～15 m，二次衬砌与仰拱端头间距不大于50 m。

2 塌方过程

2012年8月17日下午15点20分，K723+404里程处完成中台阶的爆破开挖后，在架设初支钢拱架之前，中台阶上部出现了小股水流和不间断的掉块现象，并逐渐形成顶尖下宽的锥形体。该锥形体进一步发展，在其后方1～2 m范围内，已施工好的中台阶初支出现明显的环向裂缝，在中台阶初支下部，出现了拱脚破碎开裂，钢筋网露出的现象。接着喷射混凝土封闭锥形体，并施作临时钢支撑。到19点30分，该锥形体顶部已发展到围岩内部3 m左右，最终诱发了大范围的隧道塌方，塌方蔓延到前方K723+398里程处。本次塌方从中台阶右侧向前发展到整个断面，已施作超前小导管被塌落块体砸弯、砸坏，上台阶掌子面附近的3榀初支钢拱架被砸坏，隧道塌方一直持续到当日晚上22点多才基本稳定。

3 隧道塌方原因分析

3.1 偏压作用

在塌方处理过程中发现隧道右上方一侧的空洞区面积远大于左侧，同时K723+404附近钢拱架内力量测数据显示，右侧拱腰位置的压力明显比左侧拱腰位置大，两侧结构受力存在非对称性，表明K723+398—K723+404段右侧受断层影响存在偏压作用，这样就加剧了右侧围岩的破坏进程，直接诱发了此次隧道塌方事故。

3.2 岩性因素

塌方段为断层破碎带，岩性主要为强风化火山角砾凝灰岩，力学强度低、松散破碎、存在大量遇水易软化夹层、自稳时间短，从塌方堆积体构成可以看出，洞体岩石性质属软硬相间，硬质岩石中夹杂软弱泥化岩石，岩石的整体刚度较差。

3.3 地下水的侵蚀作用

隧道穿越断层属于中等富水断层，地下水的影响不容忽视。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用，可造成围岩从局部变形失稳逐步发展为整体失稳。此外，由于岩层节理裂隙较为发育，连通性好，径流条件以垂直排泄为主，地下水补给量大。再加上高海拔原因，7月下旬以来经常有雨雪交替天气，使得岩土层富含大量地下水，降低了岩土体抗剪强度，加剧了隧道围岩的失稳。

3.4 施工影响

隧道施工经过断层破碎带时，并未采取配套的控制爆破措施，使得岩体受到较大扰动，加速了岩体的失稳。本隧道开挖过程中，受爆破振动影响，围岩体节理、裂隙的力学强度进一步降低。而临空面形成以后，围岩体由初始应力场变为二次应力场，在支护结构尚未施作，或者尚未完全发挥作用，围岩体结构面处所受的应力超过其本身强度时，会产生破坏，导致坍塌的发生。

另外，在隧道出现险情后，应急措施不彻底、不及时、相关人员不够重视也是隧道塌方原因之一。

4 塌方段综合治理方案

对隧道塌方体喷射混凝土进行封闭后，根据现场具体施工条件，考虑超前小导管注浆施工灵活，压浆效果好，决定采用超前小导管注浆并优化先前隧道支护参数的方法处理隧道塌方段。超前小导管注浆主要为渗入性注浆，对于破碎带围岩，依靠注浆压力，使水泥浆液渗入到孔隙、裂隙中，以水泥浆作为胶结物使得破碎围岩胶结形成整体，使地层发挥自承拱的作用。

因断层影响隧道围岩比较破碎，将三台阶超短台阶法施工变为CRD法施工，开挖中严格控制每循环进尺，塌方段采取人工配合风镐挖掘。拱部超前小导管长度增加为6.0 m，纵向间距1.0 m，环向间距25 cm，仰角10°～16°。注浆压力1.0～2.0 MPa，浆液水灰比0.5～1.0，注浆前先以喷射混凝土封闭掌子面，必要时在孔口设置止浆塞。处理时以I18工字钢架作为临时支撑，将拱架之间已下沉开裂的喷射混凝土凿除，拆除已严重变形的格栅拱架和钢筋网。同时加密格栅钢架的纵向连接钢筋，加强其纵向联结，以提高初期支护中钢支撑的整体强度。塌方区超前支护断面及具体支护参数见图1。

图1 塌方区超前支护断面

具体施工步骤:①小导管注浆超前支护;②上部导洞开挖;③施作上部初期支护;④施作临时仰拱、上部临时钢支撑;⑤下部导洞开挖;⑥施作下部边墙初期支护;⑦施作下部临时钢支撑;⑧施作仰拱初期支护;⑨铺设防水层，模筑二次衬砌。

5 塌方治理结果分析

隧道塌方治理后的监测至关重要。通过监测可以正确判断塌方治理后围岩的稳定性情况，以防坍塌灾害的再次发生。

5.1 围岩位移

为正确判断塌方处理后围岩的稳定性，对塌方段增设了 K723+398，K723+401，K723+404三个监控量测断面，分别量测隧道拱顶下沉值和水平收敛值，测点布置见图2，监测结果见图3。

图2 测点布置示意

图3 塌方段处理后各断面拱顶沉降和水平收敛累计时程曲线

由图3可知，在加固处理后，各断面累计沉降值和收敛值控制在35 mm以内，隧道的拱顶下沉相对值在K723+401断面处最大，为0.31%，收敛位移相对值在K723+398断面处最大，为0.25%，塌方段埋深约为250 m。规范规定隧道在Ⅴ级围岩中埋深在50～300 m的允许相对位移值为0.60% ～1.60%(脆性围岩取较小值，塑性围岩取较大值)［5］，塌方段位移值远小于该范围的较小值，满足规范要求。因此，可以认为该塌方治理方案是可靠有效的。