某地铁隧道坍塌成因分析及处治方法研究

2015-03-24刘建伟李冀伟

四川建筑 2015年6期

关键词：拱部砂层钢架

曹平，刘建伟，程韬，李冀伟

(中铁隆工程集团有限公司，四川成都 610046)

某地铁隧道坍塌成因分析及处治方法研究

曹平，刘建伟，程韬，李冀伟

(中铁隆工程集团有限公司，四川成都 610046)

针对青岛地铁某区间隧道穿越富水砂层施工中发生的坍塌事故，通过分析周边环境及工程地质条件，总结了区间隧道坍塌的原因，提出了处治隧道坍塌的技术措施，如设置帷幕注浆、调整开挖工法、加强初期支护强度和刚度等。并通过数值分析和实践检验，隧道穿越富水砂层的技术措施是有效而可靠的。通过总结隧道穿越富水砂层的坍塌事故的原因及处治方法，对于隧道穿越类似地层具有重要的工程借鉴意义。

青岛地铁; 富水砂层; 隧道坍塌; 处治方法

1 工程概况

青岛市地铁一期工程(3号线)某区间沿京口路布置。京口路为双向4车道，交通流量大。

区间设计里程为K(Z)20+982.795～Y(Z)K21+767.196，全长约784.4m。区间为单线单洞隧道，洞身净宽5.2m，埋深10～16m，左右线线间距13～13.4m。隧道洞身穿越粗砾砂及强风化至中等风化花岗岩地层。区间在里程YK21+542.000处设置一座临时施工竖井，在里程YK21+327.500处设置联络通道(兼泵房)，在里程YK21+719.000处设置1号迂回风道，在里程YK21+729.000处设置2号迂回风道。

区间自上而下地质情况如下：

第1层:素填土。该层分布广泛，厚度2.5m，褐色～黄褐色，稍湿～湿，松散～稍密，由黏性土、砂、风化碎屑夹少量碎石等组成，局部夹有碎砖等建筑垃圾，部分地面为10～30cm厚的水泥或沥青路面。该场区人工填土厚度薄，强度低且不均匀，自稳能力差。

第7层：粉质黏土。该层分布广泛，层厚4m，黄褐色，可塑，具中等压缩性，见有铁锰氧化物条纹及少量结核，韧性、结构性一般～较好，含少量砂粒，切面较光滑，干强度高。

第9层：粗砂。该层分布广泛，层厚4.6m，褐～褐黄色，饱和，中密，主要矿物成分长石、石英，分选、磨圆一般，含约5%～20%黏性土，局部呈黏性土胶结状，混有圆角砾和粒径1～6cm卵碎石，棱角～次棱角状，局部夹有粉质黏土薄层或透镜体。

第17层：中等风化带。揭露垂直厚度3.4m，属较破碎的较软岩，岩体基本质量等级Ⅳ级。

2 坍塌成因分析及处治方法

2.1 坍塌概况

2011年7月16日，区间隧道左线掌子面施工至ZK21+597，施工监控量测无异常变化。

在16日22：30立完格栅钢架进行锚杆施工过程中，拱部往下掉土块并伴随大量渗水，施工单位查看现场后立即采取喷射混凝土封闭格栅钢架及掌子面，并在掌子面采取堆沙袋等措施。抢险至17日凌晨2:00，掌子面和拱部无法封堵，且水量越来越大，伴随流砂。撤出8名现场施工人员并及时关闭周边的燃气管线，封闭周边道路，设置安全围挡(图1)。

图1 坍塌事故地面冒顶

2.2 坍塌原因分析

2.2.1 工程地质及现场情况

京口路为双向4车道，交通流量大。左线区间敷设有1条污水管、1条电力管、1条燃气管市政管线。其中污水管埋深约3.1m，此管在京口路与重庆中路路口汇入DN600污水管(埋深约4m)。施工现场后期调查发现此污水管均存在渗漏水。

坍塌处表覆第四系全新统素填土2.2～3.0m，其下为全新统洪冲积层5.0～5.2m粉质黏土、2.1～3.6m粗砂，下伏燕山晚期花岗岩、糜棱岩及碎裂状花岗岩发育。地下水以第四系孔隙潜水为主，局部具弱承压性，富水性中等。

2.2.2 原设计情况

坍方段地勘判定为V级围岩，开挖采用钻爆法，分上、下台阶进行爆破开挖施工，设计采用钢格栅喷射混凝土支护，格栅纵向间距0.75m/榀，拱部设置φ42超前小导管，纵向间距1.5 m，环向间距0.4 m，单根长度3.0 m。全断面设置φ6.5@200 mm×200 mm双层钢筋网,边墙设置φ22砂浆锚杆，L=3.0 m，间距为1.0 m×1.0 m，菱形布置，喷射25 cm厚C25混凝土。

2.2.3 坍塌成因分析

(1)地质条件差。工程地质条件差，富水性粗砂层较厚且粗砂层沿区间纵向延伸与大村河、西流庄河水力联系紧密。坍塌处糜棱岩及碎裂状花岗岩发育，围岩松散，自稳能力差。坍塌时正值青岛雨季期间。

(2)隧道上部有1条污水管、3条自来水管、1条电力管和1条燃气管。污水管长期渗漏水，渗漏水在空洞位置形成地下水囊，结构上部的土体长期被浸泡，处于饱和流塑状态，自稳能力很差。超前小导管扰动此土方，水囊中的水和泥砂冲破土层。

(3)初期支护不及时。施工现场拱部超前小导管未及时注浆。

施工现场虽全力抢险，但由于富水性砂层紧密的水力联系以及隧道拱部岩体碎裂发育，致使掌子面和拱部无法封堵进而导致坍塌事故。

2.3 坍塌的主要处理技术措施

2.3.1 C 20混凝土回填坍腔

坍塌冒顶之后，立即组织抢险人员向坑内灌注混凝土、钢筋网、沙石等物料封堵坍塌口。回填至地面下2.5 m处停止回填,避免了坍塌洞口的进一步扩大(图2)。

图2 坍塌回填示意

2.3.2 砂袋封堵

在上台阶掌子面采用砂袋堆码封堵，防止坍体不稳定而继续坍塌。

在砂袋表面挂网喷射混凝土，形成止水帷幕墙封闭，避免洞内水流继续冲刷浸泡坍体，防止注浆加固时浆液从坍体流出，影响注浆加固效果。钢筋网片采用为φ6.5@200 mm×200 mm，喷射0.15 m厚C20混凝土(图3)。

图3 砂袋封堵示意

2.3.3 抗滑锚管施工

在封堵墙下部施做双排φ42抗滑锚管，并注浆。锚管布置为：水平间距1 m，排距0.5 m，梅花形布置，入岩深度2 m，锚管外露长度0.2 m，外露部分用钢管相互连接并喷射混凝土覆盖，形成“锚固梁”，防止坍体滑动(图4)。

图4 抗滑桩施工示意

2.3.4 坍体注浆加固

对坍体进行注浆加固，固结涌出的淤泥土体。采用5.0 m长的φ42钢花管，间距0.5 m(竖向)×0.5 m(水平)，梅花型布置，注水泥浆+水玻璃双液浆(图5)。

图5 坍体注浆加固

2.3.5 近坍方段拱顶加固

在ZK21+591.8～ZK21+594.8范围内，拱部打入φ42超前小导管注双液浆，按照斜向上30°角打入，每榀钢架打一环，共打设4环。φ42超前小导管布置形式为：拱部布置，环向间距0.4 m，纵向间距0.75 m，导管长度依次为5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m，穿过坍体进入岩层为止(图6)。

图6 坍塌邻近段注浆加固

2.3.6 拱部导管注浆加固处理

为加固拱顶松散岩层，对ZK21+589～591.8段上台阶拱部打入大外插角小导管注浆加固岩体，外插角为45°，导管长3.5m，注水泥+水玻璃双液浆(图7)。

图7 拱部注浆加固

2.3.7 地面钻孔检查及注浆

为探明回填混凝土的密实情况、混凝土至拱顶之间填充土的状况，在地面钻φ100 mm钻孔，抽取芯样。利用3个地质钻孔对坍体进行加固注浆，压注水泥浆液，压力控制在1.0～1.5MPa。

2.3.8 拆除止浆墙和砂袋

全部注浆完成后，开始清理横通道至ZK21+588段下台阶淤泥，并铺垫50 cm厚碎石垫层，形成施工通道，同时理顺排水系统。

施工通道形成后，拆除上台阶坍体止浆墙和封堵砂袋，拆除时按照环状拆除，中间核心部分预留。割除打设导管外露部分，以利于施工。

2.4 坍塌段处理后的开挖技术措施

(1)取芯检验。坍体注浆完成后，应每环钻2～3个孔对注浆效果进行取芯检验，并取岩芯观察浆液充填情况，同时检查孔内涌水量不应大于0.2 L/(min·m)，且某一处的漏水量不大于10 L/min。当注浆效果不能满足上述要求时，应先邀请相关人员到现场查明原因后再调整注浆参数或进行补注浆，直到达到设计要求后方可进行开挖。

(2)拆除止浆墙和砂袋。洞内淤积泥沙清理完成、施工通道形成后，拆除上台阶坍体止浆墙和封堵砂袋，按照环状拆除，中间核心部分预留，进行超前导管施工。

(3)设置超前导管。在靠近掌子面最前端未损坏的两榀格栅钢架之间打设一排φ42超前注浆小导管，导管穿过最后一榀钢架按水平上倾角15°打设。拱顶90°范围内导管环向间距10 cm，120°～90°范围环向间距30 cm，单根长度5.0 m。压注水泥+水玻璃双液浆，压力为0.5～1.0 MPa。

(4)调整初期支护参数。过坍方段采用I 22a型钢拱架，间距250 mm，钢架间设φ22纵向连接筋，内外双层设置，拱部设φ6.5@200 mm×200 mm双层钢筋网片。

初支背后安装注浆导管，纵向间距1.0 m，环向间距1.0 m；系统锚杆为φ22中空锚杆，L=3.0 m，间距1.0 m，梅花型布置；锁脚为φ42锚管，每榀布置，每榀钢架4根，L=3.0 m。

(5)调整开挖工法。坍体采用环形台阶法开挖，上台阶断面每循环进尺控制在0.5 m，采用保留核心土的环形台阶法进行施工(图8)。锁脚锚管、系统锚杆在挖除核心土后立即打设。

(6)开挖至原掌子面的封闭处理。循环施作钢架10榀，完成后对掌子面进行喷射C25混凝土20 cm厚封闭。上台阶长时间摆放，为保证上台阶支护稳定，底部施作Ⅰ22a型钢临时支撑，临时横撑对应每榀钢架设置。

图8 环形台阶法施工

3 坍塌的预防措施

3.1 帷幕注浆预加固

区间隧道拱顶局部穿越富水砂层，大部分段落处于拱顶与砂层接触带，采用半断面帷幕注浆方案，重点加强拱部注浆。对上半断面开挖轮廓线范围进行深层注浆加固和止水，防止隧道开挖过程中发生涌砂、涌泥、涌水，以避免坍塌事故的发生(图9)。

(1)注浆范围为轮廓外3 m。

(2)每一标准循环注浆长度为14 m，开挖10 m，预留4 m止浆岩盘。

图9 止水帷幕注浆

(3)注浆孔按浆液扩散半径为1.5 m，孔底间距不大于2.5 m布设。

(4)注浆孔开孔直径不小于89 mm，孔口管直径80 mm。

(5)浆液采用双液浆，水泥浆∶水玻璃=1∶1(体积比)。

3.2 开挖工法调整

采用环形台阶法开挖，上台阶断面每循环进尺控制在0.5 m，采用弧形开挖、保留核心土的方法进行。锁脚锚管、系统锚杆在挖除核心土后立即打设。

3.3 增强初支支护强度和刚度

(1)初期喷混凝土：C 25混凝土全断面支护。

(2)拱部φ42超前注浆小导管,L=4.0 m,水平倾角15°，环距0.25 m，纵距1.5 m。

(3)格栅钢架：全环设置，钢架间距0.5 m，采用四肢格栅钢架，其布置间距可根据地质情况或监测信息予以调整。

(4)钢筋网片：全环双层钢筋网设置φ6.5@150 mm×150 mm。

(5)初支背后注浆：注浆导管纵向间距1.0 m，环向间距1.0 m。

4 坍塌的综合处治效果

4.1 数值模拟效果评价

根据地质勘查资料，各地层基本物理力学参数见表1。

通过采用Midas GTS数值分析软件模拟了防护措施实施后的情况，隧道位移云图如图10所示,隧道应力云图如图11所示。

表1 各地层物理力学参数

(a)竖向位移云图

(b)水平位移云图图10 隧道分析位移云图

(a)竖向应力云图

(b)水平应力云图

通过分析表明，隧道拱顶最大沉降量为6.7 mm。通过帷幕注浆、预留核心土及增加初支支护强度和刚度等技术措施，能有效地控制隧道的应力和变形。

4.2 现场监控效果评价

对坍塌发生点周围的地表、地下管线、隧道内初期支护的变形情况进行监测，共布设监测点51个。监测频率每2 h一次，进行24 h不间断监测。截止7月21日,累计最大地表沉降8.4 mm，管线最大沉降量1.83 mm，隧道内拱顶最大沉降量4.7 mm，净空收敛最大0.3 mm。监测数据显示，7月19日后，日累计沉降最大点不超过1 mm，地表、管线机隧道内的变形趋于稳定。

目前，该区间已全线贯通，实践表明前期综合处理措施是有效的。