隧道大变形处置技术思路探讨

2015-07-10刘静

四川水泥 2015年11期

关键词：塌方掌子面围岩

刘静

（四川南渝高速公路有限公司）

隧道大变形处置技术思路探讨

刘静

（四川南渝高速公路有限公司）

隧道开挖出现大变形，及时处置防止于发生坍塌，但需合理的处置方法方可收到效果。本文以围岩破碎、地下水丰富华蓥山隧道为例，分析在开挖过程中出现大变形处置的新思路：前期的超前地质预报，修正设计；后期加强监控量测，及时反馈施工，采取及时有效的处置措施。

隧道塌方破碎带围岩地下水大变形超前预报

1. 引言

“要致富、先修路”。随着我国经济的从东向西发展趋势，加快西部经济发展已经迫在眉睫，为满足国家发展，西部的交通也加快建设，因此，山区公路出现大量公路隧道。由于山区地形地貌复杂，修建隧道出现各种不确定因素，其中隧道塌方是隧道施工中常见的灾害之一，因此各国对其进行了广泛研究。

塌方的研究主要集中在如何有效的预防塌方，其中一块是实时跟踪监测：一方面通过数据判断支护结构的变化情况；另一方通过地质特征，预防塌方：陆文星等提出建立围岩失稳判据[1]，郑陈昊等研究围岩实测变形数据曲线，建议不同类型围岩塌方预警预测体系的标准[2]。找出塌方诱发因素，也能很好的防止围岩的大变形，进而发生塌方。主要集中在：块体理论、突变理论、灰色系统理论和其他非线性理论等研究预防塌方[3]。

等在塌方防治技术方面。19世纪70年代兰州铁道学院《隧道工程》一书中提出：小坍清,先支后清;大坍穿,先棚后穿;治坍先治水的塌方处治原则。王迎超等经过大量观察总结出塌方放生的前兆，预防塌方需要包括三个方面：技术管理、组织管理和质量管理[3]。霍玉华等对管棚支护机理进行研究，其力学效应主要有梁拱效应、环槽效应和强化岩体三方面[4]。王桂平等研究了注浆加固围岩后，隧道拱顶以上被加固密实,形成结实体,从而达到整体稳定的效果[5]。

进行破碎及富水区带围岩的开挖，尤其要注意围岩的变化情况，而华蓥山隧道穿越复杂地质段，且围岩完整性差，富含地下水，设计、施工等整个过程中某一环节出问题就会发生工程事故。研究该隧道穿越富水破碎带，预防塌方等事故极有必要。

2. 项目概况及地质介绍

华蓥山隧道穿越华蓥山山脉，隧道平均长度为8159.5m。按80km/h双向四车道的高速公路标准设计，两洞身间距为28.9～37.3m。洞身主要穿过华蓥山背斜和大侠口断裂，隧道内存在断层破碎带、软弱围岩、岩溶及岩溶水等不良地质和特殊地质。

右洞桩号为K107+620～+635段主要以泥灰岩、泥岩、角砾岩为主，节理裂隙发育，被石膏、方解石填充；裂隙水发育，局部存在股状水，且围岩的完整及自稳性差。该段设计为Ⅴ级围岩，采用台阶法施工，局部采用预留核心土施工。掌子面退后一段距离，即桩号K107+556处出现上台底板冒水，原因是该段隧道埋深超过200m，存在一定水压，且隧道通过水循环带。

3. 超前地质预报

隧道在K107+580～K107+620段开挖的上台阶围岩为泥质灰岩、盐溶角砾岩、泥灰岩，裂隙发育，有少量填充物，方解石脉填充，局部夹石膏，泥质灰岩弱风化。此外，该段底板都在掌子面开挖过5m范围后，底板出现多处小涌水点。因此，为保证隧道施工顺利，加强该段短距离的地质预报探测，采用地质雷达100MHZ天线对K107+604～K107+639进行预报，并在K107+619～K107+649该段取芯钻孔。其雷达探测结果回波图与钻孔芯样图如下图所示。其探测结果如下表所示。

图1 雷达回波图和钻孔芯样图

表1 短距离超前预报探测结果

从初步设计的地质资料、超前地质预报结果和现有开挖段地质对比分析，该段超前地质预报结果能够较好反应前方预报段围岩的情况，并及时反馈给设计和施工，保证隧道安全施工。

4. 设计参数

设计根据前期的地质设计资料，结合超前地质预报结果，隧道在前期开挖段的围岩情况、掌子面约束作用的减弱，施工爆破对隧道周边的震动影响，修正了初步设计。该段围岩按Ⅴ级设计，设计参数如下表所示：

表2 隧道初期支护参数

该段施工按照设计进行，开挖过程中并未出现明显的异常情况，说明初期支护达到了良好的效果。随着掌子面的推进，掌子面对该段的约束力减弱，该段监控断面发生急剧变形，及时预警。

5、塌方预警及原因

监控量测主要目的是为了解围岩的稳定性、支护结构承载力和安全性信息[6]。随着隧道开挖的进行，监控开挖段出现大变形情况，及时反馈，避免大变形引起塌方，造成工程事故。

5.1 现场监控量测分析

根据隧道现场的监控量测规范和要求，该段按照间距10m一个断面进行监测，其监控量测断面设置在桩号为k107+630，距离掌子面10m处，在未埋设下一个断面之前。其中监控量测数据为拱顶沉降、和周边收敛。拱顶三个点采用水准仪进行测量，周边收敛采用收敛钢尺。监控量测布设图和该断面监测数据如图所示：

图2 监控量测测点布置和变形开裂图

图3 未加固前监控变形曲线和变形速率曲线

根据监测数据可知，拱顶下呈不收敛的趋势，最大沉降值为-38.63mm，且初支表面出现纵向、环向裂缝，环向裂缝最大宽度为20mm，环向裂缝最大长度为5m，隧道围岩在该段处于即将破坏的零界点。因此，根据监控分析数据该段预警，并建议采取掌子面停工，加固该段，待该段数据监控稳定后进行掌子面开挖。

5.2 大变形原因分析

隧道开挖在桩号为K107+630发生急剧变形的原因有以下几点：

① 地质作用：该段地质较差，隧道围岩完整性较差，地下水丰富，降低围岩的自稳能力。该段埋深超过200m，处于石膏层影响带，围岩破碎，完整性及自稳性差，且受地下水影响严重，因此该段具备了发生塌方的地质诱因。②开挖段围岩的受掌子面约束支撑作用。随着前方开挖的推进，掌子面对后方已挖断围岩的支撑约束作用减弱，围岩的约束减少变形加速。③现场施工因素。掌子面开挖速度过快，施工未按设计要求施工，钢拱架的架立不垂直、系统锚杆施做不规范等，降低了初支效果；以及强爆破产生的震动，使围岩松动，降低围岩彼此间的咬合力。④设计因素。设计偏于薄弱，且未能及时根据超前地质预报及现场地质改变设计参数，使其满足结构要求。

综合以上因素，内部因素与外部因素的共同作用下，致使围岩产生大变形，即将发生塌方事故。

6、处置措施讨论

根据《公路隧道施工技术细则》中对塌方的处置措施：处置措施的盲目性和防止坍塌继续扩大[6]，因此选择合理的塌方处理措施，既保证隧道安全，又节约工程费用，加快隧道施工，下面是两种措置方案的比较。

表3 处置方案比较

由于该段围岩破碎，地下水发育，须及时控制围岩变形，防止塌方的发生，且注浆效果难以保证，耗时、费用高，因此掌子面停止施工，优先选用采用临时钢支撑控制围岩变形能达到一定效果，再根据监控量测结果采取下一步措施。

7、处置结果

通过对处置后的断面监控数据可知：围岩的拱顶、左右拱腰下沉数据逐渐趋于常数，围岩的周边收敛也趋于常数，围岩的拱顶、左右拱腰沉降速率，以及周边收敛速率，都逐渐减小到趋于0。说明采用增加临时钢拱架措施，有效控制围岩变形，使围岩变形收敛趋势正常，最后支护稳定。说明选择的临时拱架的施工措施合理，且经济时效。以下是处置后监控量测趋势图。