奥陶系浅变质板岩地层半山隧道坍塌成因分析与处治

张建军

(中铁十二局集团第七工程有限公司， 湖南 长沙 410004)



奥陶系浅变质板岩地层半山隧道坍塌成因分析与处治

张建军

(中铁十二局集团第七工程有限公司， 湖南 长沙 410004)

摘要:由于板岩地层的断层破碎带较多，隧道穿越板岩地层时极易发生塌方事故。通过对半山隧道塌方的调查，研究奥陶系浅变质板岩隧道塌方的原因，在此基础上提出塌方的处治方案，结果表明：由于节理密集带走向和隧道走向夹角较小，形成不利结构面组合并斜穿隧道，隧道开挖极易造成大面积塌方，是产生塌方的基本原因；拱顶脱空严重，块石堆积重力超过初期支护支撑强度导致开裂，是产生塌方的直接原因。提出优化超前注浆及超前长管棚的施工方案，并采用三台阶预留核心土法进行开挖。按照处治方案进行施工，效果良好，可为类似工程塌方处理提供借鉴。

关键词：隧道；板岩；坍塌；处治

板岩在我国分布范围很广，由于其独特的层理特点，而且板岩自身性质软弱，板岩隧道施工时经常发生较大变形和塌方，影响隧道的正常施工[1-3]。目前，对于板岩隧道塌方现象进行详细总结的文献较少，大部分已有文献均以塌方问题的治理为主要立意[4-5]。半山隧道是较具有代表性的板岩隧道工程，隧道在施工中遇到掉块或塌方等围岩失稳现象，严重影响隧道安全施工，深入分析隧道塌方原因并采取相应的预防措施和整治措施，对于今后板岩隧道工程有重要借鉴意义[6-8]。本文以半山隧道的塌方为研究背景，对典型塌方地段情况做了详细描述，并对塌方的成因进行了分析，介绍了塌方处治措施，为以后处治类似工程塌方提供借鉴和参考。

1奥陶系浅变质板岩地段隧道塌方概况

1.1半山隧道概况和塌方发展过程

半山隧道全长5 625.82m，半山隧道处于低山区，沿线地形起伏较大，地势陡峻，总体地势西高东低，隧道最大埋深341m。隧道地质构造复杂，岩相变化较大。根据沉积物成分、沉积年代、地质运动，分为砂质板岩、泥板岩、炭质板岩、含砾质板岩、条带状板岩夹凝灰岩、粉砂质板岩，薄至中厚层状构造，夹层互层现象较多，受多次构造运动，断层多节理裂隙较发育，局部密集发育，岩体破碎。半山隧道坍塌处地表地形呈马鞍形，大部基岩裸露，马鞍形内有坡积土覆盖，塌方区域段DK217+860～DK217+980有一条深沟，宽约120m，地形异常陡峭，前后高差52m左右。

塌方发生经过如图1～2所示。

图1　半山隧道塌方段相对位置示意图Fig.1 Relative position of Banshan tunnel’s collapse

图2　DK217+916～+999段塌方过程示意图Fig.2 Schematic of collapse process at the DK217+916～+999

根据现场塌方的实际情况，划分为第1阶段塌方和第2阶段塌方。

第1阶段塌方从22日开始到24日结束，具体情况如下所述：

半山隧道进口DK217+938～DK217 +940拱部初支混凝土出现环向长约6m、纵向长约2m的裂缝，裂缝宽度约5～10mm。23日下午拱部再次发现裂纹并往掌子面方向发展，24日晚上DK217+990～DK217+946段发生塌方，塌方段长度约44m。

第2阶段塌方从25日开始到27日结束，具体情况如下所述：

在25日，DK217+946～+916继续塌方，二衬台车支架严重变形，台车前后仰拱两侧出现裂缝，缝宽约1～5mm。至26日，DK217+900前后二衬自拱腰向边墙出现斜向裂缝，缝宽约0.2～1mm。27日后，塌体趋于稳定。

1.2塌方段地质情况

塌方段主要位于奥陶系桥亭子组上段及下段，该段隧道埋深为61～113m，穿越岩层主要为强风化的泥质板岩、砂质板岩，薄层状，岩质较软，岩石节理裂隙非常发育，岩体破碎，呈散体状结构，DK217+940钻心结构如图3所示。隧道洞身桩号DK217 +860～DK217+980段有一条深沟，宽约120m，地形异常陡峭，前后高差52m左右。塌方段后方约70m处DK217+840有一条逆断层，与路线交角60°。隧道穿越地区整体表现为一平缓起伏的单斜构造，倾向130°，倾角60°。

图3　DK217+940处50～55 m芯样Fig.3 Core samples from 50～55 m depth at the DK217 + 940

2隧道塌方成因分析

经综合分析塌方断面处的地质条件和施工过程，引起该处塌方的原因有以下几点。

2.1岩体自身特点

该段通过古老的奥陶系浅变质砂质板岩，含泥量较高，且局部发育顺层的隐性构造节理密集带，虽然岩体保持层状外观，但内部结构已被强烈切割，岩体破碎。当施工揭露节理密集带时，因硬质岩体塑性变形不明显，岩体应力释放会引起节理裂隙松弛，导致地表水下渗，造成结构面软化、岩体失稳[9-12]。

由于节理密集性状复杂，其形成和分布具有很大的偶然性，规律和变形特征不明显，造成此段塌方具有隐蔽性、突发性和连续性。同时，节理密集带走向和隧道走向夹角较小，形成不利结构面组合斜穿隧道，易造成较长地段牵引型连续坍塌。

2.2地下水影响

该地区连续3个月降雨，因该段围岩节理裂隙发育，大量雨水通过裂隙不断渗透至隧道围岩，软化围岩并减小泥质充填物的胶结作用，降低围岩自承载能力，产生较大的应力松弛。同时，因该段板岩具有良好的隔水性，洞内无明显渗水，但雨水增加了围岩容重，当岩体和初期支护无法支承时，板岩会突然破裂，造成大范围塌方。

2.3施工原因

经检测发现，该段拱顶背后脱空严重，围岩和初期支护未形成良好的共同承载体。隧道开挖扰动易引起的块石脱落，作用在成型的初期支护上，当荷载超过初期支护承载力极限值时，支护机制失效，初期支护变形开裂、围岩剥落掉块，从而牵引整个岩层扰动区域发生大面积坍塌。塌方发展过程如图4所示。

图4　塌方发展示意图Fig.4 Development process of collapse

3坍塌体处治方案

由于受篇幅所限，这里仅对DK217+916～DK218+020塌方段进行分析，长度共104m。

3.1超前注浆段落划分

3.1.1整体段落划分

塌方前，半山隧道进口段上台阶掌子面里程DK217+999，下台阶掌子面里程DK217+964。对DK217+914～DK217+964共50m开挖轮廓线及开挖轮廓线外6m内塌体注浆加固及超前长管棚支护；对DK217+964～DK218+020共56m开挖轮廓及开挖轮廓线外8m内塌体注浆加固及超前长管棚支护。

3.1.2循环段落划分

塌方处理段超前注浆起讫里程为DK217+914～DK218+020，注浆段落总长106m。该塌方段落总共划分为4个注浆循环。第1～3循环注浆长度30m，预留5m止浆岩盘，有效开挖长度25m；第4循环注浆长度31m，开挖31m，由1号斜井进口预留5m止浆岩盘。

第2循环止浆岩盘及止浆墙设置如下：二衬台车最后一块模板不拆除，置换模板背后初期支护，利用该模板施作超前注浆止浆墙，止浆墙厚度2m，采用C20混凝土灌注，兼做超前长管棚导向墙，如图5所示。

图5　DK217+914～+916段第二循环止浆墙施工Fig.5 Construction of stop slurry wall for the second cycle at the DK217 + 914 ～ + 916

3.2超前注浆参数

1)DK217+914～DK217+964段注浆参数：注浆孔均布置于上台阶，DK217+914～DK217+964段每循环布孔54个；注浆开孔直径110mm，长度为3m，设置Φ108壁厚5mm孔口管；孔洞剩余部分钻孔直径均为91mm；注浆范围为隧道开挖轮廓外6m；注浆浆液为水泥水玻璃双液浆及水泥浆结合；辅助成孔时采用双液浆，注浆加固及固结时采用单液浆；单孔有效扩散半径为：隧道开挖轮廓外3.0m，隧道开挖轮廓线内为2.5m；隧道开挖轮廓内地层注浆压力1.0～1.5MPa；隧道开挖轮廓外地层注浆压力1.5～2.0MPa。

2)DK217+964～DK218+020段注浆参数：注浆孔均布置于上台阶，DK217+964～DK218+020段每循环布孔47个；其余与前一段所述。

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3.3注浆标准

3.3.1单孔结束标准

注浆压力逐步升高至设计终压，并稳定10min；注浆量不小于设计注浆量的80%；进浆速度为开始进浆速度的1/4。

3.3.2全段结束标准

所有注浆孔均已复核单孔结束条件，无漏注现象；浆液有效注入范围大于设计值[13-15]。

3.4隧道注浆后效果评定

3.4.1钻孔检查法

按总注浆孔的5%～10%共设置12个检查孔兼补充注浆孔，检查孔应在均布的原则下，结合注浆资料的分析布设，如图6所示；检查孔应无涌泥、涌砂，不塌孔，渗水量应小于0.2L/(min·m)或小于设计涌水量，否则应予补注。

图6　检查孔布置示意图Fig.6 Layout schematic of inspection hole

3.4.2钻孔取芯法

通过钻孔取芯观察地层的注浆加固效果。从3个孔取芯的情况分析，芯样成短柱状，可明显看到被浆液充填的裂隙及已经被浆液固结的破碎岩体，浆液充填饱满，加固效果明显。取芯现场照片如图7所示。

图7　1号孔芯样Fig.7 Core samples from 1 hole

本循环并对3个孔的孔内摄像，从孔内摄像可以明显看出，前方破碎岩层以及裂隙被浆液充填，除局部存在块石颗粒外，大部分区段孔壁光滑，静置2～3h未出现塌孔现象，自稳能力较强，塌体围岩的自稳能力得到有效的改善。如图8和9所示。

图8　孔内摄像作业Fig.8 Operation of hole imagery

图9　1号孔图像Fig.9 Image from 1 hole

3.4.3压水试验法

对检查孔进行压水试验，当吸水量大于1L/(min·m)时，必须进行补充注浆。

检查孔吸水最大为15L，平均吸水为6L，可以计算围岩平均吸水量为6/30=0.2L/(min·m)，符合设计的1L/(min·m)达到检查效果标准要求，如图10所示。

图10　检查孔压水作业Fig.10 Water pressure test for inspection hole

3.5超前支护措施

超前支护采用超前长管棚及间隔超前小导管联合支护方案，具体参数如下。

1) 超前长管棚。超前注浆结束后分析注浆效果，注浆加固达到要求后开始管棚施工。管棚长度30m，纵向一般每25m一环。管棚全部采用钢花管，钢花管规格：热扎无缝钢管，外径108mm，壁厚5mm。每节钢花管两端均预加工成外丝扣，以便连接接头钢管。管棚环向设置间距按30cm布置，外插角10°，注浆材料采用水泥浆液，水泥浆液水灰比1∶1(重量比)或根据现场确定，注浆压力为2.0MPa。

图11　超前支护示意图Fig.11 Schematic of advanced ductile grouting

2) 超前小导管。超前导管采用壁厚3.5mmΦ42无缝热轧钢管制成，在前部钻注浆孔，孔径6～8mm，孔间距15cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于30cm，作为不钻孔的止浆段。小导管环向间距为30cm，外插角10°～15°。注浆材料为水泥浆液，水泥浆液水灰比根据现场确定，注浆压力为0.5～1.0MPa，如图11所示。

3.6衬砌支护参数及施工方法的选择

DK217+916～DK218+020段，共104m，衬砌采用加强式衬砌，具体参数如下。

1) 初期支护:初期支护厚度35cm，采用C30喷射混凝土(24h强度不低于10MPa)。钢架采用I25a型钢，钢架间距0.6m，岩侧采用Φ14钢筋网，网格间距15m×15cm；拱墙分界以拱部140°划分，边墙采用Φ22砂浆锚杆，锚杆长4.0m。

2) 二次衬砌:厚度拱部60cm，仰拱70cm，采用C35钢筋混凝土。配筋设计为：主筋采用Φ28钢筋，间距150mm，分布筋采用Φ18钢筋，间距250mm。

3) 钢架纵向刚度增强措施:为提高钢架的纵向刚度，钢架间连接筋采用Φ20钢筋，布置型式为V型。

4) 排水加强措施:对DK217+916～DK218+020段，共104m，加强其排水措施，具体加强措施为：每排水单元增加两道Φ50mm环向透水盲沟，环向透水盲沟开孔于隧道侧沟壁。

采用三台阶预留核心土法施工，纵向进尺0.5m/循环，仰拱封闭初支距开挖掌子面距离不超过20m，如图12所示。

图12　三台阶预留核心土开挖Fig.12 Excavation of three-step reserved-core soil

3.7塌方处理效果

半山隧道塌方段历时13个月完成，施工期间未发生任何安全、质量事故，于2013-08-01实现贯通，并实现半山隧道全线提前贯通。

4结论

1)节理密集带走向和隧道走向夹角较小，形成不利结构面组合并斜穿隧道，造成在较长地段发生牵引型连续坍塌，是产生塌方的基本原因。拱顶脱空严重，块石堆积重力超过初期支护支撑强度导致开裂，是产生大面积坍塌的直接原因。

2) 隧道塌方段按照“先加固，后开挖”的施工原则，优化超前注浆及超前长管棚施工方案，注浆过程查找盲区、补注浆，经注浆效果评定合格后采用三台阶预留核心土法开挖。

3)分析了塌方事故的成因，并提出了处治方案，而且施工期间未发生任何安全、质量事故，为以后处理类似工程塌方事故提供借鉴和参考。

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* 收稿日期：2015-09-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378505, 50808178)

通讯作者：张建军(1972-)， 男， 湖南岳阳人， 高级工程师，从事隧道与地下工程等领域的施工与管理工作;E-mail: 981750161@qq.com

中图分类号：U446.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1149-07

Causes and treatment method of collapse ofBanshan tunnel in ordovician low-metamorphic slate stratum

ZHANG Jianjun

(The7thEngineeringCo.,LtdofChinaRailway12thBureathGroup,Changsha410004,China)

Abstract:Because of the fault fracture zone in slate stratum, collapse may occur when tunnels are passing through slate strata. The collapse of the Banshan tunnel and the causes of the collapse was analyzed, and the solution to this accident was pointed out. It was concluded that: the angle between the joint density area and the tunnel direction was relatively small, which formed unfavorable structure for the tunnel. The excavation of the tunnel led to collapse in large scale, and this was the cause of collapse. When the dome disengaged, the supporting structure can not bear the gravity of the stacked stons. Then the collapse may occur because of this; A optimized and advanced construction program with grouting and long pipe roof was proposed, and the three-step Core Soil Reservation was used for excavation. During the construction under the guidance of the treatment, no accident occurred, which would provide reference for similar collapse accident in future.

Key words:tunnel; slate; collapse; treatment