国道317线德格隧道冲沟浅埋碎石土段施工技术

2017-04-24尹晓辉

四川水泥 2017年1期

关键词：德格冲沟冒顶

尹晓辉

（四川路桥盛通建筑工程有限公司四川成都 610000）

国道317线德格隧道冲沟浅埋碎石土段施工技术

尹晓辉

（四川路桥盛通建筑工程有限公司四川成都 610000）

依托川藏公路工程新建德格隧道，分析隧道冲沟浅埋段碎石土围岩特点，提出针对隧道塌方冒顶的施工技术，并进行现场监控量测比较验证了技术效果。研究表明：受冲沟浅埋段碎石土围岩自身性状决定、地下水影响，施工扰动以及支护失效容易形成隧道冒顶，提出的系统施工技术包括：变更施工工法和加强支护参数，提高施工进度，探水和防排水相结合，加固基底，掌子面和地表塌腔回填的处治措施，现场实施效果明显。

隧道工程；冲沟浅埋段碎石土围岩；冒顶；施工技术；监控量测

1 引言

作为川藏经济走廊中“四路一隧”的重要工程，国道317线俄尔雅塘至岗托段公路改扩建工程德格隧道位于青藏高原。工程建设中出现的碎石土是一种多成因特殊土，在隧道进出口及浅埋和冲沟段最为常见。其成因主要为第四系全新统坡残积层碎石土、坡洪积块碎石土。

冲沟浅埋段碎石土隧道由于多种原因使得隧道围岩-支护结构受力和变形情况复杂，引起的围岩大变形、塌方冒顶对施工安全造成极大的风险和挑战。为此，众多学者对碎石土工程特性，稳定性和影响机理、隧道塌方的原因，以及过冲沟施工及坍塌处治的技术进行了研究[1-6]。

本文依托川藏公路工程新建德格隧道，分析隧道冲沟浅埋段碎石土围岩特点，提出防止隧道塌方冒顶的施工技术，并进行现场监控量测比较验证了技术效果。

2 工程概况

新建德格隧道进口设计高程3270.53米，按进口到出口方向进行施工，工程全长2970米，里程桩号为K399+375～K400+845，按二级公路单洞双向两车道设计，宽9.0米，高5.0米。

根据地勘、设计资料和现场开挖出露显示：德格隧道碎石土围岩钻探厚30m，分布于冲沟浅埋段的洞身部位。隧道洞身段K399+520～K399+560段穿越冲沟（见图1），沟谷位于K399+530位置。冲沟部位覆盖层段为V级围岩，主要为第四系的坡洪积块碎石土及中风化绢云石英片岩。

图1 隧道过冲沟段示意图

由于冲沟处洞内地下水随着开挖呈淋雨状或涌流状出露，洞外地表有常年流水，加之隧道埋深浅、成洞条件差，给施工带来了巨大挑战。

图2施工方法和支护结构示意图

3 冲沟浅埋段碎石土围岩特性分析

3.1 碎石土特性

通过开挖和现场试验可知：青藏地区冲洪积碎石土组成颗粒形状和表面不规则且粗糙，密度较大，其组成物理力学特性随地域、组成、母岩、土含水量, 饱和度等变化而变化。德格隧道块碎石土为灰色，呈次棱～棱角状，实质成份多为灰岩和砂岩。块石粒径6～10cm,含量约10%；碎石粒径2～6 cm, 含量约40～50%；砾石多呈次圆状，含量约10～20%，粒径2～6 cm，所含砾粉质粘土呈灰黄色，呈可塑～硬塑状，开挖显示碎石土层较湿润。

3.2 施工扰动及支护失效

德格隧道设计采用三台阶预留核心土环形开挖法，采用大管棚及双层小导管进行超前支护（支护参数见表1）。结合三维数值计算结果分析，隧道开挖因碎石土土体自稳能力差从而使围岩产生较大的应力释放，一旦施工支护不及时或者支护强度不足支护结构就会被破坏。隧道开挖后在重力和地面附加荷载作用下，大量松散碎石土围岩应力重新分布，对管棚形成具有断续性和突发性的松动压力，从而导致管棚不能实现“承载拱”作用。前期钻爆施工影起的振动加剧了冲沟浅埋段碎石土围岩松动，使在浅埋段原本松散堆积的碎石土更加松弛。

受地勘资料及对碎石土围岩隧道的认识所限，设计之初采用的支护参数针对性不强，最终致使工程在修建的过程中多次出现大变形、塌方、支护结构破坏灾害。工程2013年5月进洞，至2014年3月进尺不足170m。特别在掌子面掘进至K399+535处时，掌子面左侧出现局部塌方，拱顶处出现长宽4.5m*4.5m、高4m塌腔，紧接其后塌腔上方持续出现塌方，从最先出现局部塌方开始到冒顶，掌子面被塌方体封闭短短6小时内，塌方量约为660m³，灾害事故现场如图3所示。

图3 施工现场灾害

4 隧道施工技术

针对冲沟浅埋段碎石土隧道冒顶原因，经由业主、设计和施工单位以及专家多次讨论后及时进行现场试验，提出了以下关键施工技术措施：

4.1 变更施工工法，加强支护参数

经现场大量监控数据证明，建议碎石土围岩预留变形量上调为25～30 cm。严格遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”原则，合理安排施工，提高支护结构封闭成环施工进度。对隧道开挖引起的爆破振动进行现场监控，减缓对碎石土体的影响。

图4 掌子面注浆施工现场

碎石土围岩的开挖加大了围岩的应力松弛区，因此，现场处治中参考规范[11]对推荐的施工工法和设计参数进行适当调整（见表2）。为保证支护结构具有足够的刚度和强度，先变更系统锚杆为Φ25 mm自进式中空注浆锚杆，间距变更为1.0 m ×0.5 m。洞内打设32根φ108管棚，环向间距40 cm，管棚中插入钢筋笼增强刚度，施工中先注纯水泥浆，对注浆量超过单管应注浆量10%的管进行二次注浆，从而解决大管棚穿越坍腔注浆不饱满的问题。在K399+530-K399+545段共增设13榀护拱，采用I18工字钢，并用φ22@0.5螺纹钢筋作为纵向连接筋将原有初支工字钢与护拱连接为整体，架设完毕后对套拱拱脚喷射混凝土30 cm进行加固。

表1 隧道支护体系参数变更前后明细表（单位：mm）

4.2 防排水措施和塌腔处理

做好地表防水处理。尽量将隧道过冲沟浅埋段碎石土的施工时间合理安排在非雨季进行。做好地表的防排水工作，对冲沟段地表，采用塑料布覆盖或水泥砂浆抹面、挖地面排水沟等措施进行防水截水处理。

利用红外探水设备对掘进前方以及隧道外围空间内有无含水层或含水构造进行探测，以便找准水量集聚点，进行有针对性的引排。对探明的积水区域，利用现场条件在水源补给侧采取措施，增设大功率水泵等抽水设施，通过地表打孔抽水和掌子面疏导排水，切断地下水向冲沟段碎石土中的排汇路径。在二衬防水布后设置与中央排水沟相连通的波纹管对隧道外围空间内的积水进行排泄，在洞外冲沟段周围5～8m范围内打竖向孔抽水。施工过程除加强监控量测外，还要考虑在拱脚承载力较弱的部位加设锁脚锚杆，在钢拱架底部设置槽钢垫块，并对基底岩土体进行注浆加固。

图5 现场塌腔回填

根据现场各方形成的处置方案，在塌腔上方地面设置安全警戒区，先对塌陷区施作排水通道，其后在地表利用泵送混凝土对坍塌体进行回填并分层振捣压实。设缓冲层和隔水层，隔水层与塌腔四周良好搭接，并与地表防水统一。

值得注意的是，对塌腔的处理不得采用塌腔留空、表面覆盖的方式进行，以免造成塌腔积水、留下周围居民坠落伤亡的二次安全隐患。

5 现场监控测试

为了对德格隧道施工技术效果进行分析，现场选取拱顶下沉和周边收敛数据进行分析。测试断面选为K399+530断面。

按图6所示进行拱顶下沉、周边收敛测点布置，现对图6中字母代表意义作如下说明：B为隧道变形即拱顶下沉和水平收敛监测点，采用收敛计和水准仪。

图6 拱顶及周边收敛量测布置现场布置示意图

隧道同一断面塌方及处治前后拱顶沉降、周边位移最终收敛时程曲线如图7、8所示。分析可知处治实施后的洞周变形值均在隧道预留变形量值30cm的控制范围内，而就隧道水平位移收敛值而言，隧道塌方冒顶处治之后的测量值要比塌方冒顶前测量值略小，就拱顶最终沉降值来说，隧道塌方冒顶处治之后的测量值要比塌方冒顶前测量值小得多。

结合图7、8还可以看出，隧道拱顶监测点在埋设25d内测量得到的变形值变形速率都相对较大，直至30d后拱顶沉降才逐步趋于基本稳定，说明处治方案的实施虽有效地抑制了洞周变形，但因冲沟浅埋碎石土围岩自稳性太差，导致监测断面洞周最终变形值依然相对偏大。