浅谈隧道穿越岩性分界面石质塌方处理措施

2018-06-14林运飞

西部交通科技 2018年2期

林运飞

(广西龙靖高速公路有限公司，广西南宁 530000)

0 引言

在公路山岭隧道建设过程中，隧道施工塌方的案例比比皆是。造成塌方的因素也有很多，例如围岩破碎、围岩节理具有不利组合、地下水影响、支护不及时、开挖方法不当等。目前所报导过的塌方大多是发生在围岩岩性比较单一的情况下，且塌方体以土质为主；对于穿越岩性分界面，且塌方体为石质的报道较少，因此有必要对穿越两种岩性的接触地段且同种围岩风化程度上下不均的隧道围岩施工进行研究，为以后的隧道工程安全施工提供指导。

2016年7月，位于靖西市的靖西至龙邦高速公路乐村隧道右线发生了大面积塌方。原因在于隧道穿越岩性分界面，掌子面拱顶为强～中风化辉绿岩，与强风化硅质岩捕掳体交界，拱顶辉绿岩岩体破碎，呈块状，裂隙发育，与硅质岩结合性差。在掘进过程中，拱顶辉绿岩岩体连续坍塌。因此，及时正确地处理和分析穿越岩性分界面、围岩强度不均、塌方体为石质的隧道塌方，对隧道的安全施工具有重要意义。

1 工程概况

1.1 隧道区地质情况

乐村隧道设计为分离式隧道，右洞长315 m，里程桩号为YK22+785～YK23+100，净宽10.75 m，净高5 m的建筑限界，单向纵坡为1.996%。隧道区属岩溶峰丛谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏较大，山体连绵起伏。隧道穿越一山体，谷地和山顶相对高差约115 m。隧道两头为灰岩出露区，中间为页岩出露区。根据地质调查、钻探及物探成果可知，隧道两端以沉积岩为主，地层岩性主要为泥盆系上统硅质岩及泥盆系中统灰岩；中间以岩浆岩为主，地层岩性主要为中生代辉绿岩。受岩浆侵入及后期地质构造及风化作用，围岩岩性、风化程度变化大。

2 塌方段地质及塌方情况

2.1 塌方区工程地质条件及水文地质条件

乐村隧道YK22+958～YK22+949塌方段平均埋深约72 m，属深埋情况。隧洞区内地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水，隧道单位长度用水量预测为0.42 m3/d·m，隧道围岩富水程度属弱富水区。根据地质调查、钻探及物探成果，YK22+960～YK22+985段可见强风化硅质岩捕掳体，YK22+958～YK22+949段设计围岩以全风化辉绿岩为主，大部分已风化成硬塑～坚硬黏土状，局部为强风化硅质岩及强～中风化辉绿岩，裂隙发育，岩体破碎，施工时洞室可能有滴水状或淋雨状出水。现场施工表明，掌子面下部以全风化辉绿岩为主，大部分已风化成硬塑～坚硬黏土状。掌子面上部拱顶为强～中风化辉绿岩与强风化硅质岩交界，辉绿岩呈块状，岩体破碎，裂隙发育；硅质岩呈褐色，泥质结构，薄层状构造，岩石极软，裂隙发育，岩体破碎，岩芯多呈碎块状、土柱状(图1)。掌子面设计围岩等级为Ⅴ级，支护形式为S5-B(表1)。

1.硅质岩 2.辉绿岩图1 YK22+958围岩结构纵向示意图

衬砌类型围岩级别超前支护初期支护锚杆钢筋网喷射混凝土钢拱架预留变形量二次衬砌S5-BⅤ级ϕ42×4 mm超前小导管,环向间距40 cm,纵向间距3 m,小导管长度4.5 mϕ25中空注浆锚杆,长度3.5 m,间距100 cm×75 cm;ϕ25中空注浆锚杆,长度3.5 m,间距100 cm×50 cmϕ8钢筋网20 cm×20 cm,单层24 cm Ⅰ18工字钢 75 cm12 cm仰拱二衬均为45 cm

2.2 塌方情况描述

隧道掘进到里程YK22+960时，隧道拱顶出现不稳定状态，时有小塌方。随着掌子面继续掘进至YK22+958，挖掘机在找顶过程中，拱顶发生局部塌方，在清理塌方体时，拱顶辉绿岩岩体发生大面积坍塌。塌方体以强～中风化辉绿岩为主，夹杂黄褐色强风化硅质岩，极破碎。塌方体估算有400～500 m3，掌子面前方坍塌深度未知，高度预计有30 m以上。塌方体堆满掌子面后，拱顶上部围岩仍不稳定，偶有岩体坠落冲击发出声响，塌方体不时从拱顶滑落。

2.3 塌方原因分析

根据初期物探，塌方段围岩应以全风化辉绿岩为主，大部分已风化成硬塑～坚硬黏土状；但掌子面实际情况显示，掌子面下部基本为全风化辉绿岩，上部为强～中风化辉绿岩，岩体破碎，裂隙发育，较坚硬，岩体表面较光滑，粘结性极差。掌子面穿越强风化硅质岩与强～中风化辉绿岩交界面，这两种岩体的风化程度、岩性截然不同。强风化硅质岩大部分已风化成坚硬黏土状，因此该交界面可以认为是一种软弱结构面。由此可知，隧道拱顶辉绿岩在软弱接触面的影响和自身重力作用下产生坍落是导致隧道塌方的决定因素。

塌方段在掘进过程中由于采用机械开挖，开挖时间较长，存在一定的空顶现象，且掘进过程中发生过小塌方，对拱顶上部围岩造成了扰动；开挖过程中也未严格落实预留核心土三台阶开挖，核心土预留面积过小，塌方体可滑动面积较大，从而导致拱顶塌方进一步扩大。因此，围岩失稳前支护结构不能及时有效地支护是造成塌方的促成因素，未严格按照开挖方法施工是造成塌方扩大的关键因素。

3 塌方处理方案与效果

3.1 塌方处理方案的确定

塌方发生后，项目公司、设计院、总监办、总承包部等相关人员立即到现场进行勘察。由于塌方体不稳定，塌方高度高，塌方岩体主要为较坚硬的强～中风化辉绿岩，塌方体坠落冲击力极大，因此不能对掌子面塌方体进行清理，须等待围岩稳定，而超前小导管注浆加固又不足以支撑拱顶上方塌方体。针对塌方具体情况，经研究讨论，提出了采用双层小导管注浆固结拱圈上方塌方体、管棚支护支撑掌子面前方塌方体、加强初期支护的方案来处理此次塌方。具体措施是：

(1)封闭塌方体回填喷混凝土：采用黏土对塌方体进行覆盖，覆盖厚度40 cm，并修整成台阶，再喷射10 cm混凝土，形成全封闭状态，便于掌子面松散塌方体注浆。

(2)初支加固：临近掌子面3榀初支钢架内侧加设临时护拱，形成双层拱架增强初支受力，并加强锁脚小导管支护。要求护拱与初支面做到密贴，不密贴处要进行喷射混凝土填充密实。

(3)双层小导管注浆固结拱圈上方塌方体：小导管第一层沿开挖轮廓线布置39根，倾角10°，环向间距40 cm，第二层倾角19°，环向间距40 cm与第一层导管成梅花型布置，注浆材料为M30水泥砂浆。小导管长4.5 m，每次搭接≥1.5 m，注浆压力在1.2 MP以上，保证注浆效果。

(4)管棚支护：掌子面塌方范围施作φ108管棚。管棚长9 m(暂定，视塌方大小而定)，倾角10°，环向间距50 cm，注M30水泥砂浆。

(5)掌子面掘进：严格按照预留核心土三台阶法开挖，控制每循环进尺0.5 m，按S5-A衬砌类型支护(见表2)，施工时做好超前小导管支护。

(6)塌方体空腔泵送混凝土：在处理YK22+958塌方体向前掘进过程中，采用管棚钻机钻孔探明塌方区域，如在3 m范围内还有空腔，从初支拱顶至塌方体临空面预留排气管、泵送混凝土管，并及时向空腔内泵送混凝土，使初支背后形成一道护拱，防止腔体内松散石块塌落压塌初支拱架威胁作业人员安全，消除安全质量隐患。

表2 分离式隧道S5-A复合式衬砌支护设计参数表

3.2 塌方的处理效果

为监测塌方段的处理效果，确保施工安全，保障隧道安全顺利掘进，在塌方段内设置YK22+957、YK22+953两个断面分别对拱顶沉降及周边收敛进行连续监测。通过观测数据来掌握这段围岩的变形情况。通过一个多月的监测，监控量测结果显示，拱顶沉降、周边位移已趋于稳定，其中YK22+957断面拱顶累计下沉量为5.8 mm(拱顶下沉时态曲线图见图2、拱顶下沉速率时态曲线图见图3)，周边位移累计位移量为5.26 mm(周边位移时态曲线图见图4、周边位移速率时态曲线图见图5)；YK22+953断面拱顶累计下沉量为11.8 mm(拱顶下沉时态曲线图见图6、拱顶下沉速率时态曲线图见图7)，周边位移累计位移量为5.29 mm(拱顶下沉时态曲线图见图8、拱顶下沉速率时态曲线图见图9)。