大跨度隧道特大塌方处治技术探讨

2018-06-22陈人豪唐国军

西部交通科技 2018年4期

陈人豪，周祥，唐国军

(广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

大跨度隧道发生塌方，处治施工往往具有施工难度大、施工风险高、突发性强等特点。塌方处治不当，不仅容易延误工期、造成生命财产损失，也会给隧道后期运营留下重要安全隐患，给运营维修养护工作造成困难。本文通过总结某浅埋大跨度隧道塌方处治的成功经验与技术要点，为今后类似大跨度隧道工程的塌方处治提供参考。

1 隧道塌方情况

1.1 工程简介

依托工程隧道地貌属于盆地边缘丘陵地貌，地形起伏大。隧道分为机动车隧道与非机动车隧道；采用上下行分离式设置，为四个分离式小净距隧道。机动车隧道右线起始里程YK2+340，终点里程YK2+820，长480 m，属于短隧道。隧道最大开挖跨度为21.545 m，最大开挖高度为15.05 m。隧道纵坡2.5%，最大拱顶埋深约75 m。

1.2 工程及水文地质情况

据区域地质资料显示，离勘察区约18.2 km发育着正断层断裂带，勘察区受该断裂影响较小，自第四纪以来，该断层未见有活动迹象，区域稳定性较好。根据区域地质资料并结合现场地质调绘成果，隧道塌方冒顶区未见断层发育。隧道区下伏基岩为硅质砂岩夹硅化粉砂质泥岩，多以薄～中厚层状构造为主，裂隙多以构造、风化裂隙为主，发育密度大，多闭合，部分微张，岩层总体产状约300°/SW∠30°。隧道勘察区属于丘陵地貌，其集汇水面积不大，地形较陡峻，冲沟较发育，大气降水很快以坡面流的形式汇入冲沟进行排泄，部分渗入地下岩土层，勘察区未见地表水体存在。

1.3 塌方概况

2 塌方原因分析

从地质情况来看，塌方段为角砾质黏性土、全～强风化硅质砂岩夹硅化粉砂质泥岩，岩石节理裂隙发育，岩体破碎，围岩自稳性差。考虑到隧道塌方前，南宁市降雨频繁且雨量大，在降雨雨水下渗作用下，使得塌方区泥化夹层、土体和结构面产生软化，降低了塌方段岩体的自稳性，增大初期支护所承受的压力。

据施工单位反馈，塌方段施工过程中频繁出现土洞情况，隧道拱顶上方可能存在未揭露的土洞，在降雨雨水下渗作用下，先行塌方，引起连锁反应，导致隧道塌方。

从施工情况来看，机动车隧道右线双向施工，在薄弱的地层中作为贯通点，施工过程中发现空洞后，未引起高度重视，但由于多方原因，二衬迟迟未能跟进，最终在2016年9月发生塌方，这也是本次塌方产生的另一个诱因。

3 塌方处治方案

3.1 监控量测

为了掌握施工中围岩稳定程度与支护受力、变形的力学动态或信息，以判断设计、施工的安全性与经济性，隧道开挖后应按设计要求和现场实际情况立即布点并进行监测。根据规范要求及塌方段的实际情况，对隧道进行监控量测，项目主要有：地质和初期支护状况观察、水平净空收敛、拱顶下沉、锚杆轴力、地表下沉、钢拱架内力以及衬砌内力。

通过合理的监测手段及有效的分析处理，根据所测得位移量或回归分析所得最终位移量、位移速度及其变化趋势，评判围岩的稳定性及二衬支护时间。

3.2 塌方处治原则

根据塌方规模、地质勘察结果及现场实际情况，提出了以下几点处治原则：(1)鉴于该塌方段落围岩已发生多次塌方，且最近一次塌方已造成地表塌陷，围岩扰动较大，应采取地表注浆及洞内注浆等预加固措施；(2)围岩扰动较大，支护结构受到的荷载较大，应采用较强的初期支护及二次衬砌；(3)由于围岩差、开挖断面大，应采用减小扰动的施工工序；(4)为了保证预加固的效果及保障施工及运营安全，预加固采用地表注浆并结合洞内管棚、补强小导管等加固措施；(5)初期支护参数通过工程经验及数值定性分析确定；(6)二次衬砌根据《公路隧道设计规范》采用荷载结构法进行计算。考虑到二次衬砌需跟进施工，承担较大的荷载，确定二次衬砌厚度时，二次衬砌分担70%的按照浅埋计算的荷载。施工方法采用双侧壁导坑法施工工艺。施工过程中，二衬紧跟施工。

3.3 地表处理

为了防止地表水下渗至塌方体软化围岩，对后续塌方处治产生不利影响，进而可能造成二次塌方的风险，地表处理采取了以下两种措施：

(1)张裂缝的处理，主要通过回灌水泥浆液封堵裂缝后，再回填黏土层及种植土层进行处理。张裂缝外围应设置截水沟，截水沟应将水引出隧道外。

(2)地表处理及绿化。在完成地表灌注浆工作后，应首先修整地形，使地形能平顺排水，地形修真完成后应回填40 cm厚的黏性土隔水层，并要求与边坡搭接良好，防止水流从回填土与边坡搭接处渗入。回填黏性土后回填60 cm厚种植土。种植土要分层压实，压实度≥90%，内摩擦角>30°。完成填土后，种树恢复绿化。

3.4 地表注浆及超前注浆

3.4.1 地表注浆

注浆前从隧道内用砂袋进行反压，以保证地表注浆期间边坡稳定性及阻止浆液向隧道内扩散。地表注浆总体顺序为先在加固区域周边注双液浆，以形成有效封堵，防止后注水泥浆四处扩散，无法保证注浆效果。

注浆加固自里程YK2+408～YK2+509.5，其中YK2+408～YK2+413、YK2+504.5～YK2+509.5段注浆管不得侵入二衬。其他段落注浆竖向自隧道拱顶开挖线下5 m开始至拱顶开挖线以上20 m，水平自隧道开挖线向两侧外扩10 m。

要求对注浆施工组织进行细化，应根据每根注浆管平面位置计算出孔底标高，注浆方式为隔孔跳打。双液浆封堵区域浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比1∶0.8，采用42.5R早强水泥，水玻璃浓度35Be’，水泥浆与水玻璃比为1∶0.6(体积比)，浆压0.5～1 MPa，稳压5 min。水泥浆加固区域浆液采用水泥浆，水灰比为1∶0.8，采用42.5R早强水泥，浆压0.5～1 MPa，稳压10 min。

注浆前应进行注浆试验。注浆压力、浆液扩散半径等参数通过现场注浆试验确定。注浆效果通过声波检测法及钻芯取样检测，声波检测法采用对比注浆前后的纵波波速来检验注浆效果，要求注浆后纵波波速Vp≥950 m/s，要求注浆后破碎岩体无侧限抗压强度达到6 MPa。

3.4.2 洞内超前注浆

开挖前对掌子面塌方岩土体进行注浆加固，采用水平打设长度为6 m的φ42钢花管注水泥浆，水泥浆水灰比1∶0.8，钢花管1.5×1.5 m行列型布置，注浆压力0.3～0.5 MPa。注浆顺序为由外到内，水泥浆与岩土体胶结成整体后才能进行开挖。

隧道增设自进式超前管棚措施，管棚采用T76L，规格为φ76×9.5 mm，每根长10 m，环向间距0.4 m，支护范围为拱顶120°，每环65根，管棚杆体内采用M30水泥砂浆填充，管棚外插角6°～8°。由于隧道内塌方情况未知，因此暂定自进式管棚每间隔6 m设一环。

3.5 施工开挖方法

由于隧道断面大，为了保证施工安全，开挖采用双侧壁导坑法施工，施工中严格控制进尺。隧道单次开挖进尺应≤0.5 m。临时支护单次拆除长度应≤12 m。拱墙采用模板台车浇筑，单次浇筑长度为6 m，全断面二衬距核心土上台阶掌子面不得超过24 m。隧道采用单向掘进，从小里程向大里程方向掘进，不得双向掘进。

3.6 初期支护及二衬支护

初期支护采用双层Ⅰ25b工字钢初支，内外交错布置，工字钢纵向间距为0.5 m，工字钢连接采用C28钢筋连接，环向间距1 m。为保证钢架落脚处稳定，提高钢架的整体性，对拱脚进行加强处理，钢架落脚处采用4根φ42×4 mm锁脚钢管。隧道径向采用φ42×4 mm小导管替代原系统锚杆，小导管外插角为45°，长5 m，间距@0.8 m(环向)×1 m(纵向)，梅花型布置。小导管注浆采用水泥浆液，水灰比为1∶0.6，初始注浆压力为0.5～1 MPa，终压为2 MPa。挂网喷射钢纤维混凝土60 cm厚。二次采用1.4 m厚C40钢筋混凝土结构。

3.7 施工工序

地表处理、地表注浆及注浆效果检测合格后，开始进行洞内塌方处治。洞内塌方处治前，应对塌方段两端头进行注浆补强处治。塌方段采用单向掘进，从小里程从大里程方向掘进。先对掌子面塌方体进行注浆加固完成后，通过钻孔检查注浆效果达到要求后，立即进行自进式超前管棚施工。采用双侧壁导坑法施工，施工中单次进尺长度应≤0.5 m；双层初支第二层初支紧跟，单层初支距离掌子面应≤2 m；必要时增设临时横、竖支撑，稳步向前，二衬紧跟。

其中YK2+413～YK2+425、YK2+492.5～YK2+504.5段仰拱衬砌已浇筑，本次需破除。破除顺序根据双侧壁导坑工序，先破除导洞处仰拱衬砌，再破除核心土处仰拱衬砌。破除时先在仰拱上切槽，将相应位置初期支护及临时支护施做完成后再进行本部的仰拱大面积破除。破除仰拱时应注意对初期支护及临时支护的保护。