大橋頭隧道滑塌處理技術(shù)
2017-08-21
1．引言
黃山至祁門高速公路大橋頭隧道洞身穿越地層主要為元古界薊縣紀(jì)木坑組(Ptm)淺變質(zhì)板巖區(qū)域，該區(qū)域位于安徽省祁門縣境內(nèi)，屬低山丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏相對(duì)較大，植被發(fā)育，地下水豐富，構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造特殊，淺埋部位板巖受構(gòu)造活動(dòng)影響巖體極為破碎，隧道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性極差，圍巖遇水后發(fā)生崩解、塑變，嚴(yán)重影響施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度，隧道施工過(guò)程中具有發(fā)生滑塌的危險(xiǎn)性，該隧道施工至ZK85+713時(shí)發(fā)生了較大規(guī)模的滑塌。由于皖南地區(qū)大部分為板巖地質(zhì)，本隧道地質(zhì)構(gòu)造具有一定的代表性，結(jié)合大橋頭隧道滑塌處理，探討淺變質(zhì)板巖隧道施工及滑塌處理技術(shù)，也為類似工程提供借鑒。
2.滑塌過(guò)程及原因分析
2.1.滑塌過(guò)程
ZK85+636～ZK85+775段長(zhǎng)139m，原設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)板巖，SⅢ型支護(hù)形式。ZK85+636～ZK85+656變更為SⅣ-3型支護(hù)形式進(jìn)行施工，2010年4月12日該段施工完成后，掌子面圍巖仍未好轉(zhuǎn)，且出現(xiàn)大面積的灰白色角礫巖，巖體松散破碎，強(qiáng)度極低，遇水后掉塊嚴(yán)重，拱頂右側(cè)出現(xiàn)滑塌，形成塌腔，按SⅤ（X)支護(hù)形式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，拱頂出現(xiàn)水平狀構(gòu)造帶，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查討論決定ZK85+656～ZK85+676段變更按SⅤ（X)型支護(hù)形式進(jìn)行施工，ZK85+676～ZK85+713段開(kāi)挖揭露圍巖與設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)相符，按設(shè)計(jì)施工。
2010年5月12日上午10點(diǎn)，大橋頭隧道左線掌子面在開(kāi)挖完成，準(zhǔn)備出渣過(guò)程時(shí)，掌子面拱頂左側(cè)出現(xiàn)滑塌，滑塌里程ZK85+713左右,塌腔外露長(zhǎng)度8m左右，最大高度6.5m，塌腔向掌子面大里程方向延伸較深，深度約有7m左右，高度不明，滑塌引起ZK85+690～705段拱頂邊墻初期支護(hù)出現(xiàn)局部開(kāi)裂、掉塊現(xiàn)象?；w巖石為薄層（2-3cm）小碎塊狀。11點(diǎn)30分左右隧道開(kāi)始出現(xiàn)整體滑塌，滑塌先從右側(cè)拱腰到拱頂部位出現(xiàn)掉塊，拱頂左側(cè)隨后也開(kāi)始出現(xiàn)掉塊，這次滑塌至里程ZK85+692，滑塌長(zhǎng)度13m?；w將整個(gè)滑塌里程段隧道凈空完全封閉。中午12:30滑塌面繼續(xù)向洞口方向延伸，滑塌情況和11點(diǎn)30分情況類似，這次滑塌至里程ZK85+676處（初期支護(hù)拱架段），塌體將該處兩榀拱架撕裂，滑塌距離原開(kāi)挖掌子面ZK85+713處已經(jīng)達(dá)到37m。12點(diǎn)30分后，滑塌段上方掉塊仍在繼續(xù)，但沒(méi)有向洞口延伸，拱頂不間斷的出現(xiàn)掉塊，從掉塊聲音判斷，拱頂滑塌高度在10m以上，拱頂上方為空洞，到2010年13日凌晨4:20滑塌基本停止。該次滑塌引起ZK85+656～676拱架支護(hù)段噴射砼拱部出現(xiàn)開(kāi)裂，最大裂縫寬度達(dá)1cm。
初步估算本次滑塌長(zhǎng)度39m，滑塌方量計(jì)算：上斷面開(kāi)挖面積58.04m2,整個(gè)塌體處被填充方量為：58.04×39=2263.6m3，隧道拱頂上發(fā)預(yù)計(jì)滑塌方量為1500m3,預(yù)計(jì)總計(jì)滑塌方量為：3763.6m3。
2.2.原因分析
就整體情況來(lái)看，坍塌體基本為大塊板巖，最大層厚100cm左右，最大巖塊體積9m3,滑塌所揭露的結(jié)構(gòu)面與巖層結(jié)構(gòu)基本一致，一組走向?yàn)?40°～281°，與隧道走向夾角較小或平行，且傾角較陡，傾角75°～90°，為原生節(jié)理；一組結(jié)構(gòu)面走向與隧道走向夾角為60°～90°，傾角傾角70°～83°，為次生節(jié)理；另一組結(jié)構(gòu)面近似水平，為次生構(gòu)造，結(jié)構(gòu)面表面平整光滑，有絲絹光澤，與設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖相符。
隧道拱頂上方水平狀構(gòu)造帶，傾向于洞口方向，掌子面前方存在有傾向洞口方向的結(jié)構(gòu)面，掌子面第一次滑塌體圍巖破碎，呈薄層狀，強(qiáng)度極低，推斷隧道拱頂上方存在斷層破碎帶。該斷層破碎帶在掌子面與隧道拱頂距離較小，開(kāi)挖后拱頂圍巖已不能自承拱支撐該破碎帶，加上掌子面前方有不利構(gòu)造帶造成隧道左側(cè)拱頂前方形成塌腔。由于上述出現(xiàn)塌腔出現(xiàn)，圍巖走向與隧道軸線夾角較小，塌腔出現(xiàn)后應(yīng)力從新分布、集中，同時(shí)滑塌段施工時(shí)恰好是雨季，過(guò)量的地表雨水沿山體節(jié)理裂隙滲透到圍巖中，破壞了圍巖自身的穩(wěn)定造成連續(xù)滑塌。
3、 滑塌處理技術(shù)方案
根據(jù)本次滑塌面積大、塌腔高、掉塊大且速度快的特點(diǎn)，采取按不同部位（加固段、滑塌段、過(guò)渡段）分段處理的方案。處理的總體思路是：后加固→封閉塌體施作止?jié){墻→全斷面注漿固結(jié)滑塌體→等注漿固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度后正洞開(kāi)挖支護(hù)→進(jìn)行下循環(huán)施工→拱頂塌空區(qū)回填處理→二次襯砌施工。
3.1加固段施工
對(duì)已初支的未滑塌段ZK85+661-ZK85+676加固。該段在原變更為SⅤ(X)初期支護(hù)的基礎(chǔ)上，加設(shè)一排I20a工字鋼拱架，拱架間距80cm，用φ22鋼筋將新老鋼拱架焊接成整體，噴射平均10cm厚C25混凝土，將拱架與原初期支護(hù)封閉，形成整體。在全斷面范圍采用長(zhǎng)5m，φ42×4mm注漿小導(dǎo)管對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固；小導(dǎo)管縱向間距1m，環(huán)向間距50cm，梅花形布置，小導(dǎo)管端部與鋼拱架焊接成整體，以防止滑塌繼續(xù)向洞口方向發(fā)展，同時(shí)也為后續(xù)滑塌體的處理提供安全作業(yè)區(qū)段。
3.2 止?jié){墻施工
首先對(duì)ZK85+676滑塌體進(jìn)行初噴20cm厚C25混凝土封閉，封閉后在滑塌體外側(cè)堆碼砂袋，砂袋分層堆碼密實(shí)，在端部用砂袋堆碼3m厚的止?jié){墻，砂袋外側(cè)掛φ6.5，15×15cm的鋼筋網(wǎng)，在外面噴射30cm厚噴混凝土封閉，采用小導(dǎo)管對(duì)砂袋注漿加固，形成止?jié){墻。
3.3 滑塌體加固施工
滑體段(ZK85+676～ZK85+713,37m)采用6-9m長(zhǎng)的小導(dǎo)管進(jìn)行全斷面注雙液漿加固，每循環(huán)固結(jié)長(zhǎng)度按5m進(jìn)行施工，漿液采用體積比為1:1的水泥漿-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.8-1:1,注漿壓力控制在2Mpa以內(nèi)，最外圈小導(dǎo)管外插角為30°，小導(dǎo)管與鋼拱架焊接成整體，待漿液凝固達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行掘進(jìn)施工。
3.4．滑塌體開(kāi)挖支護(hù)施工
滑塌體掘進(jìn)按V級(jí)圍巖開(kāi)挖，開(kāi)挖采用環(huán)形預(yù)留核心土法進(jìn)行，預(yù)留15 cm沉降量，開(kāi)挖進(jìn)尺控制在0.5-0.6m，并及時(shí)施做初期支護(hù)封閉。預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖（圖1）；
進(jìn)入滑塌體后，嚴(yán)格按“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的要求掘進(jìn)，每開(kāi)挖、支護(hù)完成3m預(yù)留2m作為下循環(huán)注漿止?jié){墻。
初期支護(hù)參數(shù)：拱架采用I22b工字鋼，間距50cm，中臺(tái)階設(shè)置臨時(shí)仰拱，封閉成環(huán)，φ25中空錨桿采用L=4.5m，環(huán)、縱向間距100×50cm，φ6.5鋼筋網(wǎng)采用雙層，網(wǎng)格間距15cm×15cm，C25噴射砼厚度28cm。支護(hù)時(shí)拱架連接筋焊接牢固，拱腳下安設(shè)槽鋼，確保拱架穩(wěn)定，防止拱架下沉，在每榀拱架兩側(cè)拱腳處各設(shè)2根鎖腳小導(dǎo)管，鎖腳小導(dǎo)管采取φ42,L=4.5m無(wú)縫鋼管。
3.5.塌腔處理
塌腔段每支護(hù)5m在拱頂預(yù)埋φ130鋼管，泵送C25混凝土將塌腔回填密實(shí)。
3.6二次襯砌施工
二襯采用80cm厚鋼筋混凝土，(襯砌鋼筋：環(huán)向采用φ25螺紋鋼，縱向采用φ20螺紋鋼，間距20×20cm，箍筋采用φ8光圓鋼筋)，以承受滑塌體的重力及圍巖壓力。
4．施工過(guò)程及施工工藝
4.1施工過(guò)程
本次滑塌規(guī)模大，塌體為大塊石，單塊體積最大為9m3，處理難度和施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，處理時(shí)間長(zhǎng)，從處理方案確定到開(kāi)挖初支施工結(jié)束歷時(shí)4個(gè)月，整體處理流程為：滑塌體觀測(cè)→確定處理方案→施工準(zhǔn)備→后加固施工→堆碼沙袋施工止?jié){墻→滑塌段注漿加固→中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→拱頂塌腔泵送混凝土回填→臨時(shí)仰拱施工→下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)→仰拱施工→襯砌施工，滑塌段專項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)貫穿整個(gè)處理過(guò)程。
4.2關(guān)鍵施工工藝
4.2.1止?jié){墻施工
由于本次滑塌一直延伸到(ZK85+676)有拱架地段,并將右側(cè)兩榀格柵拱架撕裂，碴體將拱架前方空間完全封堵，為確保止?jié){墻施工安全首先對(duì)ZK85+676滑塌體進(jìn)行初噴20cm厚C25混凝土封閉，封閉后在滑塌體外側(cè)堆碼砂袋，砂袋分層交錯(cuò)堆碼密實(shí)，堆碼厚度為3m，砂袋外側(cè)掛φ6.5，15×15cm的鋼筋網(wǎng)，在外面噴射30cm厚噴混凝土封閉，采用小導(dǎo)管對(duì)砂袋注漿加固，形成止?jié){墻。采用沙袋堆碼形成的止?jié){墻有助于后續(xù)開(kāi)挖直接采用挖掘機(jī)直接挖出，減少爆破對(duì)塌體的震動(dòng)，減小安全隱患，避免二次滑塌。
4.2.2注漿施工
結(jié)合以往隧道滑塌處理經(jīng)驗(yàn)及本隧道塌體為大塊石、施工處理期為雨季，圍巖裂隙水豐富的特點(diǎn)，為確保注漿固結(jié)效果，縮短漿液凝固時(shí)間，減小漿液流失，最大效率發(fā)揮漿液漿固結(jié)作用，滑塌段注漿采用體積比為1:1的水泥-水玻璃雙液漿，為確保漿液沿隧道縱向及徑向擴(kuò)散，采用φ42花鋼管作為注漿載體，外圈導(dǎo)管長(zhǎng)9m，外插角為30°內(nèi)圈導(dǎo)管長(zhǎng)度為6m，理論固結(jié)區(qū)域不小于開(kāi)挖輪廓線外4.5m范圍。在注漿壓力的作用下使雙液漿滲入到孔隙、裂隙中，將破碎圍巖、碴體進(jìn)行膠結(jié)，形成整體，組成地層自承拱。
4.2.3開(kāi)挖初支
開(kāi)挖采用分部預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖，主要采用風(fēng)鎬進(jìn)行機(jī)械破碎，減少對(duì)塌體的擾動(dòng)。開(kāi)挖主要缺點(diǎn)是時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)度慢，投入的人力物力較大，優(yōu)點(diǎn)是減少擾動(dòng)，利用核心土作為施工平臺(tái)，充分發(fā)揮注漿后拱部圍巖的自穩(wěn)能力，能確保安全。
支護(hù)因采用核心土作為施工平臺(tái)，操作空間狹小，工人蹲著進(jìn)行作業(yè)，效率低下，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)度慢，需投入大量的人力物力，支護(hù)優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行初噴砼封閉開(kāi)挖面，并進(jìn)行觀測(cè)穩(wěn)定后再進(jìn)行后續(xù)施工，確保了作業(yè)人員的人身安全，有效避免出現(xiàn)二次滑塌。
5、結(jié)束語(yǔ)
該隧道滑塌處理施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)極大，選擇科學(xué)、合理的施工方案和措施是關(guān)鍵，經(jīng)實(shí)際開(kāi)挖檢查，注漿效果良好，漿體充填飽滿，拱頂5m范圍巖體無(wú)空洞，開(kāi)挖過(guò)程順利，沒(méi)有出現(xiàn)新的滑塌，實(shí)踐證明：采用該方法處理隧道滑塌安全性好，是成功的，望此文能給類似圍巖的隧道施工有所幫助和借鑒。
參考文獻(xiàn)
[1] 北京交科公路勘查設(shè)計(jì)研究院有限公司.黃山至祁門高速公路兩階段施工設(shè)計(jì)圖.第四冊(cè).北京.2009.
[2]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG F60-2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.
[3] TZ 204-2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南 [S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.
[4] 徐利鋒.小導(dǎo)管超前注漿法在通過(guò)隧道塌方段施工中的應(yīng)用 [J].鐵道建筑,2002.
[5]黃成光.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社,2006.
