某隧道坍塌原因及处治技术

PAGEPAGE10xx隧道坍塌原因分析及处治技术1前言正在加紧建设的xx高速公路系国家“五纵七横”国道主干线xx线上的重要路段。该公路起于xx街，至xx县城，全线采用四车道高速公路标准建设，计算行车速度采用80km/h，路基宽24.5m，起讫桩号k151+600～k225+500，全长73.9km。该路段地处欧亚板块与印度洋板块碰撞带的东缘附近,新第三纪以来地壳抬升迅速,受之影响,区内各类新构造运动强烈，破坏性地震频繁，近地表岩层结构面发育，风化差异性大[1～3]。广泛存在的不稳定岩土体为地质灾害的形成提供了物质基础。xx隧道位于该高速公路上的xx省xx县，该隧道为上、下行分离的四车道，设计采用同曲率单心圆拱曲墙断面。最大开挖宽度13.1m，最大开挖高度10.85m，最大开挖断面面积114m2。隧道采用复合式衬砌，一次支护厚度0.23m，二次衬砌厚度0.6m。其右幅起止桩号为K197+960～K198+465，全长505m，隧道埋深为64.1m；左幅起止桩号为K197+930～K198+388，全长458m，隧道埋深为44.2m。路拱横坡右幅为+5%、左幅在-4.55%～-5%之间变化。此隧道从左幅xx年xx月xx日进洞以来，施工中按照“短开挖、强支护、快衬砌、早封闭”的原则，进行短台阶分部法施工，初期支护采用I16钢拱架、钢筋网片、锚杆和喷射混凝土联合支护，但塌方还是经常出现，每次拱部循环只能进尺1～1.2米。作者根据现场施工经历对该隧道施工过程的坍塌原因及处治措施做一些探讨。2工程地质概况2.1地形地貌xx隧道位于低中山剥蚀地貌，浑圆顶状中山，穿越山脊，地形陡峻，地质作用以构造剥蚀作用为主。2.2地质构造隧道位于南岭纬向构造体系的西端，黔桂经向构造带的西南缘，青藏滇缅印尼巨型“歹”字构造体系中部东支的东侧。滇越巨型旋钮构造体系的旋回面在本区内也是明显存在的。由于以上各种构造体系长期活动和互相影响，因此，各个构造体系的不同规模、不同序次，不同等级的各种构造形迹，以及它们之间的相互干扰、限制和切割，构成了全区比较复杂的区域构造。2.3地层岩性隧道覆盖层为第四系覆盖层（Q）褐灰、褐红、褐黄色亚粘土含少量强风化泥岩、灰岩、粉砂岩角砾、碎石，硬塑状。该隧道右幅进口及左幅出口端覆盖层厚约3.4～18.6米；右幅出口及左幅进口端覆盖层厚度约7.7～8.7米。隧道处构造发育，在隧道进出口端各有断层经过，岩层破碎。围岩为灰、深灰、灰黑、黑色炭质页岩、页岩，呈强风化，碎石状，节理裂隙及页理、片理十分发育，该层分布于整个隧道，岩层产状108°∠47°。根据隧道围岩分类标准[《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)]，综合物探、钻探资料及地调成果，本隧道围岩可定为Ⅴ级。2.4水文条件隧道区地下水类型以基岩裂隙水为主，岩层富水性中等至较强。局部富水性较弱，ZK49（左K198+200右3米）钻孔地下水位为6.2米，隧道处地下水位埋藏较浅，可推测隧道处地下水丰富。3坍塌情况表1坍塌情况简介表序号塌方时间坍塌里程坍塌情况示意图105-11-001左幅K198++310拱部此塌洞距原地面面18m左右右，呈圆腔腔状，长99m，宽8.22m，高7m。有大量地地下水涌出出，坍塌体体由土夹石石组成。205-12-007右幅K198+4008左侧拱部部直接塌穿地表，呈呈圆柱状，高高11.22m，直径径8.2mm。有小量地地下水涌出出，坍塌体体由松散状状黄粘土组组成。305-12-224右幅K198+4008右侧拱部部出现右侧拱部，长长11m，宽宽8.7mm，高8m。有小量地地下水涌出出，坍塌体体由松散状状黄粘土组组成。405-12-115～19左幅K198++302拱部第一次坍洞呈圆圆柱状，高高15.22m，直径径15.33m。第二二次坍塌在在施工完成成第二次衬衬砌后塌穿穿地表。有有大量地下下水涌出，拱拱顶坍塌持持续时间长长。506-08-001右幅K198+2006左侧拱部部拱腰此塌洞呈长锥状状，在已支支护好右侧侧拱顶上，长长14m，宽宽13.11m。高6.22m。初期支护护突然坍塌塌，围岩软软弱，沉降降很大。606-12-006左幅K198++254右侧拱部部此塌洞呈圆锥状状，在开挖挖掌子面上上左侧拱顶顶上，长55m，宽5.11m，高6.22m。掌子面放放置时间较较长，围岩岩风化严重重。4坍塌分析4.1地下水作用(1)地下水流量增大引起围岩软化膨胀，变形增大，应力释放剧增[4]，加速了初期支护的失效，右幅K198+206左侧拱部拱腰段的施工正是连续两次强降雨之后进行的，由于该段围岩节理裂隙发育，埋深仅30m左右。大量地表水渗入地下，促使围岩稳定性状况恶化，地下水量加大后喷射砼粘着力减少，锚杆锚固力降低或失效，初期支护强度降低导致破坏。(2)大多数坍塌前都有隧道涌水发生[5]，这样会使地下水位急剧下降而产生真空负压，且水流冲刷潜蚀及涌砂又造成土粒不断流失，使岩溶洞穴中的充填物失去顶托力,上覆土层在自重应力、真空吸蚀等作用下，造成地下水降落漏斗范围内的地表发生塌陷(塌洞一般为椭圆或圆形)，相应范围的地表水或泉水漏失枯竭，个别塌陷由洞内坍方冒顶形成。如右幅K198+408右侧拱部，左幅K198+302拱部等。4.2勘察设计失误(1)该隧道设计对围岩的加固力度不足，拱墙锚杆的长度偏短(只有3.5m)，一部分锚杆未打人松动圈外稳定岩层中形成围岩加固圈。(2)设计支护措施过弱，造成拱顶大范围沉降及局部坍塌。如左线的K198+310塌方，左线K198+302塌方，刚过大管棚支护段，就引起隧道拱顶坍塌；如左线K198+287～254、K197+958～K198+029段大量沉降。(3)设计院对塌方段处理意见不够及时，如左线的K198+310塌方，在xx年xx月xx日坍塌，到xx年xx月xx日才给处理意见。(4)地勘和超前预报不能及时反馈现场施工。4.3施工不当(1)施工初期支护滞后于开挖作业面,未使围岩在早期发挥其自承能力，施工时喷射混凝土的厚度是否达到设计标准是直接影响到喷层与围岩能否很好的共同发挥作用[6]；另外,施工期间前方开挖扰动也是影响坍塌的一个重要因素。同时，由于掌子面没有及时封闭，而使围岩风化严重而失稳引起牵引性坍塌，如左幅K198+254右侧拱部。(2)上导开挖放置时间过长，对沉降和收敛预计不足。如右幅K198+206左侧拱部拱腰。5坍方处理措施5.1地表处理地表塌陷的在做好二次衬砌后，采用回填炭质页岩和粘土，回填土高出地面0.2～0.5米，并在陷坑周围挖截水沟，防止地表水进入塌体；为防止机动车车辆在陷坑附近行驶产生振动，在陷坑周围有围栏围上。如右幅K198+408塌洞。5.2塌腔壁处理在塌方初步稳定不掉块后，用C25喷射混凝土封闭塌腔壁，在低洼处埋设漏斗型排水管，集中排水。然后对塌洞壁打设锚杆，张挂钢筋网片，最后再喷射混凝土加固塌腔。如左幅K198+310塌洞，右幅K198+408塌洞，右幅K198+206塌洞，左幅K198+254塌洞。5.3双层钢拱架加固初期支护因坍塌对初期支护好的拱部混凝土造成裂纹，为防止注浆和坍体的双重压力对拱部产生双重压力对拱部产生破坏，需对支护好的拱部加强支护（紧邻塌洞已开挖支护段10米长的位置支立第二层钢拱架，钢架间距50cm，并喷射混凝土呈环状封闭），确保已支护好拱部的安全。5.4小导管注浆加固5.4.1注浆前准备工作在上三项工作施工同时，将ф42mm、长6米钢花管（管壁周围打梅花孔，孔径10mm，间距50cm，并将钢管端部加工成锥形状）人工推入或用大锤将导管打入掌子面及拱脚（注浆管间距0.3m，拱部第一排按7°外插角打入，第二排按15°外插角打入），导管打入后，导管另一头焊接好带丝扣的钢管，以便与注浆管连接。5.4.2导管注浆注浆材料：水泥选用425号普通硅酸盐水泥；水玻璃选用出厂浓度42～45Be，比重1.42～1.45；施工用水符合规范要求。配合比控制：水灰比为0.8；水玻璃稀释浓度为25～35Be；双液体积比为1：0.5～1：1；凝胶时间为20s～120s；注浆压力为0.5～1.5MPa。采用隔孔压注方法，确保各注浆管注满，注浆顺序从小拱脚向拱顶施注，一般注浆时间1～20小时天。5.5大管棚通过坍塌段施工对坍塌体长时间不稳定的坍塌（如左幅K198+302塌洞，右幅K198+408塌洞第二次坍塌）采用大管棚施工[7]。先用喷射砼封闭坍塌体，再用小导管注浆固结松散坍塌体，然后在拱部位置搭建施工平台，安装调试好外插角度15°，用钻孔钻钻孔，有塌孔的用跟进钢管顶进施工。孔径ф130mm，深度15米；钢管管径ф108mm，长18米，前15米管壁周围打梅花孔，孔径ф10mm，间距50cm，后3米下架立钢拱架，形成刚性骨架连成整体。注浆同小导管注浆。为加强钢支架的支承能力，防止初期支护沉降过大，在右K198+408～K198+398段每榀工字钢支架的拱腰处按原设计设临时仰拱,拱脚处设6根φ89钢管,钢管长L=4m,并将钢管与钢架焊接牢固。5.6坍塌体施工开挖与衬砌5.6.1小拱部开挖支护注浆完毕，清除注浆机具，因注浆时间较长，注浆后可立即开挖。开挖采用三部开挖支护施工。外拱顶向下255cm高度范围内注浆、开挖、一次支护，开挖一次支护一次，侧拱分左右两步注浆、开挖、一次支护。开挖时使用风镐配合人工进行施工，尽量减少挠动，每一循环开挖长度1～1.2m，开挖后立即喷射5cm厚砼，支护两榀I18钢拱架，拱脚每侧各打6根ф42锁脚锚杆，安装一榀钢花拱托梁，6根ф22连接钢筋（接下拱），拱脚铺设5cm厚木板，预埋软式排水管，喷射C25混凝土。喷完砼后，拱顶采用ф12～15cm圆木支撑，每次注浆只能循环两次开挖支护，2.0～2.5米，然后重新注浆，进行下一次循环（图1）。图1小拱部开挖支护示意图5.6.2侧拱开挖支护小拱部进尺10米后，进行侧拱开挖，开挖过程中，防止小拱部下沉量超限或掉拱，必须对拱部重新加固以防松动。开挖采取单侧进行，开挖完连接与小拱部支护钢拱架，预埋拱脚托梁，连接排水管，喷射混凝土。5.6.3下导及仰拱施工为保证塌方段施工安全，采用小拱部开挖穿过坍塌区，为确保坍塌区混凝土结构的整体受力，施工完小拱及侧拱后，停止拱部掘进，先进行上导的临时仰拱施工，然后再进行此段的边墙和仰拱施工，施工中采取短进尺，强支护，快衬砌的方案通过此段。（1）施工过程中，须加强对拱部及地表的量测，安排由专人负责，并做到随时观测，根据量测结果指导施工。（2）为确保小拱部的稳定和下沉量不侵入二次衬砌断面，根据量测结果：最大沉降量为30cm，收敛值10cm，施工时沉落量按30～50cm预留。（3）为确保坍塌体结构的安全，坍体处混凝土施工中，混凝土标号由设计的C25提高到C35，并对已一次衬砌好的小拱部加强支护。（4）因超挖坍体不稳定和施工原因，使拱顶存在一定的空隙，在小拱部施工过程中，预埋注浆管，待完成二衬后，再进行注浆填充密实。6处治效果及评价广砚高速公路xx隧道坍塌体实施了上述处治措施，现已全部通过。具体见表2表2坍塌体处治效果序号处治时间坍塌里程处治效果105-12-115左幅K198++310拱部从11月21日到12日15日处治完毕，塌塌洞趋于稳稳定，但此此段围岩破破碎带未完完全加固通通过。205-12-223右幅K198+4008左侧拱部14天处治完塌洞壁壁，因注浆浆固结效果果不佳，造造成塌方向向右侧发展展。306-1-122右幅K198+4008右侧拱部18天处治新的发展出出地塌方，大大管棚支护护参数符合合此段处治治效果，此此段破碎带带安全通过过。406-1-199左幅K198++302拱部此段受左幅K1