隧道施工塌方机理及处治技术

隧道施工塌方机理及处治技术1塌方成因1.1不良地质造成的塌方不良地质主要包括风化变质岩体、裂隙发育岩体、崩塌岩堆地区、断层带、溶洞、滑坡、泥石流、膨胀性地层等。当隧道从这些岩体中通过时,如稍有疏忽就可能发生大塌方。1.2地下水造成的塌方地下水是影响围岩稳定的重要因素之一。它不但能使软化系数大的岩石强度降低,而且使结构面的抗剪强度减小。对于断层地下水影响更大,一般张性断层是储水结构,压性断层带中断层糜棱岩是隔水的,而另一侧的破碎带为含水的。当揭穿断层后,便时常发生突发性涌水而导致塌方。调查显示,地下水引起的塌方占总塌方数的45%以上。1.3地压造成的塌方地压主要包括偏压、塑性地压、滑坡及高地应力区等。偏压和滑坡在隧道洞口段造成的塌方实例很多,塑性地压引起隧道挤出性破坏也时有发生,高地应力区的完整坚硬岩体常发生岩爆等。1.4设计和施工不当造成的塌方目前,大多数隧道都采用“新奥法”设计和施工,由于对“新奥法”概念和原则的内涵理解有偏差,所以在许多工程中遭到失败。一般在软弱、破碎、偏压、浅埋等地层中施工隧道时,除应强调“短进尺、弱爆破、强支护”外,还要强调应用超前支护、及时闭合仰拱、勤测量、及时反馈、及时补强等措施;而不应强调柔性支护,更不能强调用变形释放来减载。因为这样可能会造成围岩松弛坍塌,“新奥法”对监控量测、信息处理、及时反馈要求很严,没有这样的保证,塌方是很难避免的。施工中喷混凝土厚度不够,尤其用模注混凝土代替喷混凝土,这种做法不妥。因模注混凝土的质量较差,对围岩裂隙不能充填,也就不能加强围岩,形不成喷层和地层的共同作用。随着爆破所产生动荷载的作用,会造成后部塌方,落石伤人。另外,爆破后的不正确找顶也会引起围岩顶部承载圈的整个失稳而塌方,如图1。若人工将1或2两块石撬掉,就会造成3、4、5、6四块石失稳,会形成虚线范围内的塌方;若只将浮石砸掉,喷上5ｃｍ厚的混凝土,使围岩裂缝被喷混凝土充填,塌方就能避免。图1不正确的撬顶引起塌方设计不当造成的塌方主要是指隧道平行断层通过或洞口选在滑坡体上,支护设计不合理,初期支护太弱,二次衬砌太强,围岩分类有问题等。2塌方形态2.1洞身段塌方从铁路、水工隧洞的塌方资料分析,可将其分为五种形态。2.1.1局部塌方局部塌方多发生在拱部,有时也出现在侧壁,主要在大块状岩体中。因岩体被结构面切割后,构成不同形状的不稳定结构体,洞室开挖后,不稳定结构体克服结构面的摩擦阻力向洞内滑移而发生塌方。这种塌方规模较小,一般塌方高度为0.5～2.5ｍ,易发生在Ⅲ类及Ⅲ类以上的硬岩中。预防这类塌方的有效方法是采用局部锚杆加喷混凝土,一般锚杆长度不应小于3ｍ,喷混凝土厚度在5ｃｍ以上,且初期支护必须及时。2.1.2拱形塌方拱形塌方一般发生在层状岩体或碎块状岩体中,有两类:一类是在坑跨范围内,仅出现在拱部;另一类是包括侧壁崩塌在内的扩大拱形塌方。该类塌方多出现在Ⅱ类以下松软地层中。对于浅埋隧道,往往通顶;对于深埋隧道由于出现摩擦拱,塌方高度多在4～20ｍ不等,规模较大。预防这类塌方的有效方法是采用系统锚杆+格栅支撑+喷混凝土,同时辅以超前支护或注浆等,最好用快硬水泥卷锚杆,长度不应小于3.5ｍ,喷混凝土厚度在15ｃｍ以上,分层施喷,初期支护要及时施作,并进行严密的监控量测。2.1.3异型塌方是由于特殊地质条件(溶洞、陷穴等)、浅埋、偏压等原因产生的塌方。在有缺陷的岩层中施工隧道,调查清楚溶洞或陷穴规模与隧道的关系、充填物情况等是选择正确施工方法并防止塌方的关键。浅埋、偏压隧道的施工必须对地表进行加固,施工方法可采用双侧壁法、中壁法等辅助工法,同时采用超前支护。2.1.4膨胀岩隧道塌方近年来,经常有关于膨胀岩隧道塌方的实例报道。其塌方的原因有:很高的膨胀压力作用在喷混凝土支护上;由于膨胀原因,使摩擦和剪切强度损失,造成很大的岩石材料重力荷载;很高的水压力积聚等。因此,为防止膨胀岩隧道塌方,一般先喷混凝土作岩石支护以增加膨胀岩的自稳时间,接着施作混凝土衬砌。实例表明混凝土衬砌有成拱作用,对防止膨胀岩隧道塌方很有意义。但仅作喷混凝土常常由于膨胀作用破坏,为此,及时施作模注混凝土衬砌是不可少的。2.1.5大变形隧道塌方和岩爆隧道大变形和岩爆是近年来地下工程界研究的焦点,有关报道很多,有关研究详见另文。2.2洞口段塌方隧道洞口段由于施工不当往往出现洞顶地表开裂、变形或下沉,有时发生塌方通顶。统计表明,洞口段塌方占隧道总塌方的80%。防止洞口段塌方,必须选择正确的施工方法和相应的工程措施,并确定估计工程地质因素的不良影响,“早进洞,晚出洞”是隧道的设计原则,必须遵守。要采用弱爆破,减少爆破振动影响,地表要及时加固并防护,同时要加强地表和洞内位移测量。3隧道塌方处治方法3.1洞身塌方处治3.1.1塌方量较小时的处治方法①对塌方相邻段作强支护,以控制塌方的发展和蔓延;②待相邻段稳定后,以短进尺清渣;③清除危石后立即喷混凝土;④打锚杆或超前注浆管棚;⑤挂钢筋网,复喷混凝土达设计厚度(15～20ｃｍ);⑥进行监控量测;⑦循序前进,往前施工;⑧衬砌加强(钢拱加径向型钢支撑)。3.1.2塌方量很大或通顶时的处治方法①对塌方相邻段作强支护,以控制塌方的发展和蔓延;②对塌体从地表(浅埋时)或隧道内沿开挖线以外打孔注浆或超前管棚注浆,胶结松散塌体;③待稳固后,小段清渣;④及时挂网、喷混凝土;⑤安设钢支撑并纵向连接,上下与锚杆、管棚焊接形成为一初期支护的完整受力体;⑥进行监控量测;⑦循序前进,往前施工;⑧衬砌加强(护拱腹部留空)。3.1.3地表沉陷的处治方法①地表处理,地表及时回填并夯实(或喷混凝土封闭),可预埋注浆管,搭防雨棚(或植草皮),挖排水沟;②对塌方相邻段作强支护,以控制塌方的发展和蔓延;③塌方体处理,洞内塌体用钢轨或小钢管超前支护;塌方段打纵向钢轨、竖向钢轨并用横向钢管支撑焊接为一整体,然后压浆;④塌渣处理,随挖随撑;超挖部分用同级混凝土回填(或用浆砌片石回填);⑤进行监控量测;⑥循序前进,往前施工;⑦衬砌按钢筋混凝土结构进行特殊设计。3.1.4膨胀岩塌方处治方法排除膨胀岩形成的塌方常常是一种艰难的任务。当在膨胀带发生递增性很大的塌方时,会在未预计的区间发生各种不同尺寸的单个岩块坍落。当塌方空洞被坍落岩土覆盖时,常常不可能了解塌方是怎样发展成的,试图用灌浆和锚杆来稳定这类松散岩土很难获得成功。用冻结法稳定必须是含饱和水的密实堆积坍落岩土,而且地下水流动很慢。用前部支撑(矢板)法则要求坍落岩体中大块岩石含量低并有合理的摩擦角,否则,这些方法都不会奏效。排除膨胀岩形成塌方最好的办法可能是用逐步开挖和支护法另开挖一旁通道来实现。如果该地区的地层材料固结性很低,在旁通隧道掘进进入该地区前,为了减小孔隙压力,必须在顶板上方高处钻一些长的排水孔。3.1.5洞内有大涌水的塌方处治方法①由主洞迂回进入涌水区,向塌方体四周注入药液并排水;②构筑挡墙;③排水钻孔兼作空洞调查;④向塌方空洞充填泥浆、水玻璃;⑤向坍体部位周围山体注入水玻璃加固;⑥钻孔检查,确认加固效果;⑦拆除挡墙;⑧清除隧道内的土砂及塌方体;⑨恢复掘进。3.1.6洞内溶洞处治方法对于大型溶洞可能要采取梁跨的措施,采取横梁和支墩支托纵梁,纵梁上再作隧道边墙。纵梁用钢筋混凝土板梁以支承边墙,板梁分别置于支墩和悬臂横梁上,悬臂的固定端埋入钢筋,增加稳定。对于中小型溶洞,处理方法如下:①清除溶洞内充填物和悬吊钟乳;②沿洞周打锚杆、布设钢筋网、喷混凝土;③二次衬砌施工;④溶洞空穴回填密实。3.2洞口塌方处治洞口塌方实际上是滑坡,其治理方法是:以某一种措施为主,辅以其他工程措施。当以明洞作为整治滑坡的主体工程时,还应针对滑坡产生的原因以及地形、地质条件和抗滑要求,辅以其他工程措施,如疏排地表水和地下水、减载或反压、设支挡建筑物等综合治理。3.2.1疏排地表水在滑坡边缘以外稳定地段(一般距边缘不小于5ｍ)设置环形截水沟(一道或数道),拦截地表水,避免流入滑坡范围。同时滑坡范围内布置树枝状排水系统,整平夯实滑坡范围内的裂缝,以防地表水下渗。3.2.2引排地下水根据地下水的埋藏深度、位置以及水量等不同情况,可选用支撑渗沟、截水渗沟,渗水隧洞或水平钻孔等引排地下水。3.2.3减载或反压减载主要是在滑坡的主滑地段将滑体的上部清除一部分,以减小滑体的下滑力。减载措施适宜于滑床上陡下缓,且后缘及侧缘地层稳定,不致因减载而引起滑坡向后缘或向侧缘发展。反压是利用滑体上部减载弃方填于滑体的抗滑地段(滑体前缘),以增加其抗滑稳定作用。减载范围及减载系数的确定需根据滑坡主轴断面,进行剩余下滑力验算,划分出主滑地段及抗滑地段,选定减载及反压的最佳部位,一般需反复试算,求得稳定系数在1.15～1.25范围内,方可确定出满意的部位及数量。减载后的暴露面应整平夯实,其平台应有较大的横坡,并应做好减载范围内的防排水工作。3.2.4抗滑挡墙抗滑挡墙是整治滑坡常用的有效措施之一,实践中常与其他整治措施配合使用。3.2.5抗滑桩抗滑桩是能承受滑体较大推力的抗滑建筑物的一种形式,成排布置,能借助桩的受荷段(滑动面以上)及桩背土体与桩两侧的摩擦阻力形成的土拱效应,以稳定土体不致由桩间滑出。滑动面以下部分(锚固段)的锚固作用和被动抗力,以及滑动面以上桩前滑体的被动抗力用来支撑滑坡推力。因此,滑坡体应为非塑流性的土体或岩块才有条件设计抗滑桩,且