高速隧道反复倒塌事故分析及处治措施

高速隧道反复倒塌事故分析及处治措施

随着我国交通的快速发展，隧道工程随着越来越多的工程效率提高，导致了许多技术问题。其中，坍塌是隧道施工过程中常见的事故之一。原因如下。本文针对雅安高速小马厂隧道现场施工过程中出现的反复塌方事故，在深入的地质调查的基础上，对每次塌方致灾诱因进行刨析，分析几种因素对隧道塌方的影响。结合现场实际确定合理的现场处治措施。1隧道左线zk102+400小马厂隧道位于泸定县沙湾乡境内，距泸定县城约9km，位于大渡河右岸，距现G318约0.5km，距油房村乡村道路约0.5km。小马厂隧道左线起于ZK102+820,止于ZK106+593，全长3773m,最大埋深804m。右线起于K102+855,止于K106+660,全长3805m,最大埋深为781m。2坍塌和管理措施2.1发生率分析2016年7月30日凌晨5:00，雅康高速公路小马厂隧道左线进口端ZK104+159掌子面在出渣过程中发生塌方，立即进行现场查看，塌方为拱顶处。隧道围岩为石英闪长岩，岩石强度极低，呈碎块状。初定处置方案为：对掌子面立即进行反压，并采用喷射砼封闭，坍腔采取泵送C20砼回填，厚度1.5m，其余部分采用吹砂回填，原设计Ⅲ级围岩支护变更为Ⅴ级深埋进行支护，钢拱架采用I20工字钢，间距60cm，仰拱工字钢封闭成环。2.2监督反压，观察次数2016年7月30日上午施工单位在封闭掌子面过程中，坍腔内部再次发生塌方，有大量流沙体从坍腔流出，掌子面退后8m范围初期支护存在开裂现象，随即采取措施对掌子面进行反压处理，并采用喷射砼封闭掌子面，暂停作业，先进行监控量测，观察初次支护变化情况。2.3道左线初支支护在综合考虑超前预报结结果、现场围岩位移检测数据及现场情况的前提下，确定了以下应急处理方案：(1）对掌子面先拉渣回填反压，然后对小马厂隧道左线ZK104+151-ZK104+154段初次支护开裂段进行背拱支护，间距1.2m。护拱施工完成后对初期支护进行注浆加固。Φ42注浆小导管长5m，间距100×100cm。注浆材料为水泥净浆，水灰比1:1，注浆压力0.5～1.0MPa。(2）小马厂隧道左线ZK104+155.4～ZK104+159段原设计为三级加强，拱架间距为1.2m，在两榀拱架中间开槽加立I16拱架，共加设3榀I16拱架。2.4前拱架支护开挖2016年8月17日，在按照塌方段处理方案施作了临时支护，环向注浆加固和超前小导管支护后掌子面开始开挖，开挖第一榀拱架时拱顶再次发生塌方，拱顶掉落的巨石将超前小导管砸弯，并有大量流沙涌出，导致开挖作业无法继续。2.5前锚杆锚杆加固支护施工(1）再一次对掌子面采取拉渣回填反压，然后立即对雅康高速小马厂隧道左线ZK104+157.6～ZK104+158。段塌腔部位进行注浆加固，Φ42超前注浆导管5m，环向间距40cm,外插角10°～30°。注浆材料为水泥净浆，水灰比1:1，注浆压力0.5～1.0MPa。(2）小马厂隧道左线ZK104+159-ZK104+169段按Ⅴ浅埋加强衬砌类型施工，其中拱架间距调整为50cm，超前支护改为在ZK104+157.8拱架上施作第一环Φ51自进式锚杆，外插角30°，布设在圆心角120°范围内，长6m，环向间距30cm;在ZK104+158.4拱架上施作第一环Φ42超前小导管，外插角15°，布设在圆心角120°范围内，长6m，环向间距30cm;Φ51自进式锚杆和Φ42超前小导管交替施工，每榀拱架设置一环，ZK104+160.5结束；ZK104+160.5-ZK104+169段只设置Φ42超前小导管，外插角15°，布设在圆心角120°范围内，长6m，环向间距30cm，每两榀拱架设置一环。2.6围岩构造节理特征在按处理方案完成开挖前期的加固措施后，2016年8月25日准备开挖时掌子面拱顶部位再次发生塌方，现场Φ51自进式锚杆受塌方影响已严重变形。根据地质雷达探测结果并结合掌子面地质情况分析的地质情况如下：(1）小马厂隧道左线ZK104+157拱顶上方6～25m范围内存在含有松散堆积体的破碎带，围岩稳定性差。右边墙ZK104+147～ZK104+157里程前方10～25m范围内局部有裂隙。(2）小马厂隧道左线ZK104+159～ZK104+166段，该段围岩为断层破碎带，围岩松散堆积体，节理裂隙发育，岩体破碎，自稳能力极差，围岩级别推定为Ⅴ级。(3）小马厂隧道左线ZK104+167～ZK104+183段，该段围岩岩体较为破碎，构造节理较为发育，完整性较差，稳定性较差，含有裂隙水，围岩级别推定为Ⅳ级由此可知开完地段为一大角度相交的断层破碎带，围岩稳定性很差。破碎带内含稳定性很差的松散堆积体。开挖后，当松散体产生的松动地压达到足够大时，应力突然释放作用于初期支护，由于瞬时应力变化较大，导致初期支护局部承载能力和抗剪能力不足，必然出现冲剪破坏。一旦发生初期支护冲剪破坏，出现断续掉块、塌方。因此，未能在开挖后形成稳定的平衡拱，才是致使隧道发生多次坍塌的关键问题。2.7注浆锚杆支护根据地质雷达探测结果可知，塌方段围岩强度较低，隧道周围存在裂隙发育的软岩破碎带，综合考虑决定采用锚注支护方案对隧道破碎围岩进行加固。通过注液加固将破碎岩体内的裂隙和孔隙充填密实，借助浆液的胶结作用，将破碎岩体重新胶结成一个完整体，保持围岩的完整性，提高破碎岩体的强度，从而形成的注液“结石体”可再次承受上部围岩压力锚注支护参数：在巷道全断面布置中空高强注浆锚杆，其中两帮和顶板注浆锚杆间排距为1800mm×1800mm，注浆深度为4000mm，具体如图1所示。注浆材料采用水泥-水玻璃浆液，注浆压力为1.5～2.5MPa，注浆时间为25～30min。板注浆锚杆间排距为1800mm×1800mm，注浆深度为4000mm。2.8巷道围岩位移分布特性采用FLAC3D模拟软件建立三维隧道模型对支护方案效果进行模拟分析。在模型顶部施加应力边界，模型左右两侧和底部为位移边界。数值计算采用摩尔库伦模型破坏准则。从图2(a）中可以看到，从隧道中心位置到隧道两侧浅部围岩，水平位移变化幅度较大，呈现出急剧增加的趋势。由两侧浅部围岩到深部围岩水平位移变化幅度较小，最终在深部围岩某处位置位移逐渐减小为零。隧道两侧围岩位移变形呈碟型对称分布特点。左侧围岩水平位移量达到46.8mm，右侧达到44.2mm。从图2(b）中可以看到，巷道顶底板垂直位移关于巷道中心基本呈对称的分布特点。其中巷道顶板下沉量为38mm，隧道顶板的位移量控制效果较好。3隧道洞外现场分析本文针对雅安高速小马厂隧道反复塌方事故，对致灾诱因进行了探析，主要得出如下结论：(1）此次小马厂隧道的塌方为突发性地质灾害，但搞好监控量测是确保隧道施工安全、质量和进度的基础。此外，及时掌握隧道周围岩体地质勘察资料是有效处理、预防隧道塌方事故的前提。(2）发生塌方，应立即停止所有洞口的施工，调动一切有利资源参与抢救工作。然后，对塌方影响段进行加固处理，只有在有支护措施的前提下才允许对坍塌岩体进行逐步清理；(3）软弱破碎的隧道围岩体是多次出现塌方事故的主要因素，通过锚杆注浆方式可以有效的将破裂岩体重新胶结成一个整体，从而提高隧道围岩强度和完整性。(3）小马厂隧道左线ZK104+159～ZK104+169