PAGEPAGE10xx隧道坍塌原因分析及處治技術(shù)1前言正在加緊建設(shè)的xx高速公路系國家“五縱七橫”國道主干線xx線上的重要路段。該公路起于xx街，至xx縣城，全線采用四車道高速公路標準建設(shè)，計算行車速度采用80km/h，路基寬24.5m，起訖樁號k151+600～k225+500，全長73.9km。該路段地處歐亞板塊與印度洋板塊碰撞帶的東緣附近,新第三紀以來地殼抬升迅速,受之影響,區(qū)內(nèi)各類新構(gòu)造運動強烈，破壞性地震頻繁，近地表巖層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，風化差異性大[1～3]。廣泛存在的不穩(wěn)定巖土體為地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。xx隧道位于該高速公路上的xx省xx縣，該隧道為上、下行分離的四車道，設(shè)計采用同曲率單心圓拱曲墻斷面。最大開挖寬度13.1m，最大開挖高度10.85m，最大開挖斷面面積114m2。隧道采用復合式襯砌，一次支護厚度0.23m，二次襯砌厚度0.6m。其右幅起止樁號為K197+960～K198+465，全長505m，隧道埋深為64.1m；左幅起止樁號為K197+930～K198+388，全長458m，隧道埋深為44.2m。路拱橫坡右幅為+5%、左幅在-4.55%～-5%之間變化。此隧道從左幅xx年xx月xx日進洞以來，施工中按照“短開挖、強支護、快襯砌、早封閉”的原則，進行短臺階分部法施工，初期支護采用I16鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、錨桿和噴射混凝土聯(lián)合支護，但塌方還是經(jīng)常出現(xiàn)，每次拱部循環(huán)只能進尺1～1.2米。作者根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)歷對該隧道施工過程的坍塌原因及處治措施做一些探討。2工程地質(zhì)概況2.1地形地貌xx隧道位于低中山剝蝕地貌，渾圓頂狀中山，穿越山脊，地形陡峻，地質(zhì)作用以構(gòu)造剝蝕作用為主。2.2地質(zhì)構(gòu)造隧道位于南嶺緯向構(gòu)造體系的西端，黔桂經(jīng)向構(gòu)造帶的西南緣，青藏滇緬印尼巨型“歹”字構(gòu)造體系中部東支的東側(cè)。滇越巨型旋鈕構(gòu)造體系的旋回面在本區(qū)內(nèi)也是明顯存在的。由于以上各種構(gòu)造體系長期活動和互相影響，因此，各個構(gòu)造體系的不同規(guī)模、不同序次，不同等級的各種構(gòu)造形跡，以及它們之間的相互干擾、限制和切割，構(gòu)成了全區(qū)比較復雜的區(qū)域構(gòu)造。2.3地層巖性隧道覆蓋層為第四系覆蓋層（Q）褐灰、褐紅、褐黃色亞粘土含少量強風化泥巖、灰?guī)r、粉砂巖角礫、碎石，硬塑狀。該隧道右幅進口及左幅出口端覆蓋層厚約3.4～18.6米；右幅出口及左幅進口端覆蓋層厚度約7.7～8.7米。隧道處構(gòu)造發(fā)育，在隧道進出口端各有斷層經(jīng)過，巖層破碎。圍巖為灰、深灰、灰黑、黑色炭質(zhì)頁巖、頁巖，呈強風化，碎石狀，節(jié)理裂隙及頁理、片理十分發(fā)育，該層分布于整個隧道，巖層產(chǎn)狀108°∠47°。根據(jù)隧道圍巖分類標準[《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70-2004)]，綜合物探、鉆探資料及地調(diào)成果，本隧道圍巖可定為Ⅴ級。2.4水文條件隧道區(qū)地下水類型以基巖裂隙水為主，巖層富水性中等至較強。局部富水性較弱，ZK49（左K198+200右3米）鉆孔地下水位為6.2米，隧道處地下水位埋藏較淺，可推測隧道處地下水豐富。3坍塌情況表1坍塌情況簡介表序號塌方時間坍塌里程坍塌情況示意圖105-11-001左幅K198++310拱部此塌洞距原地面面18m左右右，呈圓腔腔狀，長99m，寬8.22m，高7m。有大量地地下水涌出出，坍塌體體由土夾石石組成。205-12-007右幅K198+4008左側(cè)拱部部直接塌穿地表，呈呈圓柱狀，高高11.22m，直徑徑8.2mm。有小量地地下水涌出出，坍塌體體由松散狀狀黃粘土組組成。305-12-224右幅K198+4008右側(cè)拱部部出現(xiàn)右側(cè)拱部，長長11m，寬寬8.7mm，高8m。有小量地地下水涌出出，坍塌體體由松散狀狀黃粘土組組成。405-12-115～19左幅K198++302拱部第一次坍洞呈圓圓柱狀，高高15.22m，直徑徑15.33m。第二二次坍塌在在施工完成成第二次襯襯砌后塌穿穿地表。有有大量地下下水涌出，拱拱頂坍塌持持續(xù)時間長長。506-08-001右幅K198+2006左側(cè)拱部部拱腰此塌洞呈長錐狀狀，在已支支護好右側(cè)側(cè)拱頂上，長長14m，寬寬13.11m。高6.22m。初期支護護突然坍塌塌，圍巖軟軟弱，沉降降很大。606-12-006左幅K198++254右側(cè)拱部部此塌洞呈圓錐狀狀，在開挖挖掌子面上上左側(cè)拱頂頂上，長55m，寬5.11m，高6.22m。掌子面放放置時間較較長，圍巖巖風化嚴重重。4坍塌分析4.1地下水作用(1)地下水流量增大引起圍巖軟化膨脹，變形增大，應(yīng)力釋放劇增[4]，加速了初期支護的失效，右幅K198+206左側(cè)拱部拱腰段的施工正是連續(xù)兩次強降雨之后進行的，由于該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，埋深僅30m左右。大量地表水滲入地下，促使圍巖穩(wěn)定性狀況惡化，地下水量加大后噴射砼粘著力減少，錨桿錨固力降低或失效，初期支護強度降低導致破壞。(2)大多數(shù)坍塌前都有隧道涌水發(fā)生[5]，這樣會使地下水位急劇下降而產(chǎn)生真空負壓，且水流沖刷潛蝕及涌砂又造成土粒不斷流失，使巖溶洞穴中的充填物失去頂托力,上覆土層在自重應(yīng)力、真空吸蝕等作用下，造成地下水降落漏斗范圍內(nèi)的地表發(fā)生塌陷(塌洞一般為橢圓或圓形)，相應(yīng)范圍的地表水或泉水漏失枯竭，個別塌陷由洞內(nèi)坍方冒頂形成。如右幅K198+408右側(cè)拱部，左幅K198+302拱部等。4.2勘察設(shè)計失誤(1)該隧道設(shè)計對圍巖的加固力度不足，拱墻錨桿的長度偏短(只有3.5m)，一部分錨桿未打人松動圈外穩(wěn)定巖層中形成圍巖加固圈。(2)設(shè)計支護措施過弱，造成拱頂大范圍沉降及局部坍塌。如左線的K198+310塌方，左線K198+302塌方，剛過大管棚支護段，就引起隧道拱頂坍塌；如左線K198+287～254、K197+958～K198+029段大量沉降。(3)設(shè)計院對塌方段處理意見不夠及時，如左線的K198+310塌方，在xx年xx月xx日坍塌，到xx年xx月xx日才給處理意見。(4)地勘和超前預(yù)報不能及時反饋現(xiàn)場施工。4.3施工不當(1)施工初期支護滯后于開挖作業(yè)面,未使圍巖在早期發(fā)揮其自承能力，施工時噴射混凝土的厚度是否達到設(shè)計標準是直接影響到噴層與圍巖能否很好的共同發(fā)揮作用[6]；另外,施工期間前方開挖擾動也是影響坍塌的一個重要因素。同時，由于掌子面沒有及時封閉，而使圍巖風化嚴重而失穩(wěn)引起牽引性坍塌，如左幅K198+254右側(cè)拱部。(2)上導開挖放置時間過長，對沉降和收斂預(yù)計不足。如右幅K198+206左側(cè)拱部拱腰。5坍方處理措施5.1地表處理地表塌陷的在做好二次襯砌后，采用回填炭質(zhì)頁巖和粘土，回填土高出地面0.2～0.5米，并在陷坑周圍挖截水溝，防止地表水進入塌體；為防止機動車車輛在陷坑附近行駛產(chǎn)生振動，在陷坑周圍有圍欄圍上。如右幅K198+408塌洞。5.2塌腔壁處理在塌方初步穩(wěn)定不掉塊后，用C25噴射混凝土封閉塌腔壁，在低洼處埋設(shè)漏斗型排水管，集中排水。然后對塌洞壁打設(shè)錨桿，張掛鋼筋網(wǎng)片，最后再噴射混凝土加固塌腔。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雙層鋼拱架加固初期支護因坍塌對初期支護好的拱部混凝土造成裂紋，為防止注漿和坍體的雙重壓力對拱部產(chǎn)生雙重壓力對拱部產(chǎn)生破壞，需對支護好的拱部加強支護（緊鄰塌洞已開挖支護段10米長的位置支立第二層鋼拱架，鋼架間距50cm，并噴射混凝土呈環(huán)狀封閉），確保已支護好拱部的安全。5.4小導管注漿加固5.4.1注漿前準備工作在上三項工作施工同時，將ф42mm、長6米鋼花管（管壁周圍打梅花孔，孔徑10mm，間距50cm，并將鋼管端部加工成錐形狀）人工推入或用大錘將導管打入掌子面及拱腳（注漿管間距0.3m，拱部第一排按7°外插角打入，第二排按15°外插角打入），導管打入后，導管另一頭焊接好帶絲扣的鋼管，以便與注漿管連接。5.4.2導管注漿注漿材料：水泥選用425號普通硅酸鹽水泥；水玻璃選用出廠濃度42～45Be，比重1.42～1.45；施工用水符合規(guī)范要求。配合比控制：水灰比為0.8；水玻璃稀釋濃度為25～35Be；雙液體積比為1：0.5～1：1；凝膠時間為20s～120s；注漿壓力為0.5～1.5MPa。采用隔孔壓注方法，確保各注漿管注滿，注漿順序從小拱腳向拱頂施注，一般注漿時間1～20小時天。5.5大管棚通過坍塌段施工對坍塌體長時間不穩(wěn)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]。先用噴射砼封閉坍塌體，再用小導管注漿固結(jié)松散坍塌體，然后在拱部位置搭建施工平臺，安裝調(diào)試好外插角度15°，用鉆孔鉆鉆孔，有塌孔的用跟進鋼管頂進施工?？讖涧?30mm，深度15米；鋼管管徑ф108mm，長18米，前15米管壁周圍打梅花孔，孔徑ф10mm，間距50cm，后3米下架立鋼拱架，形成剛性骨架連成整體。注漿同小導管注漿。為加強鋼支架的支承能力，防止初期支護沉降過大，在右K198+408～K198+398段每榀工字鋼支架的拱腰處按原設(shè)計設(shè)臨時仰拱,拱腳處設(shè)6根φ89鋼管,鋼管長L=4m,并將鋼管與鋼架焊接牢固。5.6坍塌體施工開挖與襯砌5.6.1小拱部開挖支護注漿完畢，清除注漿機具，因注漿時間較長，注漿后可立即開挖。開挖采用三部開挖支護施工。外拱頂向下255cm高度范圍內(nèi)注漿、開挖、一次支護，開挖一次支護一次，側(cè)拱分左右兩步注漿、開挖、一次支護。開挖時使用風鎬配合人工進行施工，盡量減少撓動，每一循環(huán)開挖長度1～1.2m，開挖后立即噴射5cm厚砼，支護兩榀I18鋼拱架，拱腳每側(cè)各打6根ф42鎖腳錨桿，安裝一榀鋼花拱托梁，6根ф22連接鋼筋（接下拱），拱腳鋪設(shè)5cm厚木板，預(yù)埋軟式排水管，噴射C25混凝土。噴完砼后，拱頂采用ф12～15cm圓木支撐，每次注漿只能循環(huán)兩次開挖支護，2.0～2.5米，然后重新注漿，進行下一次循環(huán)（圖1）。圖1小拱部開挖支護示意圖5.6.2側(cè)拱開挖支護小拱部進尺10米后，進行側(cè)拱開挖，開挖過程中，防止小拱部下沉量超限或掉拱，必須對拱部重新加固以防松動。開挖采取單側(cè)進行，開挖完連接與小拱部支護鋼拱架，預(yù)埋拱腳托梁，連接排水管，噴射混凝土。5.6.3下導及仰拱施工為保證塌方段施工安全，采用小拱部開挖穿過坍塌區(qū)，為確保坍塌區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力，施工完小拱及側(cè)拱后，停止拱部掘進，先進行上導的臨時仰拱施工，然后再進行此段的邊墻和仰拱施工，施工中采取短進尺，強支護，快襯砌的方案通過此段。（1）施工過程中，須加強對拱部及地表的量測，安排由專人負責，并做到隨時觀測，根據(jù)量測結(jié)果指導施工。（2）為確保小拱部的穩(wěn)定和下沉量不侵入二次襯砌斷面，根據(jù)量測結(jié)果：最大沉降量為30cm，收斂值10cm，施工時沉落量按30～50cm預(yù)留。（3）為確保坍塌體結(jié)構(gòu)的安全，坍體處混凝土施工中，混凝土標號由設(shè)計的C25提高到C35，并對已一次襯砌好的小拱部加強支護。（4）因超挖坍體不穩(wěn)定和施工原因，使拱頂存在一定的空隙，在小拱部施工過程中，預(yù)埋注漿管，待完成二襯后，再進行注漿填充密實。6處治效果及評價廣硯高速公路xx隧道坍塌體實施了上述處治措施，現(xiàn)已全部通過。具體見表2表2坍塌體處治效果序號處治時間坍塌里程處治效果105-12-115左幅K198++310拱部從11月21日到12日15日處治完畢，塌塌洞趨于穩(wěn)穩(wěn)定，但此此段圍巖破破碎帶未完完全加固通通過。205-12-223右幅K198+4008左側(cè)拱部14天處治完塌洞壁壁，因注漿漿固結(jié)效果果不佳，造造成塌方向向右側(cè)發(fā)展展。306-1-122右幅K198+4008右側(cè)拱部18天處治新的發(fā)展出出地塌方，大大管棚支護護參數(shù)符合合此段處治治效果，此此段破碎帶帶安全通過過。406-1-199左幅K198++302拱部此段受左幅K1