超大跨度改擴建隧道深塌方冒頂處理技術

閆憲政

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司,北京 101500)

0 引 言

隨著交通運輸業的跨越式發展,隧道改擴建工程在國內越來越多。然而,在隧道改擴建施工過程中,塌方冒頂事故時有發生,給工程安全和人員生命帶來嚴重威脅。特別是對于超大跨度改擴建隧道工程,由于其工程規模大、地質條件復雜,塌方冒頂事故發生的概率更大[1]。因此,開展超大跨度改擴建隧道深塌方冒頂處理技術研究具有重要的現實意義。對擴建隧道在擴挖施工過程中發生的冒頂進行技術研究,綜合采用超前支護、護拱法穩固初期支護、超前注漿、系統錨桿、分區開挖、實時監測等技術有效地處理塌方冒頂段落。

1 現有隧道基本情況

原隧道修建于二十世紀六七十年代,斷面形式為直墻拱形單層襯砌,主洞標準襯砌厚度0.7～1.0 m,口部加強段襯砌厚度0.8～1.3 m,施工現場揭露襯砌內為2～3層鋼筋,隧道襯砌結構為2 m左右一環,每環間設置榫槽狀施工縫。限于當時的爆破方式和襯砌施工水平,施工過程中在既有隧道外側存在大量超挖空洞和施工導洞,在施工完畢后均采用木材、片石、碎石、鋼軌等回填,同時開挖腔壁由于多年來不斷松動,巖石松動圈范圍不斷擴大,與回填雜物共同組成了既有隧道外側較大范圍的松散地層。屬溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱少雨,春季多風沙,秋季秋高氣爽。地層巖性為出露棕褐色黏土、亞黏土與黃褐色沙土,河流沖擊區間或雜有礫石,土層較厚,含有較豐水肥,形成適于各種植物和農作物生長的土壤基礎。

既有襯砌澆筑完成后,超挖、坍塌部分無處理措施,幾十年以來內部空間一直坍塌發展,內部錯綜復雜。原隧道襯砌凈空跨度14 m,拱頂凈高 6 m。單側橫向擴挖8 m,高度擴挖2 m;改擴建后隧道開挖寬度最大為26 m,拱頂最大開挖高度 9.5 m,襯砌凈跨度22 m,凈高8 m。本工程開挖施工至K0+149處,K0+149～K0+179段落冒頂,地面至拱頂實測高差57 m,塌坑地表直徑11 m,面積94.98 m2。

對既有隧道軸線布設7條測線以地質雷達探測襯砌背后空腔及回填情況,通過加密地勘鉆孔、TSP法、地質雷達等超前地質預報判斷,既有結構背后不同程度地存在空腔或松散堆積體、原木、鋼軌、塊石等回填物,高度為2.4～24.9 m,無規則分布、貫穿整個隧道。擴建施工時多次發生拱部松散堆積體、回填物垮塌及溜坍,最終壓潰既有初支結構,形成大規模冒頂。

2 原因分析

塌方發生后技術人員對塌方冒頂的隧道工程進行實地考察,了解現場的地質條件、施工環境以及塌方冒頂的具體情況,通過測量儀器取得現場第一手資料。設計單位利用數值模擬軟件,對隧道施工過程中的應力場、位移場進行模擬分析,探究塌方冒頂的形成機理。在隧道施工現場進行相關試驗,包括土體強度試驗、支護結構承載力試驗等,以驗證數值模擬結果的可靠性。通過實地考察、數值模擬和現場試驗的綜合分析,得出以下結論。

(1)地質條件是導致超大跨度改擴建隧道深塌方冒頂的主要原因之一。在復雜的地質環境下,隧道開挖容易引起應力重分布,從而導致塌方冒頂。

(2)不合理的支護結構設計也是導致塌方冒頂的重要原因之一。在超大跨度改擴建隧道工程中,支護結構需要承受更大的荷載,若結構設計不合理,容易造成支護失效,進而引發塌方冒頂。

(3)施工方法的選擇對于防止塌方冒頂至關重要。合理的施工方法可以降低塌方冒頂的風險,例如采用超前大管棚預加固、超前注漿預加固、系統錨桿、小斷面開挖等施工工藝可以有效提高隧道施工的安全性。

(4)不合理的爆破施工參數也是導致塌方冒頂的重要原因之一。在超大跨度改擴建隧道工程中,爆破施工參數的選擇直接影響隧道圍巖的穩定性和支護結構的安全性。若爆破施工參數選擇不當,容易造成圍巖破壞、支護結構失效,進而引發塌方冒頂。

3 處理方法

3.1 塌方處理原則

(1)總體原則:結構計算考慮塌方體開挖施工階段及使用運營階段圍巖及支護結構的受力安全性。塌方體開挖施工階段按照施工分塊分步開挖,模擬施工開挖過程。通過數值計算得到場地范圍內塌方體的變形情況和隧道襯砌結構的內力大小,根據隧道處理塌方體過程中的塑性區分布對支護參數進行優化,充分利用管棚、錨桿來提高圍巖、塌方體自身的成拱效應和自身承載性能,采用大管棚+巖石錨桿+初期支護+分塊開挖方式,確保開挖過程中隧道圍巖處于安全狀態。

(2)應力分析:隧道各部位荷載由主要荷載(塌方體壓力、結構自重、水壓力以及使用荷載)、附加荷載(注漿壓力、局部落石荷載和施工荷載等)以及特殊荷載(地震荷載、爆炸荷載等)組成。確定了支護體系由圍巖自身(經管棚、系統錨桿、長錨桿注漿改良加固后的圍巖)、初期支護、二次襯砌三者共同受力[2]。

(3)洞外處理原則:洞外首先將裸露塌方處進行保護,開挖截水溝,做好安全防護,穩定后及時對塌方周邊山體進行監測,根據監測數據采用刷坡減載、錨網噴支護等方式進行加固。

(4)洞內處理原則:本處塌方位于軟弱圍巖破碎帶位置,風險較大,洞內要封閉塌體四周,并對既有初支結構進行加強并做好監測,防止塌方體繼續蔓延。待二次襯砌緊跟封堵墻并達到設計強度后,再進行開挖處理。

(5)關鍵因素:處理塌方的關鍵是提升帷幕注漿加固效果,注漿是穩固塌方松散體的重要手段,通過注漿固結塌方體結構,使之能夠承受一定的自重和土壓力,保證開挖操作安全通過塌方區域,在二次襯砌結構完成之前保證隧道結構的穩定。

3.2 地表處理措施

(1)塌坑范圍設置警戒線確保人員及機械設備安全,周邊圍巖穩定情況下沿塌坑四周外5 m設置截水溝,并設置硬質隔離圍擋及各類警示標識,待該段隧道二次襯砌完畢并達到設計強度后分層夯實回填密實。

(2)在塌體周邊穩定情況下,根據現場地形情況自上而下對塌坑周邊山體進行刷坡減載,坡面掛網噴錨防護,并及時埋設沉降觀測樁進行動態監測。

3.3 隧道內處理措施

(1)在塌方塌腔段前后各20 m設置工字鋼護拱(I25a工字鋼鋼架,2 m/榀)確保已完工程實體穩定。

(2)在擴挖側設置反壓堆渣和中隔壁臨時支撐,在拆除側設置封堵墻兼止漿端墻(500 mm厚,C25素混凝土)保證塌體范圍不擴大。

(3)對封堵墻后的剩余空隙進行回填密實,與堆積渣土形成反壓,穩固塌方范圍,防止其進一步擴大。

(4)對塌腔底部堆積體通過注漿花管在止漿墻上進行“四周帷幕深孔注漿加固”,并對注漿管的角度、壓力等參數進行適當調整,使塌腔脫落、溜塌對工程實體的沖擊得到有效的緩沖。注漿花管為70 mm 熱軋無縫鋼管。注漿材料主要為P·O 42.5硅酸鹽水泥單液漿,輔以普通硅酸鹽水泥和水玻璃雙液漿。P·O 42.5硅酸鹽水泥與單液漿的水灰比為0.6∶1～1∶1,P·O 42.5硅酸鹽水泥與水玻璃雙液漿的配比為(1∶1)∶1。

(5)在注漿加固達到25 MPa后,采用“Φ108 mm大管棚”的注漿方式,通過擴挖側和兩面封墻設置管棚穿越塌體,防止零星流土掉塊;該管棚材料為外徑108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管和鋼花管,口內設有止漿閥,超前管棚長30 m,中鄰處側向管棚長18 m。

(6)用孔內成像法、P-Q-T曲線分析法對加固效果進行評估,確保注漿效果及周邊帷幕注漿加固+108 mm大管棚穩固后施工開挖的安全。

(7)待前后段落二次襯砌施工至封堵墻且達到設計強度后,破除封堵墻開挖既有混凝土拆除側隧道。掘進施工采用上下臺階法掘進,隧道初支參數采用I25A鋼拱架+Φ8 mm雙層鋼筋網片+C25噴涂混凝土封閉,鋼構件廠集中加工鋼拱架和鋼筋網片,現場安裝。中間設置臨時中隔壁,中隔壁采用I25A臨時豎撐+Φ8 mm雙層鋼筋網片+C25噴涂混凝土封閉,下臺階底部設置I25A臨時仰拱+Φ8 mm雙層鋼筋網片+C25噴涂混凝土封閉,各循環進尺在施工過程中應嚴格控制,各循環開挖支護進尺的長度不應>1 m鋼架間距,在施工過程中應嚴格控制。

(8)隧道開挖后初期支護及中隔壁應及時設置并封閉成環,嚴禁采用長臺階施工。初支形成后對上方堆積體進行徑向注漿,注漿范圍為拱頂以上10 m,對松散堆積體進行由下向上、由外向內、間隔跳孔注漿施工作業。注漿固結完畢后對注漿效果進行檢驗,合格后方可進行下部施工。

(9)然后進行本段二次襯砌,并對二襯進行加強配筋;襯砌施工采用盤扣支架+拱架支撐工藝,保證施工安全。

(10)襯砌施工完成后,強度達到設計值再進行冒頂空腔回填。上方塌腔進行回填處理,回填主要靠自然密實,故分層回填并留足自然沉降時間,下層土密實后再回填上一層土,并在回填混凝土時加入部分廢棄鋼筋、網片等增強回填整體性。

3.4 監控量測

控制標準為:凈空變化速度持續>5.0 mm/d時,圍巖處于急劇變形狀態,加強初期支護,密切監視,必要時暫停施工。水平收斂(拱腳附近)速度<0.2 mm/d,拱頂下沉速度<0.15 mm/d,圍巖基本達到穩定,可以進入下一步施工。

(1)通過預埋檢測點位,動態的掌握圍巖和支護的變形情況,進行日常施工動態管理。

(2)驗證支護結構效果,及時準確調整支護參數和施工方法。

(3)確保隧道工程的安全性、經濟性及結構的長期穩定性,確定二次襯砌時間。

(4)將監控量測的結果反饋于設計及施工中。

(5)了解隧道施工對附近既有構筑物的影響。

(6)累積量測數據,為信息化設計與施工提供依據。

3.5 主要注意事項

(1)隧道施工以“穩”為主,初期支護“寧強勿弱”,開挖盡量采用弱爆破或不爆破采用機械開挖,在確保安全的前提下確保施工進度。

(2)施工中,應派專人值班,及時觀察圍巖狀況及支護結構的穩定性。有異常情況及時匯報,及時采取施工措施,確保施工安全。

(3)隧道開挖應采用“多打孔,少裝藥,弱爆破,輕擾動”,盡量減少對圍巖的擾動,現場管理人員應引起高度重視。

(4)開挖輪廓線應采用全站儀測量進行精準控制,輪廓線和炮眼位置進行精確定位測定。

(5)開挖爆破作業不得危及支護結構、機械設備及人員安全,鉆眼及裝藥應分區定人。爆破后應及時清理危石,清理工作宜采用機械作業。

(6)挖、裝、運設備應處于良好狀態,必須定期檢查運輸車輛的制動、轉向系統和安全裝置。設置反光警示標志、禁行和緩行標志,避免通行機械車輛碰撞,安全員應現場指揮。

(7)隧道開挖周期較長,安全隱患陡增,要求架子隊指定專人調度指揮,車輛行車速度控制在5 km/h,施工照明、通風良好。

(8)施工期間,現場施工負責人會同安全、技術、測量人員對各部位支護結構進行定期檢查。

(9)錨桿的質量、長度,錨噴混凝土的質量、厚度,以及鋼拱架的安設位置、間距等應嚴格遵守設計要求[3]。

(10)測量數據上傳量測群由大家進行分析;若出現溜坍或者變形異常情況,人員機械立即撤出,并上報項目部。

4 應急預案

針對可能發生的塌方冒頂事故,制定詳細的應急預案并進行演練。提高現場人員的應急處理能力,確保在事故發生時能夠迅速、有效地進行救援。同時,應配備足夠的應急設備和物資,以便在緊急情況下及時投入使用。應急處置措施如下。

(1)發生隧道坍塌事故后,要立即停止施工生產,封閉作業區域,及時報告。

(2)要立即搶救傷員,及時使傷員脫離危險區,防止事故擴大,同時有必要在現場采取緊急救護方案,若受外傷,可用溫開水洗傷,再用干凈繃帶或布類包扎。

(3)要迅速備車或呼叫救護車將傷員送往醫院或急救中心,搶救時應注意到傷害部位,盡可能送往?？漆t院。

(4)要迅速保護現場,在事故調查人員趕到施工現場前,要保護現場的原始狀態,事故現場前后范圍內應設置警戒,派專人看守,或用硬質隔離等方法標示出警戒區,禁止無關人員進入保護范圍,采取搶險、急救措施時要做好現場變動記錄和拍照、錄像。

(5)在事故原因未查明、未采取有效防護措施之前,嚴禁繼續施工,必須經事故調查組同意后方可恢復生產。

5 結 論

擴建隧道相較于新建隧道地質條件更加復雜,尤其是隧道建成年代較遠,圍巖極為松散,開挖跨度26 m,且塌方直徑12 m,深度57 m,安全風險高,施工難度大。主要就施工中如何處理超大跨度擴建隧道深塌方段落進行了工程實踐,通過綜合采用超前管棚支護、超前注漿加固、護拱法加固初期支護、系統錨桿、監控量測等常見的隧道支護方法,及時地對塌方體隧道進行穩固。