某隧道软岩塌方成因及工程处治措施

第２８卷　云南水力发电　增刊　ＹＵＮＮＡＮＷＡＴＥＲ　ＰＯＷＥＲ　某隧道软岩塌方成因及工程处治措施　刘震，宋斯卓　（１￣ｌＪｌｌＺ．滩建设咨询有限公司，ｌ￣ｌＪｌｌ成都６１００２１）　摘要：为了减少隧道塌方和防止危害产生，有必要作好地质超前预报，并通过安全量测、观察等手段随时掌握围岩的变形情况；　在塌方发生之初采取措施控制塌方范围，然后荐采取合理有效的措施和步骤进行处治，就能减少塌方的损失和安全风险。　关键词：隧道；软弱围岩；塌方处理措施；安全监测　中图分类号：Ｕ４５５．４９　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—３９５１（２０１２）增刊一１３０７７—０３　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—３９５１．２０１２．增刊．０２４　１　１Ｔ　ｌ前言　为上、下台阶，下台阶落后约１２０　ｍ。顶拱０范围布　近年来西南地区基础设施建设增加，由于西南　置有超前小导管（纵环向间距为３００　ｃｍ×５０　ｃｍ），初　地处青藏高原的东缘，特殊的地理条件造成建设中　期支护设有间距１２０　ｃｍ的型钢拱架和系统锚杆。　地下工程施工的复杂性，在隧道施工中塌方是很常　２．４安全量测布置’　见的，塌方既有极大的安全危险性，又耽误工期、增　该隧道主要有拱顶下沉量测、周边收敛量测，每　加投资，危害性较大，因此如何有效地预防和减少塌　１０　ｒｆｌ布置１个断面，在开挖后４　ｈ内完成测点设置，　方及塌方后如何合理地处治，是有必要深入进行总　并在下一循环爆破前完成初始值的测定；收敛量测　结研究的，在此以某电站对外交通隧道Ｋ８＋０３５～　采用钢尺式收敛计，拱顶下沉量测采用高精度全站　Ｋ８＋０４５　ｍ段塌方处理为例，介绍软岩塌方的工程　仪；量测的频率是前两周２次／ｄ，第三周开始每１次／　处治措施。　２　ｄ，一月以后每周２次，两个月后至混凝土衬砌则　每周１次。　２隧道概况　在塌方前附近已布置了４个监测点：Ｋ７＋９９５　２．１工程概况　ｍ、Ｋ８＋００５　ｍ、ｋ８＋０１５　ｍ、Ｋ８＋０２５　ｍ，在塌方后处治　某隧道位于四川省甘孜州境内某电站对外交通　中陆续设置的监测点有所加密。　公路进口段，隧道设计为全长５　８５５　ｍ，为单心圆内　３变形及塌方过程　轮廓形式，隧道内净空宽度Ｂ＝０．７５（检修道）＋２×　４．７５（行车道及侧向宽）＋０．７５（检修道）：１１．０　ｍ，　３．１塌方过程　设计限界Ｂ×　＝１１．０　ｍ×５．３　Ｉｎ。隧道纵面为小　２００７年１１月２４日发现地质条件突变后，经与　人字坡（０．３％、一０．３％）。　设计人员研究，计划对约１．２　ｍ长已开挖出的工作　２．２基本地质条件　面稍作清理后喷混凝土封闭并安装拱架，但还在用　隧道工程区地貌划属青藏高原东部之川西高原　挖机清理过程中，右侧拱肩处地下水开始加大，并迅　深切割高山区，隧道地质构造简单，岩性以粉砂质板　速变得浑浊，随水流带出大量细碴，后来流碴块径逐　岩向上渐变为粉砂质板岩夹绢云母板岩及粉砂质板　渐增大，掌子面的岩体开始剥离，然后掌子面顶拱部　岩与绢云母板岩互层，岩性较软弱，中段局部洞段为　位已施工的拱架及小导管因漏空而失效，上部空腔　变质砂岩部位，最大埋深约６６０　ｉｎ，地下水主要为基　迅速扩大，此时在靠近掌子面的钢拱架表面的喷混　岩裂隙水，分布广泛，主要由大气降水补给。　凝土出现开裂，因可能面临大面积失稳，人员和机械　２．３隧道支护设计及施工情况　作了紧急撤离，随后拱架的中部出现突出变形；０．５　从隧道Ｋ７＋５８０　Ｉｎ桩号开始直至开挖掌子面　ｈ后掌子面的超前小导管和数榀型钢架垮塌，并随　Ｋ８＋０３５　ｍ桩号，围岩类别为Ⅳ、Ｖ级，隧道开挖分　着塌腔的发展，又将后部数榀型钢拱架牵引严重变　＊收稿日期：２０１１—１２—２１　作者简介：刘震（１９６８一），男，四川成都人，工程师，主要从事水利水电工程建设管理工作。　云南水力发电　２０１２年增刊　形，之后一直断续有掉块。通过在塌腔封闭前的观　察，空腔高度至少超过１２　ｍ，塌方纵向范围约长２０　ｎｌ为Ｋ８＋０３５　ｍ～Ｋ８＋０５５　ｍ，另外还有４榀拱架的　表面喷混凝土开裂，即影响范围约为Ｋ８＋０２５．４　ｍ　～Ｋ８＋０３０　ｍ。　３．２变形、塌方过程中的应急处治措施　首先调集备用的钢拱架对Ｋ８＋０１５　ｍ　Ｋ８＋　０２５　ｍ段进行加固；完成后采用挖机靠近塌方体，用　挖机堆碴，将塌腔的口部封闭，然后再稳定碴体（素　喷２０　ｃｍ混凝土和插两排钢筋）防止继续流碴，从而　避免塌腔不断加高。这样处理有效地防止了塌方范　围继续向后扩大。　４塌方的成因分析　４．１开挖后揭露的地质情况　该段隧道在Ｋ８＋０３５以前围岩为深灰色砂板　岩，节理发育，岩石被网状切割成小块体结构，节理　面有钙质充填，伴有散布的滴水；开挖至Ｋ８＋０３５桩　∞∞加∞舳∞∞加ｏ　号后，在掌子面右侧围岩首先突变为黑色炭质绢云　母板岩，遇水软化，成松散状，并随着进一步开挖暴　露，发现存在一条纵向斜上倾的大断层带，并伴有地　下水集中涌出的现象。　４．２监测资料情况　在隧道发生塌方时，因靠近掌子面的安全监控　量测的测点还未安装，仅在距掌子面约１０　ｍ远外　（Ｋ８＋０２５　ｍ）设了测点（已有数次监测）。　通过现场察勘，并查阅有关施工记录、影像资　料，及最靠近塌方处的４个测点（Ｋ８＋０２５　ｍ、Ｋ８＋　０１５　ｍ、Ｋ８＋００５　ｍ、Ｋ７＋９９５　ｍ）的监测成果，这４处　的相对位移值和位移速率显示：隧道Ｋ７＋９９５　ｍ—　Ｋ８＋０２８．４　ｍ段在塌方前是处于正常变形阶段，在　塌方发生时才出现变形增大，这一点可以从已有的　安全监测资料中判断出来（见图１），说明该处围岩　本身在塌方之前是稳定的，仅是在前段塌方时才受　到影响，其中Ｋ８＋０２５．４～０２８．４　ｍ受前面塌方的牵　引有较大变形。　４．３塌方成因分析　１）从塌方出露围岩看，存在一条纵向斜向上倾　的大断层带，宽度至少８　ｍ以上，断层走向与洞轴线　夹角约３０。，该断层内的岩体为松散碎块夹泥的泥化　变质结构，质软松散，自稳性差；这一点从塌落下来　的碴体上可以看出：塌落碴体大部分为不超过拳头　大的碎屑状，并夹有少量已充分泥化的泥质砂岩块　体。　暑　吕　●一　—道　逝　／　ｒ　—●，，－　－ｔ　Ⅲｊ｛５　／一　．．　：　：＝：　——　函　Ｈ●‘　一　ｆ　０　１０　２０　３０　４０　５０　６０　７０　时间，ｄ　图１塌方范围外的测点拱顶累计沉降时程图（塌方前设点）　２）该地段存在丰富的地下水，经测量流量最大　约８０４　ｒｎ３／ｈ，开挖后地下水的流动带走了裂隙内细　小填充物，长时间冲刷后空腔扩大，岩体卸荷松弛；　同时，地下水的存在使结构面遇水软化，围岩的整体　性降低。　３）实际地质情况与设计有出入，同时超前地质　预报工作未能有效开展，对掌子面前方的地质情况　不明了，导致了超前和初期支护的参数偏弱。　４）由于围岩是泥化现象严重的碳质绢云母板　岩，超前小导管的浆液在这种围岩内有效扩散半径　较小，注浆效果较差，未能达到预期封闭拱顶的作　用，更未能起到固结松散岩体的作用。　５）施工中存在技术上重视不够和措施不当的　原因，如：超前小导管注浆后的待凝时间较短，也未　进行有效的超前排水或堵水工作等。　５塌方的工程处治措施　１）塌方影响区的处治。在塌方有可能继续发　展的情况下，短时间内以观察为主；期间按应急措施　继续对塌方范围以外未发生严重变形的支护结构进　行加固，防止范围扩大：具体是对Ｋ８＋０１５～０２８．４　ｍ　段即一倍洞径范围采用型钢拱架加固；其次从塌方　范围外开始对拱部１２０。的范围内施作注浆管进行固　结加固，再对已严重变形的拱架逐个拆换并加密和　锁脚。　２）封口及排水。完成以上工作后运来碎碴，用　挖机靠近塌方体堆碴，将塌腔的口部封闭防止继续　流碴，然后素喷２０　ｅｍ混凝土和插两排钢筋以稳定　碴体。在口部封闭时埋设数根花管伸入塌腔内用以　排水，防止塌腔内积水。同时在向前开挖时先布置　４　５根６～１０　ｍ的导水管，伸向斜向前方，按每４—　５　ｍ布置一排，用以引排前方岩体内的地下水。　３）回填塌腔。在塌体基本稳定后从已埋设的　刘震，宋斯卓某隧道软岩塌方成因及工程处治措施　钢管（伸至空腔内一定高度）泵送Ｃ２０混凝土回填，　并尽可能形成厚度不小于２　ｍ的拱圈，为下部塌碴　体的开挖形成安全屏障；但需注意回填混凝土不能　侵占衬砌断面。　４）超前固结注浆。在拱部１２０￣的范围内布置　４５。大角度超前固结注浆管，同时对原设计超前注浆　小导管进行加密，即两种小导管一起联合固结松散　碴体。注浆前事先喷混凝土封闭断面防止漏浆，浆　液选取水泥一水玻璃双液浆，注浆压力要求严格控　制，注浆顺序为先注超前小导管，再注大角度的固结　注浆管，并采取分序和待凝措施。　５）开挖：采用预留核心土的方式向前开挖，每　循环进尺控制在０．６　１＂１１以内，对于开挖暴露的碴体　及时喷混凝土封闭。　６）安全监控量测：将量测断面加密，量测的频　次也增加，量测时间延长至混凝土衬砌时。　６工程处治措施的效果　１）通过及时封闭塌腔口减少流碴，使塌腔内塌　碴不断堆积，便于在塌碴内注浆固结，从而减少了施　工的难度和作业的安全风险。　２）先期导水的效果较好，同时将花管用无纺布　包裹后能防止细颗粒的流失。　３）通过大角度和小角度的小导管的联合注浆，　扩大了注浆的深度和范围，有效保证了注浆效果，增　强了岩体的自稳能力。　４）该次塌方的处治共耗时２个多月，过程虽繁　琐、进度较慢，但每一步骤按要求完成后，基本的安　全能够得以保障，作业人员可以放心施工；在处治过　程中虽存在局部固结效果不理想而少量流碴的情　况，但范围很小，采用事先准备好的板材等及时堵　漏、封闭，因面积小，控制效果较好。　５）安全量测的成果分析。①塌方前设置的量　测断面，根据拱顶累计沉降量时程图（见附图２）可　以看出：该段在刚开挖后的１０　ｄ内变形已逐步趋于　稳定；在塌方发生之前并未表现出急剧变形特征，主　要是由于距离塌方部位较远，只有Ｋ８＋０２５断面受　到塌方的影响发生了少量变形；虽未能从中提前发　现变形塌方的前兆，但经过分析可以确认该区域原　来是稳定的。②塌方后设置的各量测断面，从各拱　顶累计沉降量时程图可以看出，其累计沉降量相对　较大，达到设计预留变形量的５０～８０％，但其沉降　量是逐步缩小的，说明经过加固处理的岩体整体已　趋于稳定，处治方案是合理的、安全的（见附图２）。　１　ｇ　１　鲁　．／　画１　—　ｒｒ一　／　—　●—　＿　世　。蜉　，。　ｒ　ｔ　：—　：　—曲器　—Ｐ＿—一　／　．＿■　；　—　ｆ　１曼５　ｂ　一　耧　一一　时间／ｄ　—Ｋ８＋０３０累计沉降曲线一Ｋ８＋０３５累计沉降曲线　一Ｋ８＋０５０累计沉降曲线一Ｋ８＋０５５累计沉降曲线　一Ｋ８＋０４０累计沉降曲线一Ｋ８＋０６０累计沉降曲线　一Ｋ８＋０４５累计曲线　图２塌方段的拱顶累计沉降时程图（塌方后设点Ｊ　③所有沉降累计曲线中间均出现二次少量突变，经　对比各项作业时间，原因是隧道是分上、下台阶两次　开挖，下台阶开挖时间滞后约２．５～３个月，二次开　挖后及时形成了仰拱。在上台阶开挖完成后的７～　１５　ｄ内围岩基本趋于稳定，其变形量约占总变形量　的２／３　３／４，但在下台阶开挖时变形量再次增大，其　变形量约占总变形量的１／４～１／３，但持续的时间较　短。其变形时间与下台阶开挖时间完全吻合。　８结语　１）对不良地质段的地下水必须要提前处理，方　式有引排或堵水，引排时困难在于地下水的路径难　于准确判断，只能根据岩层走向试探；需要注意的是　排水应采用花管甚至包裹无纺布，以防止细颗粒流　失。　２）超前地质预报工作十分重要，因公路隧道设　计阶段的地勘工作不可能很详细，因此现场的短距　离超前预报十分必要，并要有经验的技术人员准确　把握，方能及时调整开挖方式和支护参数。　３）已开挖部位支护的及时性是重要的，应尽快　封闭减少暴露时间，如自稳能力差则应及时通过锚、　喷、拱架联合支护，并紧贴岩面。　４）在隧道岩体较为破碎或松散时开挖，超前支　护是必需的，必要时对周围岩体进行固结以改善岩　性，使隧道上方形成一个拱圈，增强其自稳能力。　５）塌方的处治方式可分为直接开挖碴体和先　对碴体进行稳固（如管棚、固结等）后再开挖，尤其要　慎重采取直接开挖碴体的方式，虽然直接开挖对工　程进度和投资有利，但由于作业人员和机械直接暴　露在塌腔下，安全风险极大，仅适用于塌方量小和塌　腔很快稳定的情况。