曹康俊

1 工程概況

包西鐵路通道桑樹灣隧道位于陜西省洛川線西側(cè)約12 km,起訖里程為DK598+359～DK603+525(在 DK603+100處有一長(zhǎng)鏈,長(zhǎng)11.98 m),全長(zhǎng)5 177.98 m。隧道區(qū)地貌上屬黃土臺(tái)塬區(qū),進(jìn)出口均位于洛河左岸基巖裸露的斜坡地帶,隧道洞身最大埋深200 m,主要通過三疊系頁巖夾砂巖、砂巖夾泥巖,節(jié)理發(fā)育,有裂隙水滲出,圍巖軟硬相間,巖層近水平,傾角 2°～7°。隧道設(shè)計(jì)為雙線隧道,隧道斷面有效面積(軌面以上)為80 m2。隧道圍巖以Ⅲ級(jí)為主,占隧道全長(zhǎng)的93%。

2 隧道塌方的預(yù)防

2.1 發(fā)生塌方的原因

2.1.1 地質(zhì)因素

1)水平巖層。本段線路在地質(zhì)構(gòu)造上屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)的二級(jí)構(gòu)造單元——陜甘寧臺(tái)坳,構(gòu)造作用主要表現(xiàn)為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升為主,這是隧道拱部穩(wěn)定性較差的物質(zhì)因素。2)垂直節(jié)理。本區(qū)巖體主要發(fā)育東西向和南北向兩組構(gòu)造垂直節(jié)理,如果隧道遇到該兩組隱性節(jié)理,對(duì)巖體切割,隧道應(yīng)力調(diào)整大、時(shí)間長(zhǎng),易產(chǎn)生塌方。3)軟硬相間。本區(qū)發(fā)育的巖層中,泥巖及頁巖一般以砂質(zhì)為主,巖質(zhì)相對(duì)較軟,砂巖以鈣質(zhì)為主,巖質(zhì)相對(duì)較硬,巖性軟硬相間,巖體風(fēng)化不均,層間結(jié)合相對(duì)較差,開挖后圍巖應(yīng)力調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng),是拱部塌方滯后的原因之一。4)隧道初期支護(hù)施工后慢慢滲水并增大。隧道剛開挖時(shí)干燥無水,節(jié)理裂隙水沿爆破后形成的縱向裂隙慢慢下滲,首先雨水滲入黃土增大了隧道拱頂?shù)暮奢d,其次下滲到隧道周邊,對(duì)隧道拱部的頁巖和泥巖夾層將起到軟化作用,已施工的隧道初期支護(hù)受到這兩種不利影響,造成拱部局部坍塌。5)拱頂覆蓋的水平巖層厚度較薄。如果實(shí)際的拱頂頁巖、泥巖厚度較薄,光面爆破效果很差,隧道拱部很難形成自然拱,在其上部較厚的黃土荷載壓力下,已經(jīng)施工的隧道初期支護(hù)難以承受,造成拱部局部坍塌。

2.1.2 施工因素

1)開挖爆破震動(dòng)。早期掌子面爆破震動(dòng)大,拱部巖石慢慢剝落。噴射混凝土臨近掌子面,受爆破震動(dòng)大,噴混凝土早期強(qiáng)度受到很大影響。后期仰拱開挖,拱部巖石、初期支護(hù)再次受到振動(dòng)。故拱部先出現(xiàn)掉塊,慢慢發(fā)展成坍塌。2)原設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖支護(hù)措施過于薄弱。3)個(gè)別段落圍巖量測(cè)不可能預(yù)見所有塌方的發(fā)生。

2.2 水平巖層塌方的特點(diǎn)

一般拱部局部坍塌滯后隧道掌子面開挖里程2倍～3倍洞徑,約為30 m～50 m,該段初期支護(hù)施工已完成,并且分次逐步坍塌,開始小,慢慢牽引臨近地段,塌方段落長(zhǎng),影響范圍大,最長(zhǎng)的約有35 m,一般拱部坍塌寬度約為5 m～8 m,高度約為2 m～3 m。

2.3 塌方前的預(yù)兆

1)水文地質(zhì)條件的變化。如干燥圍巖突然出水、地下水突然增多、涌水量增大、水質(zhì)由清變濁等都是即將發(fā)生塌方的前兆。2)拱頂不斷掉下小石塊,甚至較大的石塊相繼掉落,預(yù)示著圍巖即將發(fā)生塌方。3)圍巖節(jié)理面裂縫逐步擴(kuò)大,很可能要發(fā)生塌方。4)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形,甚至發(fā)出聲響,有坍塌的可能。5)圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腳附近的水平收斂率大于0.2 mm/d或拱頂下沉量大于0.1 mm/d,并繼續(xù)增大時(shí),說明圍巖仍在發(fā)生變形,處于不穩(wěn)定的狀態(tài),有可能出現(xiàn)失穩(wěn)塌方。

3 預(yù)防塌方的施工措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜地段,要在地質(zhì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行物探超前地質(zhì)預(yù)報(bào),一般以TSP202,TSP203為主;對(duì)地下水發(fā)育的地段,要采用紅外探水對(duì)掌子面前方的地下水進(jìn)行預(yù)報(bào)。對(duì)規(guī)模較大的區(qū)域性斷層、物探超前預(yù)報(bào)異常的地段,在地質(zhì)編錄和物探超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,要通過超前水平鉆探進(jìn)一步確定掌子面前方的地質(zhì)情況。對(duì)于地質(zhì)超前預(yù)報(bào)揭示的不良地質(zhì)或特殊巖土地段要高度重視,及時(shí)向有關(guān)單位和人員匯報(bào),并采取必要的控制預(yù)防措施,制定得當(dāng)?shù)氖┕し桨?避免工程災(zāi)害事故的發(fā)生。

3.2 控制好開挖進(jìn)尺及采用合理的爆破方案

1)為了減小對(duì)圍巖不必要的破壞,要注意同一段的共同作用裝藥量不能超過計(jì)算的最大單級(jí)允許裝藥量。2)靠近周邊眼的內(nèi)圈炮眼應(yīng)與周邊眼有相同的斜率傾角。3)周邊眼應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置布置,斷面拐角處應(yīng)布置炮眼。4)炮眼一定要用黃泥進(jìn)行封堵,以提高炮眼的效率。5)裝藥時(shí)一定要按光面爆破的起爆順序進(jìn)行裝藥,避免混裝。6)為了取得較好的炮眼質(zhì)量及提高鉆眼速度,要做到“四不鉆”,即不鉆殘眼、不鉆破碎層、不鉆石縫、不鉆軟夾層。7)每循環(huán)進(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.4 m左右(2榀鋼格柵間距),爆破后盡早封閉巖面,減少圍巖暴露時(shí)間。

3.3 拱部設(shè)置格柵拱架

1)砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀。a.如果隧道拱部圍巖為近水平砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻穩(wěn)定性較好。基巖裂隙水不發(fā)育,局部偶有滲水,采用拱部 150°鋼格柵的措施,見圖 1。b.如果隧道拱部圍巖為近水平砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻穩(wěn)定性較好?；鶐r裂隙水不發(fā)育,局部偶有滲水,在150°鋼架拱腳處圍巖破碎,則將拱腳下移,采用拱部180°鋼架的措施,見圖2。

2)砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁巖互層,薄層狀。如果隧道拱部圍巖為近水平砂巖、砂巖夾頁巖(泥巖),或砂泥巖、砂頁巖互層,薄層狀,節(jié)理發(fā)育,巖體完整性較差,層間結(jié)合差,多有分離現(xiàn)象;邊墻由于軟巖有風(fēng)化現(xiàn)象,穩(wěn)定性相對(duì)較差?；鶐r裂隙水較發(fā)育,局部偶有滴水,采用拱墻鋼格柵的措施,見圖3。

3)采用調(diào)整圍巖級(jí)別的加強(qiáng)措施。為了施工和運(yùn)營(yíng)安全,必要時(shí)采用調(diào)整圍巖級(jí)別的加強(qiáng)措施。如Ⅲ級(jí)水平成層圍巖臨近斷層及影響帶時(shí),或拱部巖層厚度較小、地下水很大時(shí),采用調(diào)整圍巖級(jí)別的加強(qiáng)措施以確保施工安全。

3.4 噴錨支護(hù)施工工藝

1)系統(tǒng)錨桿。隧道系統(tǒng)錨桿采用全長(zhǎng)粘結(jié)φ 22 mm砂漿錨桿。錨桿打入方向一般應(yīng)接近于隧道徑向,但在層狀圍巖中,錨桿的方向宜盡量與圍巖面大角度相交,在頁巖或砂巖的水平巖層地段,邊墻錨桿局部設(shè)置,其余改按等數(shù)量的拱部超前錨桿。2)格柵鋼架。格柵鋼架在洞外鋼構(gòu)件廠鋼板作業(yè)平臺(tái)上,先按設(shè)計(jì)鋼格柵放出大樣圖,然后沿放出的大樣焊接短鋼筋,制作出格柵加工大樣,再將已彎制好的鋼筋放入格柵加工大樣焊接成鋼格柵。鋼架加工的焊接不得有假焊,焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。每榀鋼架加工完成后放在水泥地面上試拼,周邊拼裝允許誤差為±3 cm,平面翹曲小于2 cm。鋼架在開挖或噴混凝土后及時(shí)架設(shè)。

4 掌子面附近的掉塊現(xiàn)象

這種情況往往發(fā)生在爆破后6 h～8 h,正好是出完渣,用架子車立格柵鋼架的時(shí)間。開挖后圍巖應(yīng)力重新分布,初期支護(hù)還未施工完成,頁巖在自重作用下從中間斷裂,發(fā)生掉塊現(xiàn)象。隧道每開挖循環(huán)在2.4 m左右,上一循環(huán)的初期支護(hù)施工完成,和圍巖共同受力,所以掌子面附近不會(huì)發(fā)生大塌方,但掉塊現(xiàn)象不可避免。掌子面附近又是作業(yè)人員比較集中的地方,很容易發(fā)生安全事故,這就要求我們?cè)诔鲈烹U(xiǎn)時(shí),工作一定要細(xì)致,盡可能用挖機(jī)把拱頂危石排除;作業(yè)人員上架后用鉆桿敲擊拱頂頁巖,從聲音可以判斷頁巖和上一層是否已經(jīng)剝離,從而采取相應(yīng)防護(hù)措施;作業(yè)架上要有專人觀察拱頂情況,及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

5 結(jié)語

桑樹灣隧道2008年8月～10月間連續(xù)發(fā)生三次塌方,長(zhǎng)度均在30 m左右。后來在水平巖層地段采取拱部設(shè)置格柵鋼架的處理措施,收到顯著效果。隧道進(jìn)出口再未發(fā)生過拱部坍塌,月進(jìn)尺都保持在150 m左右。在隧道的施工尤其是長(zhǎng)大隧道的施工過程中,應(yīng)該做到心中有數(shù),把預(yù)防隧道塌方作為重點(diǎn),將隧道塌方列入成本控制中,在隧道施工中樹立起“不塌方就是效益,塌方就是責(zé)任事故”的指導(dǎo)思想。

[1]馮 靖,田 斌,郭 建.客運(yùn)專線大斷面軟弱圍巖隧道塌方預(yù)防與整治技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(sup):1.

[2]李新皇.淺談大窩山隧道進(jìn)口段軟弱圍巖短臺(tái)階施工[J].山西建筑,2008,34(33):327-328.