吳學(xué)智,代成良,劉慶舒,張 丹,黃 鵬
(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 611130;2.華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司,西藏 拉薩 850000)
我國基礎(chǔ)建設(shè)舉世矚目,公路、鐵路等隧道建設(shè)成就輝煌。在隧道建設(shè)過程中,發(fā)生過不少隧道塌方事故,但杜絕不了再塌方的悲劇。為了提高塌方處理的可操作性,防止小塌方變成大塌方,能及時(shí)安全有效地處治隧道塌方,有必要對隧道塌方安全處治技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。
近年,吳學(xué)智[1-2]采用自進(jìn)式中空錨桿限量注漿的技術(shù)處理了塌渣塊石架空、小導(dǎo)管難以成孔、吃漿量大的超大型隧道塌方;劉智勇等[3]采用注漿小導(dǎo)管限量注漿處治了某關(guān)門式隧道大塌方;羅治國[4]對富水軟弱圍巖隧道塌方機(jī)理進(jìn)行了研究;任和祥[5]對高海拔寒冷地區(qū)軟巖公路隧道塌方處治方案進(jìn)行了研究;楊林[6]對淺埋大斷面公路隧道塌方處治措施及效果進(jìn)行了分析;劇仲林[7]對“關(guān)門”塌方原因進(jìn)行了力學(xué)分析;袁永才等[8]對山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)理論與方法及工程應(yīng)用進(jìn)行了研究;肖東輝等[9]介紹了T76S自進(jìn)式螺旋注漿管棚在隧道塌方治理中的應(yīng)用,并對其支護(hù)效果進(jìn)行了評價(jià);關(guān)曉吉[10]采用可拓云模型的隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)方法對隧道塌方的安全性進(jìn)行了評價(jià);呂擎峰[11]采用模糊層次和后果當(dāng)量法對隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估;祁文睿等[12]研究了公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監(jiān)測技術(shù);張曉今等[13]研究了淺埋山嶺隧道軟巖段的塌方原因及處治技術(shù);王秋生等[14]對深埋大斷面隧道土石復(fù)合地層塌方機(jī)制及處置措施進(jìn)行了評價(jià);侯艷娟等[15]對隧道施工塌方事故分析與控制技術(shù)進(jìn)行了研究;張毅[16]等對弱膨脹土地區(qū)隧道施工方法及塌方進(jìn)行了研究;李志強(qiáng)[17]等對淺埋黏土層大跨度隧道施工技術(shù)與塌方風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析;李祝龍[18]等對波紋鋼管用作隧道逃生管道時(shí)的情況進(jìn)行了模擬分析。
前人從工程實(shí)踐及理論方面對隧道塌方處理進(jìn)行了較為深入的研究,但每處隧道塌方情況都不相同,處理方法均存在差異,目前缺乏一套系統(tǒng)、規(guī)范、安全、實(shí)用的隧道塌方處治技術(shù)。
為積極響應(yīng)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)。隨著具有高海拔、高地應(yīng)力、軟巖大變形、巖爆、斷層破碎帶及涌水等不良地質(zhì)條件的世界屋脊川藏鐵路及雅魯藏布江下游水電站等國家級大型工程項(xiàng)目的開工建設(shè),為減少塌方或更好地處治塌方,本研究以王麻子隧道“關(guān)門式”大塌方為例,對創(chuàng)新的“三段四步法”隧道塌方安全處治技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)研究。
本隧道工程為四川省境內(nèi)某大型水電站庫區(qū)岸坡山體滑坡改線公路王麻子隧道,隧道起訖樁號K4+194~K6+522,隧道長2 328 m。隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參考四級公路標(biāo)準(zhǔn),隧道內(nèi)雙向行車道寬度2×3.0 m(不含兩側(cè)0.25 m路肩)。隧道建筑限界:7.0 m(寬)×4.5 m(高)(正洞段);10.25 m(寬)×4.5 m(高)(緊急停車帶段)。
圖型襯砌斷面(單位:cm)
隧道區(qū)無大型地表水體。隧道圍巖為奧陶系下統(tǒng)(01(S))黑色頁巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖,巖體呈微風(fēng)化-新鮮,完整性較好,薄層-中厚層狀結(jié)構(gòu),巖層產(chǎn)狀為160°~180°∠30°~50°,巖層走向與隧道洞軸線呈小角度相交,巖層中傾,節(jié)理不發(fā)育,結(jié)構(gòu)面呈閉合狀,該段地下水不豐富,以地表降雨補(bǔ)給基巖裂隙水為主,地下水呈滲水-滴水狀。
塌方段為節(jié)理裂隙較發(fā)育、呈塊體構(gòu)造的Ⅳ2級(Ⅳ級偏差)圍巖,開挖時(shí)無水。隧道塌方段埋深200~203 m,地表為相對較平緩的自然斜坡。塌方后,塌方段呈淋雨?duì)盍严端?,無水壓,最大出水量3.8 m3/h。
隧道1#緊急停車帶(K4+775~K4+825段),于2020年4月開始施工,2020年5月20日完成開挖及初期支護(hù)。實(shí)際圍巖級別與原設(shè)計(jì)相符。
表型襯砌支護(hù)參數(shù)表
2020年7月5日前,K4+800~K4+825段監(jiān)控量測值在規(guī)范范圍內(nèi)。2020年7月5日后,工程區(qū)連降暴雨,K4+800~K4+825段拱部初期支護(hù)噴混凝土出現(xiàn)局部開裂及滴水現(xiàn)象,拱頂偶有掉塊,拱頂沉降速率變大。7月20日—24日,K4+815拱頂沉降速率依次為: 10,11,12,30,50 mm·d-1。此處累計(jì)沉降量50 cm。塌方前5 d的位移-時(shí)間曲線見圖2、圖3。
圖2 隧道橫斷面監(jiān)測點(diǎn)位及編號
圖3 K4+815時(shí)間-位移曲線
2020年7月24日,隧道掌子面樁號K4+918。出現(xiàn)過大變形后,當(dāng)天暫停施工,當(dāng)晚10:00前撤出了洞內(nèi)所有施工人員和最大變形段與掌子面之間的機(jī)械設(shè)備。2020年7月25日凌晨2點(diǎn)左右,K4+800向大里程段拱頂塌方,大塌方后為間歇性小塌方及掉塊。
2020年7月28日,塌方基本趨于穩(wěn)定,偶有零星掉塊。塌渣基本填滿了塌方下部隧道,塌渣呈碎塊狀(直徑約0.1~0.5 m)。根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件及施工情況,推測塌方段為K4+800~K4+825段,初步判斷:隧道拱部110°范圍內(nèi)塌方,塌方高度約3~8 m,塌方約1 500 m3。后續(xù)施工知,以上預(yù)測與實(shí)際相符。
塌方后,K4+775~K4+790段拱頂局部出現(xiàn)縱向裂縫及大面積噴混凝土脫落情況。K4+790~K4+800段,隧道右拱部存在一條順線路向的貫通性縱向張開裂縫,噴混凝土開裂,局部剝落。裂縫處,初支鋼架出現(xiàn)明顯的內(nèi)擠扭性剪切變形,本塌方影響段潛在垮塌的高風(fēng)險(xiǎn)。
不可見塌方影響段是與緊急停車帶緊鄰的正常斷面,推測最少為10 m,實(shí)際為15 m,即K4+825~K4+840段。
現(xiàn)場按原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)施工,具體支護(hù)參數(shù)見圖1及表1。
采用大斷面(寬12.85 m,高8.04 m),大進(jìn)尺(2~2.5 m/循環(huán))開挖,暫未開挖仰拱。開挖后及時(shí)進(jìn)行了鋼架及噴混凝土初支工作,初支緊跟掌子面,但隧道拱頂大量超挖沒有噴混凝土及泵送混凝土回填密實(shí),超挖脫空的腔面無任何有效支護(hù)。
塌方后,在K4+780拱頂初支噴混凝土脫落處鑿孔測量知,初支鋼架與巖面之間超挖脫空64 cm。隧道仰拱施工至K4+800,距離掌子面118 m;隧道二次襯砌至K4+745,距離塌方最近邊界55 m,距離掌子面173 m。
隧道進(jìn)口掌子面樁號K4+918,距離塌方邊界93 m;塌方段相對位置關(guān)系見圖4。
圖4 塌方段相對位置關(guān)系示意圖
開挖揭示,實(shí)際工程地質(zhì)條件與原設(shè)計(jì)相符,設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)能滿足實(shí)際需要。
《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)7.2.3規(guī)定:Ⅳ級圍巖開挖長度不大于2榀鋼架間距;實(shí)際施工超過了規(guī)定值;設(shè)計(jì)文件要求上臺階開挖高度4.55 m,實(shí)際開挖高度8.04 m?!端淼朗┕ぐ踩艞l規(guī)定》2.3規(guī)定:石質(zhì)隧道,Ⅳ級圍巖地段,仰拱距離掌子面不大于70 m,實(shí)際為118 m;二次襯砌距離掌子面距離不大于120 m,實(shí)際為173 m。另外,根據(jù)K4+775~K4+800塌方影響段初期支護(hù)變形情況及現(xiàn)場打孔驗(yàn)證知,隧道拱頂存在大量超挖脫空,脫空部位巖面沒有任何支護(hù)。
綜合分析判斷,隧道塌方的主要原因是施工所致。采用大斷面、大進(jìn)尺開挖后,隧道拱部出現(xiàn)大量超挖,超挖部位沒有及時(shí)采取有效的處理及支護(hù);隧道仰拱及二次襯砌嚴(yán)重滯后,初支后至塌方時(shí)長達(dá)56 d;其次,從7月5日發(fā)現(xiàn)初支噴混凝土局部開裂到7月25日塌方,時(shí)間間隔20 d,在此期間,現(xiàn)場僅在塌方段間隔施工了8榀臨時(shí)鋼架支護(hù),沒有及時(shí)對鋼架后脫空進(jìn)行回填處理;另外,本段屬于節(jié)理裂隙發(fā)育的Ⅳ級偏差泥質(zhì)細(xì)砂巖夾黑色頁巖。2020年7月,遭遇了罕見的強(qiáng)降雨,隧道滲水增加,泥巖軟化,超挖脫空部位圍巖出現(xiàn)過大松弛變形。
在以上諸多因素的影響下,遠(yuǎn)離掌子面93~118 m 的位置形成“關(guān)門式”大塌方。
根據(jù)實(shí)際圍巖條件、施工情況、隧道拱部脫空情況、塌方段塌腔穩(wěn)定情況及K4+775~K4+800段變形情況,綜合分析判斷:K4+800~K4+825塌方段塌腔欠穩(wěn)定,潛在掉塊及塌方的較大安全風(fēng)險(xiǎn);K4+775~K4+790段潛在塌方的一般安全風(fēng)險(xiǎn);K4+790~K4+800段處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),潛在塌方的重大安全風(fēng)險(xiǎn);不可見塌方影響段洞徑較小,隧道拱部存在局部超挖脫空,潛在塌方的一般安全隱患。
隧道塌方后,根據(jù)塌方段和可見塌方影響段潛在的安全風(fēng)險(xiǎn),分段制定了有針對性的安全處治技術(shù)方案,并根據(jù)具體方案,按分段施工的步驟和安全施工技術(shù)方法,提出創(chuàng)新的“三段四步法”隧道塌方處治方案。
“三段四步法”釋義,“三段”是指:塌方段及其兩端塌方影響段;“四步”是指:第1步,應(yīng)急處理;第2步,可見塌方影響段加固處理;第3步,塌方段處理;第4步,不可見塌方影響段加固處理。
緊靠K4+800附近,在隧道開挖輪廓線內(nèi),采用機(jī)械填渣反壓塌口下部K4+775~K4+800段高風(fēng)險(xiǎn)塌方影響段兩側(cè)邊墻;在現(xiàn)有的塌渣坡面上填渣,反壓塌渣,放緩塌渣坡面;用裝砂編織袋封堵隧道拱頂塌口。
邊墻反壓塌渣高度不低于150 cm。反壓填渣坡面不陡于1∶1,并在隧道起拱線部位橫向留寬度不小于150 cm的作業(yè)平臺。
6.2.1 臨時(shí)支護(hù)
K4+775~K4+790段,在現(xiàn)有拱、墻初支的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置I18臨時(shí)鋼架支撐組,按不少于3榀鋼架聯(lián)合為一組,同組鋼架縱向間距100 cm。相鄰鋼架支撐組之間間隔距離2~5 m。
K4+790~K4+800段,在拱、墻初支的基礎(chǔ)上,按縱向100 cm間距設(shè)I18工字鋼架作為臨時(shí)支撐。
填渣反壓地段,臨時(shí)鋼架應(yīng)置于反壓渣體上部。鋼架底部置于填渣頂部,采用大塊石或片石支墊形成大腳支墊,鎖腳錨桿固定。
6.2.2 脫空回填及加固措施6.2.2.1 隧道脫空檢查及處理
采用開孔檢查法或地質(zhì)雷達(dá)檢查法檢查K4+775~K4+800段初支與開挖輪廓面之間是否存在脫空。根據(jù)脫空部位及脫空大小,在較大脫空處設(shè)Φ108混凝土泵送管,泵送C20混凝土回填空腔。當(dāng)空腔高度小于1.5 m時(shí),采用C20混凝土回填密實(shí);當(dāng)空腔高度大于1.5 m時(shí),回填至拱頂以上1.5 m。
可見塌方影響K4+775~K4+800段,在隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)徑向注漿小導(dǎo)管(Φ42×4,L=100 cm/根),環(huán)向及縱向間距100 cm,梅花型布置,每根小導(dǎo)管平均注漿量0.135 m3。自下向上,兩側(cè)對稱注漿,注漿后在隧道開挖輪廓線外形成不小于100 cm厚的連續(xù)固結(jié)拱圈。
K4+795~K4+800段,在拱部120°范圍內(nèi)的適當(dāng)位置設(shè)2排環(huán)向及縱向間距100 cm、梅花型布置、超前向上45°大角度的固結(jié)注漿小導(dǎo)管(Φ42×4,L=450 cm/根),每根小導(dǎo)管平均注漿量0.203 m3。
小導(dǎo)管尾端30 cm不設(shè)注漿孔,前端按照縱向10 cm間距設(shè)3排直徑為Φ8的梅花型注漿孔。水泥漿強(qiáng)度不低于M20,水灰比0.5∶1~1∶1,限量注漿,注漿壓力不作為終漿標(biāo)準(zhǔn)。參考注漿壓力0.2~0.5 MPa。
6.2.3 不可見塌方影響段臨時(shí)支護(hù)及加固措施
不可見塌方影響K4+825~K4+840段,待塌方段處理完畢后,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)加固處理,如有變形,參照K4+775~K4+800段加固處治方案處置。
加固完畢,注水泥漿強(qiáng)度或泵送混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)75%強(qiáng)度要求,鋪設(shè)防水板前,制定拆除臨時(shí)支護(hù)鋼架的作業(yè)指導(dǎo)書,按要求拆除臨時(shí)支護(hù)鋼架。
擇機(jī)實(shí)施二次襯砌。當(dāng)塌方影響段加固工作完畢,消除了本段安全隱患,塌方段上半洞開挖、初支完畢,不可見塌方段加固處理完畢后,再安排二次襯砌;當(dāng)加固后,還潛在塌方的安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí),先實(shí)施本段襯砌,再考慮后續(xù)其他施工。
6.5.1 方案比選
根據(jù)塌方情況、實(shí)際工程地質(zhì)情況及塌方后已實(shí)施的應(yīng)急處理措施,在確保安全的前提下,結(jié)合隧道使用功能,按經(jīng)濟(jì)合理的原則,提出3個(gè)隧道塌方處治比選方案。
方案1:小導(dǎo)管注漿固結(jié)塌渣成拱法;
方案2:開挖塌渣泵送混凝土回填成拱法;
方案3:大管棚支護(hù)法。
經(jīng)研究比選,確定方案1作為隧道塌方處治方案,見圖5、圖6。
圖5 隧道塌方處治縱斷面示意圖
圖6 隧道塌方處治橫斷面示意圖(單位:cm)
6.5.2 小導(dǎo)管注漿固結(jié)塌渣成拱方案
泵送C20混凝土回填塌腔:在K4+800~K4+802段隧道拱頂90°范圍內(nèi)隧道開挖輪廓線外的無塌渣部位,泵送C20混凝土回填塌腔至隧道拱頂開挖輪廓外以上150 cm,根據(jù)現(xiàn)狀,泵送混凝土緊貼現(xiàn)有塌渣及K4+800處塌腔巖體。
K4+802~K4+825段,采用不同角度的注漿小導(dǎo)管超前及補(bǔ)注漿固結(jié)加固隧道拱部塌渣,使拱部一定厚度的塌渣形成鋼筋混凝土碎石固結(jié)拱,具體支護(hù)參數(shù)如下。
在拱部120°范圍內(nèi)設(shè)超前小角度注漿小導(dǎo)管(Φ42×4,L=450 cm/根),環(huán)向間距30 cm,縱向排距100 cm,超前外插角5°~10°,每根小導(dǎo)管平均注漿量0.135 m3。
在隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)超前大角度注漿小導(dǎo)管(Φ42×4,L=450 cm/根),環(huán)向及縱向間距100 cm,超前向上外插角45°。每根小導(dǎo)管平均注漿量0.473 m3。
在隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)徑向注漿小導(dǎo)管(Φ42×4,L=300 cm/根),小導(dǎo)管環(huán)向及縱向間距100 cm,徑向布置。每根小導(dǎo)管平均注漿量0.473 m3。
超前大角度注漿小導(dǎo)管與徑向注漿小導(dǎo)管縱向交替布置。按要求施工小導(dǎo)管注漿孔,水泥漿強(qiáng)度不低于M20,水灰比0.5∶1~1∶1,限量注漿。依次對應(yīng)施工超前小角度及大角度注漿小導(dǎo)管;開挖及初期支護(hù)150~200 cm后,及時(shí)跟進(jìn)施工1~2排徑向注漿小導(dǎo)管。
塌方段分上、下臺階和仰拱3部分開挖。以拱部3節(jié)鋼架所在位置為上臺階(高4.36 m);上臺階底部與邊墻鋼架底部之間為下臺階(高3.68 m);仰拱(高1.40 m)。
先施工塌方段上臺階,上臺階施工完畢后,再施工下臺階。上臺階采用環(huán)形分部留核心土法開挖,每循環(huán)開挖進(jìn)尺按照能安裝一榀鋼架的距離控制。每循環(huán)可根據(jù)鋼架接頭分左、中、右3部分施工。先施工左側(cè)一段鋼架,留中間核心土,再施工右側(cè)一段鋼架,然后完成拱頂?shù)囊欢武摷堋A艉诵耐疗卤?∶1,開挖后,噴C20混凝土厚8 cm封閉塌渣體坡面。依次循環(huán),完成上臺階開挖施工。采用鉆孔取芯切割法或風(fēng)鎬破碎法開挖局部固結(jié)塌渣,嚴(yán)禁放炮開挖。
根據(jù)塌方情況、塌方體加固情況及兩側(cè)邊墻圍巖狀況確定下臺階開挖方法。當(dāng)兩側(cè)邊墻圍巖較差,上臺階塌方體加固后的拱座不穩(wěn)固時(shí),中間留核心土,兩側(cè)拉槽落底。落底前,先行施工邊墻超前外插45°大角度的超前固結(jié)注漿小導(dǎo)管或超前水泥砂漿錨桿,然后按照1~2榀鋼架距離作為單循環(huán)開挖進(jìn)尺,開挖后及時(shí)施工鋼架及噴混凝土等初支。拉槽一側(cè)超前另一側(cè)不少于5 m,嚴(yán)禁同榀鋼架兩側(cè)同步開挖懸空。適時(shí)清除中間核心土。采用拉槽的渣體反壓支護(hù)好的邊墻,待噴混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后清除反壓渣體。
下臺階施工完畢后,適時(shí)施工仰拱。仰拱全幅最大開挖長度不宜超過3 m。
塌方處理完畢,準(zhǔn)備二次襯砌及鋪設(shè)防水板前,在塌方段拱部,按照2 m間距施工直徑不小于50 cm的徑向排水孔,排水孔長度以打穿塌渣體或固結(jié)圈,達(dá)到引排塌渣體內(nèi)積水的目的確定排水孔長度。
在拱、墻范圍內(nèi),沿初支面,按照縱向2 m間距,環(huán)向設(shè)置Φ50HDPE單壁波紋盲管。每個(gè)排水孔內(nèi)插1根100 cm長的Φ50PVC排水管,并通過三通與波紋盲管有效連接,排水管與排水孔周壁可見部位抹水泥砂漿封堵,引排塌腔水至隧道底部排水溝。然后在拱、墻范圍內(nèi)鋪設(shè)EVA防水板,施工二次襯砌。
塌方處理后,于2020年12月12日—16日進(jìn)行了K4+815處全斷面監(jiān)測,除12日拱頂3#點(diǎn)沉降值為6 mm/d外,其余時(shí)間沉降值在3 mm/d以內(nèi),監(jiān)測情況正常(見圖7)。
圖7 K4+815時(shí)間—位移曲線
在受降雨影響和現(xiàn)場施工組織一般的條件下,按確定的方案安全地完成了隧道塌方處理工作。可見塌方影響段25 m,用時(shí)15 d;不可見塌方影響段15 m,用時(shí)10 d;塌方段25 m,用時(shí)30 d。合計(jì)55 d。隧道塌方處理及變形加固直接費(fèi)約268萬。
實(shí)踐證明“三段四步法”隧道塌方處治方案安全有效,塌方處治效果良好。
按照“三段四步法”技術(shù)方法,安全有效地處治了王麻子隧道大塌方??偨Y(jié)幾點(diǎn)體會并提出需要進(jìn)一步研究的問題如下:
(1)此隧道塌方的主要原因是不當(dāng)施工所致。隧道拱部鋼架與巖面之間脫空和脫空部位有效支護(hù)的缺失問題是一種普遍現(xiàn)象。這是隧道塌方安全風(fēng)險(xiǎn)管控的重點(diǎn)。
(2)“三段四步法”的分段評價(jià)方法和分步處治方法不僅適用于關(guān)門式隧道塌方,也適用于其他形式的隧道塌方。此法具有普遍適用性。
(3)塌方段采用了3種不同角度和不同長度的注漿小導(dǎo)管。根據(jù)不同小導(dǎo)管所起的不同作用,對其施工順序、施工方法、注漿量進(jìn)行了區(qū)別對待。采用適當(dāng)?shù)淖{工藝,動(dòng)態(tài)調(diào)整不同部位的注漿量,重視補(bǔ)注漿的效果和作用,實(shí)現(xiàn)在隧道拱部形成2~3 m厚連續(xù)鋼筋混凝土碎石固結(jié)拱圈的目的。
(4)要重視固結(jié)拱圈之拱座與兩側(cè)巖體之間的有效連接和塌渣體內(nèi)的排水工作。
(5)應(yīng)急搶險(xiǎn)中,根據(jù)需要優(yōu)先使用機(jī)械填渣反壓法。此法能快速約束隧道過大變形和預(yù)防塌方擴(kuò)大。
(6)有待進(jìn)一步研究和完善問題有:注漿質(zhì)量的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn);初期支護(hù)鋼材的防腐及加固圈的耐久性問題。