公路隧道工程塌方产生原因及治理方法[全面]

公路、隧道工程塌方产生原因及治理方法
1 工程概况
某隧道为分离式隧道,设计净空断面为14.0 米×5.0 米,曲墙复合式衬砌结构.按新奥法施工,进出口段采用大管棚、超前小导管、型钢支撑或超前锚杆、钢格栅拱架成洞.
隧道特点:①隧道地处丘陵地貌,山坡坡度约为10°～30°,
植被较发育.中部山脊走向接近南北向,未见崩塌、滑坡等地质灾害.②隧道岩层走向与隧道轴线大角度相交,间有断裂及向斜构造分布,岩层层理、裂隙发育较全,易产生坍塌和掉块.
③隧道进出口段处见风化凹槽,地层岩性为砂土状及碎块状强风化熔结凝灰岩层,厚度大、地层渗透系数大,属强过水通道,水量丰富.洞室埋深浅,大部分处于埋深小于40 米的浅埋地段.侧壁易失稳,拱部无支护时易产生坍塌.④隧道地下水主要风化层孔隙裂隙水和基岩裂隙水,受大气降水及地下水侧向补给,水量贫乏,但隧道中部的构造断裂带位于小山谷旁,富水性较好.勘察期间对钻孔进行稳定水位恢复观测,未见涌水等地下水发育迹象,但隧道大部分穿行于粉砂岩、泥岩区,层理裂隙发育,且本隧道发育有多条断裂带,为潜在的良好透水带.
2 塌方产生原因
2.1 地质因素
隧道工程属地下工程,地质情况千变万化,施工过程中受各种不可预见的地质现象及地质构造的影响巨大.公路隧道工程受多变的地质条件影响,如遇到地下水、岩溶、断层破碎带、高地应力、岩爆、瓦斯、偏压浅埋、膨胀土等条件,使施工难度大,安全性差;而且公路隧道开挖跨度大,单洞三车道隧道开挖跨度达16 米,形状扁平,且防水要求高,加之受勘查水平及其他很多相关因素的制约,这些无疑加大了公路隧道的施工难度和塌方事故产生.
此隧道中地层岩性为砂土状及碎块状强风化熔结凝灰岩层,厚度大、地层渗透系数大,属强过水通道,水量丰富.水渗入围岩使软化系数大的岩石强度降低,结构面的抗剪强度减小,导致塌方.洞室埋深浅,大部分处于埋深小于40 米的浅埋地段.塌方处地表人工采土开挖范围较大,未采取防护措施.
2.2 设计因素
公路隧道工程设计方法当前主要有工程类比法、理论计算法及现场监控法等,这些方法又以工程类比法运用得最为广泛.在设计过程中若对围岩判断不准或情况不明,从而设计的支护类型与实际要求不相适应,也是导致施工中产生松驰坍塌等异常现象的原因,而且设计中的地质勘查周密详尽与否也是造成施工塌方事故产生的诱发甚至主导因素.
2.3 施工因素
施工中的不规范施工也是导致塌方的重要因素之一.目前,中国公路隧道施工队伍的技术、管理及施工水平参差不齐,加之一些建设环节的操作不规范,有的施工企业及人员对新奥法原理缺乏深入学习、认识、研究和应用,导致不规范施工现象较为普遍.
2.4 认识因素
不可否认的是,“不塌方、不赚钱”的观念目前还在一定范围内存在.有些施工单位及施工人员甚至期盼着塌方,从而增加工程量或者设计变更以带来更大的施工利润.另一方面,“地质工作是设计人员的任务,而不是施工人员的事”这一传统观念致使减弱甚至忽略了施工过程中的地质勘测及预报工作,从而也加大了施工塌方事故产生的可能性.
3 隧道塌方处理方法
塌方事故发生后,及时对塌方体进行处理,对塌方体表面喷一层20 厘米厚的C25早强混
凝土并挂网将塌方体封闭,然后进行超前小导管注浆预支护加固、稳定围岩.针对现场塌方的实际情况,对受塌方影响的初期衬砌裂缝地段进行加固,并及时施作二次衬砌,对塌方体进行加固处理,对地表进行封闭.
3.1 开裂、侵限段落的加固处理
塌方事故直接影响初期支护拱体长达7 米～19 米,拱顶初期支护下沉变形较大,出现多条较大裂缝.为了防止塌方范围继续扩大,以及防止前端的初期衬砌支护下沉变形加大,对初期衬砌裂缝地段采取了如下加固措施:
(1)对桩号初期衬砌裂缝地段的初期支护,拱部增设径向
Φ50 米米×5 米米小导管,呈梅花型布置,间距为100 厘米×100 厘米.施工后及时注浆以加固围岩,防止洞室周围围岩塑性区进一步扩展.通过监控量测结果可以看出小导管注浆后围岩变形减少,达到了预期的效果.
(2)先对每榀型钢拱脚底部每侧各施打向下为45°的两根3.5 米
长注浆小导管锁脚,然后用工字钢做临时支撑,工字钢(或槽钢)做底梁.待钢支撑施工完毕后,设水平横向支撑形成环,工字钢用Φ25钢筋纵向连接,环向间距为100 厘米.工字钢按70 厘米间距安装,加设楔形砼垫于喷射混凝土与型钢之间塞缝.
(3)未塌方段由于受到塌方体的影响,紧邻塌方体10 米范围内的周壁围岩发生较大变形,严重侵占了二次衬砌规定的5 厘米～10 厘米,最薄处只有40 厘米.为了确保二衬尺寸,对侵限地段已经施工完毕的工字钢支撑进行了抽换.抽换采取间隔抽换,型钢更换后,对侵入二衬范围的喷射砼进行凿除,满足设计初支厚度后进行重新补喷,然后再进行二衬的正常施工.
3.2 塌方整治总体方案
塌方体围岩结构属V级围岩,塌方体厚度为8 米～17 米,高度为36 米,塌方空腔较大.在处理、加固好未塌方段后,在做好隧道地表排水和保证安全的前提条件下,按照下列方案和工艺过程进行塌方体处理.
3.2.1 加强对塌方体的监控量测
对洞周塌方范围进行定时、定位的观测,随时掌握塌方体动向,并将现场数据进行回归分析,以便对围岩稳定进行分析,修正和完善抢险方案.
3.2.2 洞内塌方影响段处理
(1)对塌方体表面喷一层20 厘米厚的C25早强混凝土并挂网将塌方体封闭,保持塌方体稳定.应在塌方体下部打入Φ50 米米×5 米米钢花管,以利塌方体内排水工作.
(2)在塌方影响段内采用Φ89 米米×6 米米超前注浆钢花管,环向、纵向间距分别为50 厘米、100 厘米,扇形布置,外插角为15°、30°、45°,长度为18 米.
(3)待塌方体注浆固结强度及超前支护强度达到设计要求后,方可对塌方段进行开挖.严格采用双侧壁导坑,必要时加上下台阶法进行掘进,逐段清理塌方体并开挖到设计轮廓线后,随即喷射5 厘米混凝土,架设22 a工字钢支撑(间距为50 厘米).并用注浆小导管锁脚(每处施做两根3.5 米长,Φ50 米米×5 米米小导管),必要时可施工临时仰拱(现浇20 厘米厚C20砼),钢支撑架设后应立即复喷到位.
(4)初期支护采用Φ50 米米×5 米米小导管(长为5 米,外插角为60°),小导管纵、环向间距皆为1 米和挂网喷C25砼(厚30 厘米),22 a工字钢支撑(间距为50 厘米).
(5)二次衬砌比原设计有较大加强,厚度按60 厘米,混凝土标号采用C30钢筋混凝土,钢筋直径采用Φ25 米米,间距为10 厘米.
(6)注浆:为了保证水泥浆液在土体中一定范围内扩散,注浆材料采用C30细粒水泥浆,注浆压力为3.0 米Pa.施工时注浆量根据现场试验进行确定.注浆时先拱墙、后拱部,并采用隔孔注浆方式.注浆结束标准,注浆压力逐步升高,达到设计终压并继续注浆15 米in以上,注浆量一般为20 L/米in～30 L/米in.
(7)初期支护完成后,仰拱紧跟施作,尽快形成初支闭合环,并要求二衬衬砌紧跟,使塌方体变形小并保证塌方体稳定.侧壁临时支护拆卸前必须对注浆过的围岩钻孔取芯,检测注浆效果,若注浆效果达不到要求,须重新补注加固.
3.2.3洞顶地表处理
(1)修筑洞顶塌陷坑周边的截排水沟,以阻止地表水继续向塌方区汇集.
(2)在山体周边表面裂缝填灌C20水泥浆(上边大裂缝可用黏土填筑,表面再用水泥砂浆隔水),回填地表凹陷处并进行夯实,在其上喷一层厚20 厘米的C20早强混凝土将塌方体封闭,保持地表塌方体的稳定.
4 塌方处理的施工要求
(1)监控量测要求,先期监控频率每班监控1次,待变形基本控制住后可改为每天1次,及时向设计代表和总监办汇报监控结果.
(2)遇到突发事件,立即采取应急处理措施.在施工过程中,应确保施工安全,采用3班工作制,安全员应随时注意观察围岩变化.若有突变,所有人员必须立即撤离.同时要加快处理速度,以尽量减少裂缝发展.
5 结论
在处理此隧道的塌方中,我们遇到了困难,进行了反思,总结得到以下几点经验:
(1)加强在隧道施工实践中对新奥法原理的理解和实施,“设计、施工、量测、设计”是新奥法的根本所在,属动态信息管理.加强监控量测工作,按规定进行量测、科学分析、信息及时反馈,指导工程施工.尤其在Ⅴ、Ⅳ级的围岩施工中,该项工作显得更为重要.
(2)在Ⅴ、Ⅳ级软弱围岩含水地段开挖施工中,应严格遵循“短进尺,弱爆破,紧支护,勤量测”的指导方针.实践证明,及时支护并初喷4 厘米厚砼封闭的施工工序至关重要,可避免隧道开挖后围岩暴露过久产生风化作用而降低其强度和稳定性,使支护和围岩作为一个统一的整体共同工作,降低塌方事故发生的可能性.
(3)公路软弱围岩段隧道施工必须早封闭成环及紧跟二次衬砌,使其与初期衬砌共同参与受力.避免初期支护被压垮,导致隧道塌方.
(4)隧道塌方后,必须迅速、及时地处理现场,科学合理的制定塌方处理方案.塌方事故发生后,各方负责人和技术人员应迅速到达塌方地点,详细勘察塌穴尺寸及塌穴稳定情况,研究工程地质、水文地质,检查塌方对初期支护的损坏情况和影响区域,分析塌方的主要原因和可能继续发展的趋势.在现场掌握情况的基础上,认真制定处理的步骤、方法及预防对策.
(5)隧道塌方后,应先待塌方体相对稳定后,对塌方体表面进行喷混凝土封闭,防止塌方体滑移,然后再加固未塌方地段,防止塌方范围扩大,最后向塌方体注浆加固为后序开挖做好准备.。