略論隧道的冒頂病害整治辦法

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1隧道設(shè)計(jì)概況

地質(zhì)巖性洞身、底板地層為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）地層，巖性組成較為復(fù)雜，主要巖性有泥質(zhì)頁(yè)巖、鋁質(zhì)泥巖（鋁土巖）、薄層灰?guī)r（或相變?yōu)槟嗷規(guī)r）、砂巖、煤線等，以中薄層狀—頁(yè)理狀構(gòu)造為主，層理十分發(fā)育，風(fēng)化程度也較高，巖質(zhì)普遍很軟；頂板以石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）地層為主，主要巖性有泥質(zhì)頁(yè)巖、含燧石條帶（或團(tuán)塊）灰?guī)r、砂巖、煤層、泥灰?guī)r等，其中泥頁(yè)巖呈薄層狀或頁(yè)狀產(chǎn)出，層理十分發(fā)育，風(fēng)化程度也較高，巖質(zhì)較軟或極軟；石灰?guī)r一般含燧石呈致密微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，以中厚層狀構(gòu)造為主，裂隙較為發(fā)育，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，主要分布于隧道頂板附近，砂巖呈灰黃色，以細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主，中薄層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)相對(duì)較軟，分布在隧道洞頂以上。水文隧址區(qū)地表水主要來(lái)自大氣降水補(bǔ)給，本隧道洞身內(nèi)有少量地下水存在，預(yù)測(cè)洞內(nèi)涌水量為10~20m3/d·km。不良地質(zhì)根據(jù)勘察報(bào)告，采空區(qū)分布極不規(guī)則，隧道穿越采空區(qū)以巷道為主，斷面尺寸較小，左右幅洞體內(nèi)各種巷道（采空區(qū)）累計(jì)分布長(zhǎng)度分別約150m。K27+920—K28+220段也布設(shè)了3個(gè)鉆孔，其中一個(gè)鉆孔揭露到采空區(qū)，有掉鉆現(xiàn)象，另外兩個(gè)鉆孔均揭露到煤層。

2塌方冒頂

3月26日，K28+003—K28+031段初期支護(hù)發(fā)生變形、開(kāi)裂，主要為拱頂120°范圍內(nèi)。3月31日K28+003—K28+031發(fā)生坍塌，4月1日K28+021地表沉陷，陷坑深約11m、直徑5m,塌陷坑洞側(cè)壁傾角為-65°左右。塌陷坑洞大致呈一倒圓錐狀，總塌方量約5000m3。

3原因分析

根據(jù)詳細(xì)的勘察結(jié)果，（C3t）地層中發(fā)育有一層3m左右的石灰?guī)r，其強(qiáng)度較高，調(diào)整線位標(biāo)高，使隧道拱頂位于該石灰?guī)r以下2~5m處。該石灰?guī)r雖然強(qiáng)度較高，且該巖層中基本可以排除采用區(qū)發(fā)育的可能性，但其節(jié)理較為發(fā)育。隧址處地層以石炭系地層為主，煤及硫磺礦呈雞窩狀分布，小規(guī)模的私挖亂采形成了大小不等、分布不均的采空區(qū)。根據(jù)3月26日隧道施工現(xiàn)場(chǎng)工作人員反映，隧道拱頂曾發(fā)生了突然的震動(dòng)。結(jié)合采空區(qū)及地層巖性情況分析，受隧道爆破影響，隧道拱頂采空區(qū)的突然坍塌，導(dǎo)致拱頂石灰?guī)r破裂，從而沖擊隧道初期支護(hù)，導(dǎo)致支護(hù)變形失穩(wěn)。水文地質(zhì)原因冰雪融水，加之降雨的影響，巖體中含水量增大。在水的軟化、溶解作用下，巖土體黏聚力降低，內(nèi)摩擦角值減小，強(qiáng)度減弱，加之本身自重增加，致使巖土體穩(wěn)定性變差。施工原因由于工期原因，調(diào)整了開(kāi)挖掘進(jìn)方式。原設(shè)計(jì)為側(cè)壁導(dǎo)坑法，臨時(shí)改為上下臺(tái)階法。增大了臨空斷面，圍巖急劇變形，上覆破碎軟弱巖體應(yīng)力加大，超過(guò)了初支襯砌的抗力范圍，導(dǎo)致支護(hù)失穩(wěn)。左洞掌子面超過(guò)右線掌子面約30m。雖左洞二襯已經(jīng)施工完成，形成了剛性支撐，但受左線開(kāi)挖影響，軟弱巖體應(yīng)力須重新分布，塑性變形比較緩慢，雖左洞開(kāi)挖輪廓線處的變形受支護(hù)的制約不再發(fā)生，但巖體內(nèi)部的變形壓密作用還在繼續(xù)。受此影響，擴(kuò)散角輻射區(qū)域穿越右洞上覆巖層，引起右洞一定范圍內(nèi)的圍巖松弛變形。在原設(shè)計(jì)中，該段采用的是NATM和礦山法相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。在開(kāi)挖時(shí)充分利用圍巖的臨時(shí)自穩(wěn)能力，以節(jié)約投資。開(kāi)挖后快速封閉成環(huán)，施工完二襯后，由初支及二襯共同承擔(dān)上覆荷載。為了追求進(jìn)度，仰拱沒(méi)有緊跟掌子面。隧道拱頂圍巖塑性變形得不到有效抑制，應(yīng)力不斷集中，初支未能形成閉合環(huán)，支護(hù)抗力大打折扣，加之二襯跟進(jìn)不及時(shí)，最終導(dǎo)致變形過(guò)大、塌方。監(jiān)控量測(cè)重視不足該隧道的監(jiān)控量測(cè)信息反映滯后，加之管理混亂，未能發(fā)揮依托監(jiān)控量測(cè)信息控制施工的目的。

4冒頂處治設(shè)計(jì)

明開(kāi)挖方案從K28+000—K28+220（隧道終點(diǎn)），隧道拱頂埋深36~2m，且隧址范圍內(nèi)采空區(qū)發(fā)育，圍巖均為強(qiáng)風(fēng)化泥頁(yè)巖，工程地質(zhì)條件極差，從施工安全、工程造價(jià)、工期等各方面考慮，首推明開(kāi)挖方案。但受地形制約，該處為一越嶺隧道，該區(qū)域唯一一條主干道沿山脊展布，若采用明開(kāi)挖方案，當(dāng)?shù)亟煌▽⑾萑氚c瘓。臨時(shí)措施事故發(fā)生以后，經(jīng)過(guò)2d的監(jiān)控觀察，確認(rèn)圍巖達(dá)到暫時(shí)的穩(wěn)定。先對(duì)上部坑口進(jìn)行回填輕壓（杜絕震動(dòng)干擾），填料為6%的石灰土；完善地表的排水設(shè)施；洞內(nèi)，采用沙袋反壓溜土面，防止涌土進(jìn)一步發(fā)生；在K27+995—K28+001段施工套拱，鎖住大變形斷面，阻止變形進(jìn)一步向進(jìn)口段擴(kuò)展。套拱采用I20工字鋼架，縱向間距25cm，鋼架間縱向連接筋采用φ28，環(huán)向間距1m。噴射混凝土25cm厚，鎖腳錨桿每處5根，斜向下放射狀打入，徑向錨桿在拱頂120°范圍內(nèi)加密，間距50cm，單根長(zhǎng)2.5m。并補(bǔ)充必要的地質(zhì)勘探工作。穿越坍塌松散體穿越坍塌松散體，基本設(shè)計(jì)思路是梁殼體跨越。先采用中管棚和小導(dǎo)管超前注漿，在拱頂?shù)乃缮Ⅲw中形成一個(gè)固結(jié)殼體。管棚具有梁和注漿導(dǎo)管的雙重作用。為了保證管棚的剛度，同時(shí)考慮到松散體成孔困難的特點(diǎn)，采用φ89中管棚。節(jié)長(zhǎng)9m，環(huán)向間距50cm，仰角10°，拱頂120°范圍內(nèi)布設(shè)。通過(guò)注漿后，以管棚為中心形成一排直徑約40cm的固結(jié)梁。為了更好地填充管棚梁間隙的空隙，在管棚之間交錯(cuò)布設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距50cm，仰角25°，通過(guò)小導(dǎo)管注漿，基本可以實(shí)現(xiàn)拱頂120°范圍內(nèi)，拱頂2.1m厚度內(nèi)松散體的固結(jié)，形成一個(gè)臨時(shí)的固結(jié)殼借助殼體支撐作用，實(shí)現(xiàn)掌子面的開(kāi)挖。注漿的擴(kuò)散半徑按40cm考慮，松散巖體的孔隙率按30%考慮，注漿的填充率按75%考慮，以此控制注漿總量，注漿壓力為0.5~1.0MPa。漿液的配合比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。若發(fā)現(xiàn)有漏漿情況應(yīng)摻加水玻璃，注漿的目的性很明確，就是有效地固結(jié)拱頂2.1m厚度范圍內(nèi)的松散巖體。2.1m以外的松散體產(chǎn)生荷載并在進(jìn)一步坍塌時(shí)起緩沖墊層的作用，不做加固處理。由于該隧道的圍巖條件差，設(shè)計(jì)階段采用新奧法和礦山法相結(jié)合的思路，永久荷載由初支和二襯共同承擔(dān)，塌方后上部松散堆積體荷載增加，支護(hù)方面，須加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度，故初支I20a鋼拱架的間距調(diào)整為50cm，二襯維持原設(shè)計(jì)。施工期間鎖腳錨桿變?yōu)殒i腳注漿導(dǎo)管，長(zhǎng)度3m，每處4根。超前管棚和小導(dǎo)管組合體系的特點(diǎn)以往設(shè)計(jì)中，超前管棚是由若干根簡(jiǎn)支梁形成一個(gè)棚的支撐，單個(gè)梁之間彼此孤立，特別是在循環(huán)接頭處，受仰角影響，管棚橫向距離加大，臨近管棚的末端，注漿壓力損失嚴(yán)重，注漿效果明顯減弱，注漿的固結(jié)效果難以保證，致使管棚抗劈裂作用力嚴(yán)重不足，施工安全得不到有效保障。此次設(shè)計(jì)的核心是將以往的“棚”變?yōu)椤皻ぁ薄３肮芘锖托?dǎo)管組合體系，通過(guò)小導(dǎo)管對(duì)管棚間未能固結(jié)的部分進(jìn)行二次注漿加固，增強(qiáng)各個(gè)梁體（管棚注漿固結(jié)體）之間的橫向黏結(jié)，在拱頂形成一個(gè)具有一定強(qiáng)度的連續(xù)性梁殼，提高超前支護(hù)的抗劈裂能力，保證了施工的安全。

作者：韓文斌 單位：山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院