大桥头隧道滑塌处理技术
2017-08-21
1．引言
黄山至祁门高速公路大桥头隧道洞身穿越地层主要为元古界蓟县纪木坑组(Ptm)浅变质板岩区域，该区域位于安徽省祁门县境内，属低山丘陵区，地势起伏相对较大，植被发育，地下水丰富，构造节理发育，地质构造特殊，浅埋部位板岩受构造活动影响岩体极为破碎，隧道开挖后围岩稳定性极差，围岩遇水后发生崩解、塑变，严重影响施工安全、质量和进度，隧道施工过程中具有发生滑塌的危险性，该隧道施工至ZK85+713时发生了较大规模的滑塌。由于皖南地区大部分为板岩地质，本隧道地质构造具有一定的代表性，结合大桥头隧道滑塌处理，探讨浅变质板岩隧道施工及滑塌处理技术，也为类似工程提供借鉴。
2.滑塌过程及原因分析
2.1.滑塌过程
ZK85+636～ZK85+775段长139m，原设计为Ⅲ级板岩，SⅢ型支护形式。ZK85+636～ZK85+656变更为SⅣ-3型支护形式进行施工，2010年4月12日该段施工完成后，掌子面围岩仍未好转，且出现大面积的灰白色角砾岩，岩体松散破碎，强度极低，遇水后掉块严重，拱顶右侧出现滑塌，形成塌腔，按SⅤ（X)支护形式进行加强支护，拱顶出现水平状构造带，经过现场勘查讨论决定ZK85+656～ZK85+676段变更按SⅤ（X)型支护形式进行施工，ZK85+676～ZK85+713段开挖揭露围岩与设计Ⅲ级相符，按设计施工。
2010年5月12日上午10点，大桥头隧道左线掌子面在开挖完成，准备出渣过程时，掌子面拱顶左侧出现滑塌，滑塌里程ZK85+713左右,塌腔外露长度8m左右，最大高度6.5m，塌腔向掌子面大里程方向延伸较深，深度约有7m左右，高度不明，滑塌引起ZK85+690～705段拱顶边墙初期支护出现局部开裂、掉块现象。滑塌体岩石为薄层（2-3cm）小碎块状。11点30分左右隧道开始出现整体滑塌，滑塌先从右侧拱腰到拱顶部位出现掉块，拱顶左侧随后也开始出现掉块，这次滑塌至里程ZK85+692，滑塌长度13m。滑塌体将整个滑塌里程段隧道净空完全封闭。中午12:30滑塌面继续向洞口方向延伸，滑塌情况和11点30分情况类似，这次滑塌至里程ZK85+676处（初期支护拱架段），塌体将该处两榀拱架撕裂，滑塌距离原开挖掌子面ZK85+713处已经达到37m。12点30分后，滑塌段上方掉块仍在继续，但没有向洞口延伸，拱顶不间断的出现掉块，从掉块声音判断，拱顶滑塌高度在10m以上，拱顶上方为空洞，到2010年13日凌晨4:20滑塌基本停止。该次滑塌引起ZK85+656～676拱架支护段喷射砼拱部出现开裂，最大裂缝宽度达1cm。
初步估算本次滑塌长度39m，滑塌方量计算：上断面开挖面积58.04m2,整个塌体处被填充方量为：58.04×39=2263.6m3，隧道拱顶上发预计滑塌方量为1500m3,预计总计滑塌方量为：3763.6m3。
2.2.原因分析
就整体情况来看，坍塌体基本为大块板岩，最大层厚100cm左右，最大岩块体积9m3,滑塌所揭露的结构面与岩层结构基本一致，一组走向为240°～281°，与隧道走向夹角较小或平行，且倾角较陡，倾角75°～90°，为原生节理；一组结构面走向与隧道走向夹角为60°～90°，倾角倾角70°～83°，为次生节理；另一组结构面近似水平，为次生构造，结构面表面平整光滑，有丝绢光泽，与设计Ⅲ级围岩相符。
隧道拱顶上方水平状构造带，倾向于洞口方向，掌子面前方存在有倾向洞口方向的结构面，掌子面第一次滑塌体围岩破碎，呈薄层状，强度极低，推断隧道拱顶上方存在断层破碎带。该断层破碎带在掌子面与隧道拱顶距离较小，开挖后拱顶围岩已不能自承拱支撑该破碎带，加上掌子面前方有不利构造带造成隧道左侧拱顶前方形成塌腔。由于上述出现塌腔出现，围岩走向与隧道轴线夹角较小，塌腔出现后应力从新分布、集中，同时滑塌段施工时恰好是雨季，过量的地表雨水沿山体节理裂隙渗透到围岩中，破坏了围岩自身的稳定造成连续滑塌。
3、 滑塌处理技术方案
根据本次滑塌面积大、塌腔高、掉块大且速度快的特点，采取按不同部位（加固段、滑塌段、过渡段）分段处理的方案。处理的总体思路是：后加固→封闭塌体施作止浆墙→全断面注浆固结滑塌体→等注浆固结达到一定强度后正洞开挖支护→进行下循环施工→拱顶塌空区回填处理→二次衬砌施工。
3.1加固段施工
对已初支的未滑塌段ZK85+661-ZK85+676加固。该段在原变更为SⅤ(X)初期支护的基础上，加设一排I20a工字钢拱架，拱架间距80cm，用φ22钢筋将新老钢拱架焊接成整体，喷射平均10cm厚C25混凝土，将拱架与原初期支护封闭，形成整体。在全断面范围采用长5m，φ42×4mm注浆小导管对围岩进行注浆加固；小导管纵向间距1m，环向间距50cm，梅花形布置，小导管端部与钢拱架焊接成整体，以防止滑塌继续向洞口方向发展，同时也为后续滑塌体的处理提供安全作业区段。
3.2 止浆墙施工
首先对ZK85+676滑塌体进行初喷20cm厚C25混凝土封闭，封闭后在滑塌体外侧堆码砂袋，砂袋分层堆码密实，在端部用砂袋堆码3m厚的止浆墙，砂袋外侧挂φ6.5，15×15cm的钢筋网，在外面喷射30cm厚喷混凝土封闭，采用小导管对砂袋注浆加固，形成止浆墙。
3.3 滑塌体加固施工
滑体段(ZK85+676～ZK85+713,37m)采用6-9m长的小导管进行全断面注双液浆加固，每循环固结长度按5m进行施工，浆液采用体积比为1:1的水泥浆-水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为0.8-1:1,注浆压力控制在2Mpa以内，最外圈小导管外插角为30°，小导管与钢拱架焊接成整体，待浆液凝固达到一定强度后进行掘进施工。
3.4．滑塌体开挖支护施工
滑塌体掘进按V级围岩开挖，开挖采用环形预留核心土法进行，预留15 cm沉降量，开挖进尺控制在0.5-0.6m，并及时施做初期支护封闭。预留核心土环形开挖（图1）；
进入滑塌体后，严格按“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的要求掘进，每开挖、支护完成3m预留2m作为下循环注浆止浆墙。
初期支护参数：拱架采用I22b工字钢，间距50cm，中台阶设置临时仰拱，封闭成环，φ25中空锚杆采用L=4.5m，环、纵向间距100×50cm，φ6.5钢筋网采用双层，网格间距15cm×15cm，C25喷射砼厚度28cm。支护时拱架连接筋焊接牢固，拱脚下安设槽钢，确保拱架稳定，防止拱架下沉，在每榀拱架两侧拱脚处各设2根锁脚小导管，锁脚小导管采取φ42,L=4.5m无缝钢管。
3.5.塌腔处理
塌腔段每支护5m在拱顶预埋φ130钢管，泵送C25混凝土将塌腔回填密实。
3.6二次衬砌施工
二衬采用80cm厚钢筋混凝土，(衬砌钢筋：环向采用φ25螺纹钢，纵向采用φ20螺纹钢，间距20×20cm，箍筋采用φ8光圆钢筋)，以承受滑塌体的重力及围岩压力。
4．施工过程及施工工艺
4.1施工过程
本次滑塌规模大，塌体为大块石，单块体积最大为9m3，处理难度和施工安全风险极大，处理时间长，从处理方案确定到开挖初支施工结束历时4个月，整体处理流程为：滑塌体观测→确定处理方案→施工准备→后加固施工→堆码沙袋施工止浆墙→滑塌段注浆加固→中台阶开挖支护→拱顶塌腔泵送混凝土回填→临时仰拱施工→下台阶开挖支护→仰拱施工→衬砌施工，滑塌段专项监控量测贯穿整个处理过程。
4.2关键施工工艺
4.2.1止浆墙施工
由于本次滑塌一直延伸到(ZK85+676)有拱架地段,并将右侧两榀格栅拱架撕裂，碴体将拱架前方空间完全封堵，为确保止浆墙施工安全首先对ZK85+676滑塌体进行初喷20cm厚C25混凝土封闭，封闭后在滑塌体外侧堆码砂袋，砂袋分层交错堆码密实，堆码厚度为3m，砂袋外侧挂φ6.5，15×15cm的钢筋网，在外面喷射30cm厚喷混凝土封闭，采用小导管对砂袋注浆加固，形成止浆墙。采用沙袋堆码形成的止浆墙有助于后续开挖直接采用挖掘机直接挖出，减少爆破对塌体的震动，减小安全隐患，避免二次滑塌。
4.2.2注浆施工
结合以往隧道滑塌处理经验及本隧道塌体为大块石、施工处理期为雨季，围岩裂隙水丰富的特点，为确保注浆固结效果，缩短浆液凝固时间，减小浆液流失，最大效率发挥浆液浆固结作用，滑塌段注浆采用体积比为1:1的水泥-水玻璃双液浆，为确保浆液沿隧道纵向及径向扩散，采用φ42花钢管作为注浆载体，外圈导管长9m，外插角为30°内圈导管长度为6m，理论固结区域不小于开挖轮廓线外4.5m范围。在注浆压力的作用下使双液浆渗入到孔隙、裂隙中，将破碎围岩、碴体进行胶结，形成整体，组成地层自承拱。
4.2.3开挖初支
开挖采用分部预留核心土环形开挖，主要采用风镐进行机械破碎，减少对塌体的扰动。开挖主要缺点是时间过长，进度慢，投入的人力物力较大，优点是减少扰动，利用核心土作为施工平台，充分发挥注浆后拱部围岩的自稳能力，能确保安全。
支护因采用核心土作为施工平台，操作空间狭小，工人蹲着进行作业，效率低下，作业时间较长，进度慢，需投入大量的人力物力，支护优点：开挖后及时进行初喷砼封闭开挖面，并进行观测稳定后再进行后续施工，确保了作业人员的人身安全，有效避免出现二次滑塌。
5、结束语
该隧道滑塌处理施工难度、施工风险极大，选择科学、合理的施工方案和措施是关键，经实际开挖检查，注浆效果良好，浆体充填饱满，拱顶5m范围岩体无空洞，开挖过程顺利，没有出现新的滑塌，实践证明：采用该方法处理隧道滑塌安全性好，是成功的，望此文能给类似围岩的隧道施工有所帮助和借鉴。
参考文献
[1] 北京交科公路勘查设计研究院有限公司.黄山至祁门高速公路两阶段施工设计图.第四册.北京.2009.
[2]中华人民共和国交通运输部.JTG F60-2009公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2009.
[3] TZ 204-2008铁路隧道工程施工技术指南 [S].北京：中国铁道出版社，2008.
[4] 徐利锋.小导管超前注浆法在通过隧道塌方段施工中的应用 [J].铁道建筑,2002.
[5]黄成光.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社,2006.
