连拱隧道洞口段地表沉降量测预报及坍方治理

摘要在厦蓉高速公路格都段BT22合同段沙井街连拱隧道施工过程中,通过地表沉降观测(四个量测断面),成功地对隧道洞口段的地质灾害进行了动态预测和预报,避免了重大事故的进一步发展。在连拱隧道施工过程中出现塌方后,岩土体的分层回填要尽可能形成穹隆状,这样可以借助岩土体拱形结构的承载能力来达到隧道结构受力的最佳模式,以减小对初期支护的承压荷载。

关键词连拱隧道地表沉降坍方治理

1隧道工程概况

1.1工程地质情

厦蓉高速公路格都段沙井街连拱隧道,位于都匀市小围寨茨坪脚村南100m处，为双洞两车道连拱曲线形短隧道。隧道起讫桩号为K203+490.5～K203+678,长187.5米，隧道纵坡为1.8%。隧道进口位于剑江西岸山体斜坡处，地形陡峻，坡角43°，岩层产状95°∠52°岩体破碎，为顺层坡，岩体易沿顺层面滑塌；隧道出口位于小沟谷左岸山体斜坡处，地形较陡，坡角35°，岩层产状95°∠52°岩层产状与坡向相反，岩体破碎，另有一组主要节理产状为280°∠72°，节理倾向为顺坡向，岩体易沿节理面崩塌；隧道建筑限界净宽24.9m,净高5m,隧道最大埋深50约m。在隧道进出口段Ⅴ级围岩长度分别为67.5m和73m,地层有全风化灰岩、强风化灰岩、弱风化灰岩、出口段有约10米厚碎石土覆盖。

隧址区位于都匀复式向斜之凉水井背斜东冀：都匀复式向斜轴向南北，为紧密褶皱向斜，由核部向两冀依次出露三叠-寒武各地层。总体是一个轴面微向东倾的歪斜向斜。在都匀复式向斜上叠加有拢得向斜、尧林向斜、凉水井背斜等。岩层在隧址区呈单斜产出。隧址区节理闭合，裂隙中有泥质充填。近地表岩体中风化裂隙较发育。隧址区分布的地层上二叠统（P2）灰岩，岩层产状95°∠52°。分述为：8-11全风化灰岩（P2）：灰色，原岩结构构造已全部被破坏；8-12强风化灰岩（P2）：灰色，细晶结构，厚层状构造。8-13弱风化灰岩（P2）：灰色，细晶结构，薄层状构造。

本区构造运动自新近纪以来主要表现为继承性缓慢隆升的运动特点，地壳间歇性抬升，形成多级阶，并广泛伴有差异运动及不均匀隆升。区内多级剥夷面、河谷阶地及岩溶洞穴的形成，还表明新构造运动具有震荡性质。在都匀附近有热水出现，与活动性断裂构造有关。总体来看，本区新构造运动并不强烈。

隧址区地表水水量随季节变化，旱季水量较小；雨季时，水位暴涨暴落。地下水主要为基岩裂隙水，主要赋存于灰岩裂隙。地表水与地下水的化学类型均为CO3―K―Na型，对混凝土不具腐蚀性。

隧道进口为顺层坡，开挖时山体坡脚形成新的临空面，在地表水与地下水及其它动力作用下，岩体易沿顺层面滑塌。隧道出口边坡相对进口较稳定，但开挖时岩体易沿节理面崩塌。

1.2隧道施工方法及支护型式

在沙井街双连拱隧道施工中,根据工程地质勘察报告和设计图纸采取新奥法组织实施，隧道横断面及施工工序见图1。支护型式采用柔性结构体系的复合式衬砌,以锚杆、喷混凝土、单层钢筋网和格栅钢架为初期支护,模筑钢筋混凝土为二次衬砌。

（1）中导洞开挖、支护及中隔墙浇筑，（2）左右洞侧导洞开挖及支护，（3）左右洞上部开挖及支护，（4）左右洞中部开挖，（5）左右洞下下部开挖及仰拱支护，全断面模筑主洞二次衬砌。

图1沙井街连拱隧道设计断面与施工顺序图

隧道进出口段地表沉降观测

隧道出口段地表沉降观测

由于地形条件限制，沙井街隧道只能从出口位置进洞，为了掌握沙井街双连拱隧道在出口浅埋地段由于隧道开挖引起的地表沉降变形情况,在隧道出口共埋设四个量测断面。在隧道出口路段,2009年4月埋设四个量测断面,其中以断面2为主要观测对象(图2),同时根据不同量测需要,各量测断面埋设测点数目不等。隧道出口洞口段施工期间正好是都匀地区的雨季,这对隧道的施工提出了更高的要求,地表的沉降观测显得尤为重要。断面1埋设里程桩号为K203+655此断面的覆盖层厚度为10～15m,各测点的累计最大沉降量为388mm(右洞上方的仰坡测点)。隧道左洞开挖面的围岩大部分为软弱的全风化硅质岩、页岩、碎石土,因此隧道左洞的施工,是直接导致右洞上方仰坡测点失稳(沿边坡方向滑动)的根本原因。断面3埋设里程桩号为K203+635,覆盖层厚度大约为15～20m,各测点的累计最大沉降量为18mm,从断面1至断面3对应测点的沉降量是依次减小的。在出口的量测断面中,断面2进行了重点观测与分析,里程桩号为K203+645,覆盖层厚度大约为15～20m,各测点的布设及沉降时态曲线见图3和图4。从图中可以分析出,连拱隧道的地表沉降形式表现为典型的漏斗状,沉降量最大的范围出现在两洞拱顶之间。最大沉降量为65mm,出现在中墙偏右洞方向,这主要是因为左洞的地质状况较左洞差。在2009年4～5月期间,隧道施工遭遇阴雨连绵天气,此时正是隧道左右洞穿越公路施工的关键时期,因此,隧道上方仰坡各测点的沉降量相对较大,同时公路外侧挡墙出现了许多裂缝及仰坡开始滑动等险情。根据监测结果与实际考察,建设各方积极采取了措施,阻止了险情的进一步发展。

地质灾害动态预测与防治

在地下工程开挖或施工过程中,对于明洞或浅埋地段不能保持自稳的部位,必须进行有效的观察和监测,以防止灾害的发生。沙井街双连拱隧道在施工过程中,隧道左洞出口段和明洞部位均出现了重大地质灾害险情,通过本次地表沉降监测和预报,避免和防止了地质灾害的发生。

隧道出口段地质灾害预测与防治

由于隧道出口段地质情况较差,因此埋设四个量测断面来加强对地表沉降的观测,以保证隧道施工正常进行。在地表沉降观测中,断面1共埋设8个测点,其中第4测点(左洞拱顶上方)沉降量变化最大(表1),其余各测点最大沉降量为19mm。2009年1月末至15月初该地区阴雨连绵,给隧道的施工造成了极大的困难,从表1中可以看出,在随后的半月中,第4测点沉降量增加了325mm,在隧道右洞上方的仰坡开始滑动。从图3中可以分析出,断面2中的各测点变化较为均衡,但最大沉降量仍在中墙偏左洞上方。断面2中各测点的沉降量直接反映在我们的检测仪器上,在2009年1月14日一场大雨过后地表仰坡变形较大,并且出口仰坡已开始出现裂缝,此时隧道左洞恰好掘进至断面2的里程处,而右洞仅仅滞后6m。

隧道地表出现险情后,建设各方高度重视,及时进行研究和制定对策,并采取积极有效措施:

(1)立即停止隧道右洞的掘进施工,实施隧道左洞的单洞掘进,并在隧道右洞及时施作二次衬砌。

(2)在隧道仰坡顶50米上设立一道环形截水沟,拦截地表水,以防止地表水流入隧道仰坡范围内。

(4)以注浆小导管和102超前管棚作超前支护,隧道左右洞施工后采用Ⅴ级围岩加强型衬砌,格栅钢架纵向间距减小一倍,为0.5m。

通过各种应急处理方案,有效地控制了病害的进一步发展,2009年5月1日以后隧道进口段仰坡中各测点的沉降速率迅速降低,保证了隧道安全顺利施工。

3.2隧道出口端地质灾害预测与防治

3.2.1塌方预测分析

隧道左洞出口端比右洞的出口端工程地质条件要差许多,主要为碎石土及强分化页岩覆盖, 覆盖层厚度为4～9m,这给施工造成了极大的困难。现场的地表沉降量与隧道施工工序有着密切关系,在曲线中变化最大的测点为隧道左洞上方的第7测点,在3天内测点的沉降量增加了31mm,并且其它各测点也有不同程度的增加。在隧道右洞上方10米处的截水沟出现裂缝,宽度为1～4mm。

2009年1月15日地表沉降量测发现有异常变化后,建设各方就开始积极寻求解决办法,立即调整了施工方案,采用短进尺、弱爆破、加强超前支护,以防止险情的进一步发展。1月16日晚施工至K203+633处时,隧道出现塌方事故,长为6.0m的小导管被拔出或切断,已完成喷混凝土的格栅钢架被扭曲,隧道内被塌方物填满,并迅速通顶,地表的截水沟被切断。塌方体高度达9.2m,形状近似圆柱形,塌仓上口直径为7m,下口直径为5.6m。

塌方原因:

(1) 隧道纵坡为1.8%。隧道进口位于剑江西岸山体斜坡处，地形陡峻，坡角43°，岩层产状95°∠52°岩体破碎，为顺层坡，岩体易沿顺层面滑塌；隧道出口位于小沟谷左岸山体斜坡处，地形较陡，坡角35°，岩层产状95°∠52°岩层产状与坡向相反，岩体破碎，另有一组主要节理产状为280°∠72°；

(2)隧道顶部围岩节理发育,形成较多的结构面,因而岩体的渗透性较大,仰坡上方有较多的水田,时值插秧季节,有充足的水源条件,这样造成了洞口段围岩软化,土体内孔隙水压力增大而造成岩土体滑移。

(3)在不良地段进行大跨度连拱隧道的施工,使洞周围岩受到不同程度的扰动,改变了围岩的物理力学性能。

塌方综合治理方案

(1)加固塌方区顶部:在塌方区顶部布设100cm×100cm梅花型布置的25中空注浆锚杆,长度为3.5m,表面施作15cm的网喷混凝土,其余部位进行素喷。为防止地表水的渗入,布置了顶底双重防水层。第一层防水层在护拱背后,回填0.5m厚粘土,并夯实,以形成底面隔水层和缓冲层;第二层回填是按30cm为一层分层夯实并保证周边密实,每层回填为拱形,使得来自回填区的土压力转化为轴力传递至拱脚。封顶回填应高出地表并呈倒锅状,然后施作40cm厚浆砌片石,浆砌片石下铺设EVA防水板。疏排地表水,在塌方区修复已破坏的截水沟,避免地表水流入塌方区。

(2)加强支护:塌方垂直高度为9m,经计算原设计的格栅钢架不能承受回填土压力,同时出于施工工序的考虑,故选用采用加密型钢拱架(16#工字钢),间距40cm。在喷混凝土背后施作护拱,护拱采用C20钢筋混凝土,钢筋采用16螺纹钢,间距20cm×20cm;加密塌方区格栅钢架的横向连接钢筋,以防止围岩应力释放不均匀,破坏初期支护。

(3)小导管超前支护:采用由42无缝钢管加工的注浆小导管进行超前支护(图7),在拱部90°(偏左60°和偏右30°)范围内布置小导管,L=6m,40cm×40cm梅花型(两层)布置,在小导管尾部以三角形焊接起来,这样不仅形成了预加环,而且可以增加岩土体整体的抗剪和抗弯能力、有效控制初期支护的收敛、确保隧道施工安全。

(4)调整施工工序:开挖方式为台阶分部开挖、留核心土法,将开挖断面分为环形拱部、上部核心、下部台阶三部分,每循环进尺控制在1.5m范围内。3.2.3整治效果按照以上方案对塌方进行处理后,在地表重新埋设测点,对塌方区进行观测,经过5个月的观测,隧道地表沉降量最大的测点仍出现在隧道右洞上方,但累计沉降量为40mm,沉降速率较小,能够保证隧道的结构稳定性。在隧道的周边收敛量测中,水平收敛累计为16.118mm,拱顶沉降量累计为14mm,初期支护的变形较小,说明塌方处理方案是可行的、合理的。

小结

通过上述对厦蓉高速公路沙井街双连拱隧道的洞口段地表沉降的观测分析和地质灾害的动态预测与防治,得出了如下结论:

(1)在连拱隧道施工过程中,对其进出口段的软弱围岩进行地表监控量测,并对地质灾害及时预测预报,具有重大的经济意义和实际应用价值。

(2)在连拱隧道洞口段施工过程中,要密切注意地表沉降的变化,防止隧道塌方的连锁反应,必须快速及时地采取有效措施,来抑制软弱围岩的岩土体滑移。在鞋底坡双连拱隧道施工中,进口段的地表变形控制较好,出现险情后能及时处理,没有引起大的地质灾害。

(3)在连拱隧道中出现塌方后,岩土体的回填要尽可能形成穹隆状,借助岩土体拱形承载能力来达到隧道结构受力的最佳模式,减小对初期支护的承压荷载,实践证明此方法是有效的、可行的。

(4)在连拱隧道的洞口段施工过程中,对软弱围岩进行超前支护是非常必要的,通过对地表沉降的分析并考虑围岩受力的时效性,可以提前施作二次衬砌,加强支护,控制地表沉降,这样有利于隧道的施工安全。

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