山区高速公路沉积砂岩隧道塌方原因分析与处治研究

何如来

(广西蒙山公路养护中心，广西 梧州 546700)

0 引言

随着交通强国、西部大开发、北部湾一体化以及脱贫攻坚等国家战略不断深化推进，近年广西壮族自治区开展了大量的山区高速公路建设。然而，山区高速公路建设不可避免出现深埋隧道、大跨径桥梁、高填深挖路基等工程设计，由此会带来地质环境破坏，从而引发各类工程地质问题，若处理不当将增加工程设计投资，影响工程建设进展，甚至给后期运营留下安全隐患。由于山区地形地质条件复杂，因此高速公路建设中的隧道灾害问题尤为突出，其中，砂岩区隧道塌方灾害问题也越来越多。

针对各种类型隧道塌方处治，众多学者做了大量工作，左清军等[1]总结隧道宏观变形演化历史，分析跨越断层富水软岩隧道塌方的影响因素及围岩失稳破坏模式，据此提出针对性的处治措施；罗治国等[2]通过有限元软件迈达斯GTS NX模拟隧道塌方段围岩稳定性，对隧道塌方机理进行了分析，并提出相应治理措施；焦艳彬等[3]通过喀斯特岩溶地区凤凰隧道塌方冒顶实例，对该隧道塌方冒顶的经过与原因进行了分析，提出了处置岩溶地区塌方冒顶的实施方案；刘宇峰等[4]以贵州省黔东南州某隧道水平层状薄层板岩坍塌为背景，分析了水平层状薄层板岩的力学特性、失稳机理及破坏形式，并根据现场实际情况提出了相应的处治措施，采用洞内钢花管注浆及增设钢拱架加固后，采用短台阶法开挖拆换，成功地处治了该坍塌病害。尽管众多研究人员及设计工作者做了大量工作[5-7]，但因各个隧道地形、地质条件及开挖方式等不同，层状砂岩隧道塌方案例依旧突出。

本文以云贵高原西南麓某山区高速公路沉积砂岩隧道为例，通过丰富的工程勘察手段如地质调绘、物探、监控量测等基本查明隧道水文地质条件，并分析地质情况及监控量测资料，推断出引起隧道塌方的基本原因，得出隧道塌方区范围、塌方区分布情况、初支侵陷变形情况、变形规律等，运用工程类比方法并结合施工安全、质量控制、投资控制、施工工期等因素综合考虑确定治理方案，为后期类似地质条件隧道塌方治理提供借鉴和参考。

1 隧道工程概况

那峨隧道乐业端洞口位于乐业县新化镇皈里村那峨屯南面约500 m处，百色端洞口位于乐业县新化镇林立村复兴屯东面约1 800 m处。该隧道为分离式隧道，左右线起讫桩号为：左线，ZK76+220～ZK78+089，长1 869 m，最大埋深为238.50 m；右线，YK76+240～YK78+910，长1 860 m，最大埋深为239.10 m。呈曲线形展布，总体轴线方向约为155°～164°～179°。

1.1 工程地质概况

隧道区地形起伏较大，地貌类型为：中低山峰林地貌。中线高程为651.2～899.8 m，其中最大高差约248.6 m。洞身段地质构成主要为三叠系中统砂岩夹页岩，其山坡较陡，地表呈波状起伏，分析原因是长期受风化剥蚀切割作用，丘陵地形切割较深。隧道乐业端洞口自然斜坡坡度为25°～35°，斜坡表面一般为第四系地层覆盖，局部见强风化岩出露，山体上植被较发育，稳定性较好，主要植被有茶籽树、杉树、八角树等。百色端洞口坡度大致为30°～40°，相对较陡，主要为第四系地层覆盖，未见基岩出露，山体上主要分布杉树、八角树及杂树等，植被较发育。

2 塌方过程

3 塌方原因分析

现场开挖揭露围岩情况与原设计不符，施工过程中进行了动态调整，原设计与调整后围岩及支护参数如下：

(1)原设计围岩情况:中风化砂岩，岩体节理裂隙不发育，岩质较硬，岩体较完整，围岩自稳能力较好，无支护时拱部可能产生小型坍塌，侧壁可能掉块。集中降雨状态下洞室内呈潮湿状出水。设计建议采用全断面或台阶法开挖,支护参数见表1。

表1 支护参数表

(2)现场开挖围岩情况：掌子面围岩呈薄层状分布，节理裂隙发育，岩体完整度较差，拱顶无支护时易产生大塌方，侧壁可能掉块。开挖期间呈点滴状出水，调整支护参数见表2。

表2 调整支护参数表

开挖揭示围岩变化情况较大，在强降雨影响下，掌子面及掌子面后方出水量较大，设计调整支护参数偏弱，围岩富水重力增加，岩体力学指标降低，自稳能力下降，初支受力变形，导致拱顶出现垮塌，这是引起塌方的重要因素。同时经核查，部分锁脚锚杆施工不规范，二衬未及时封闭成环等也对塌方有较大影响。

通过分析监控量测数据得到YK77+360～YK77+300段初支受到不同程度侵陷，距离掌子面越近，变形越大；从断面上看，拱腰及拱顶变形较大，边墙影响小，破坏和变形不大；坍塌主要发生在拱部，坍塌区呈漏斗状分布，坍塌物主要为碎块状松散体。经查地表未出现裂缝，隧道埋深160～175 m，左右洞间距约40 m，右洞隧道塌方对左幅隧道施工影响不大。

经施工实际处治后确定，隧道坍塌段落为YK77+300～YK77+240段，长60 m，初支侵陷段为YK77+360～YK77+300，长60 m。

4 塌方综合处治措施

(1)对YK77+360～YK77+300段出现拱架扭曲、初支开裂的长度70 m段落进行换拱处理。

(2)换拱前先增设单层超前小导管进行辅助施工。

辅助施工参数：

①采用φ42×4 mm的热轧无缝钢管制作。

②长4 m，环向间距40 cm，纵向排距2.4 m，每环设31根，如图1所示。

图1 超前支护设计图

③管内采用1∶1的水泥浆液进行注浆处理，注浆压力为0.5～1.0 MPa。

(3)待浆液固结达到一定强度后进行如下处理：

①采用人工持风镐凿除喷射混凝土，拆除原初期支护钢架后立即对岩面进行初喷。

②初喷后架设新钢架，铺钢筋网片，同时利用注浆的小导管将钢架与钢筋网焊接固定。

③完成后立即进行C25喷混凝土作业。

(4)第一轮换拱完成，将进行下一循环开挖，前提条件是喷混凝土强度达到设计强度。

(5)对YK77+300～YK77+240坍塌段进行反压回填，采用三台阶预留核心土开挖法进行施工，并对坍塌面进行喷射混凝土封闭。

(6)坍塌段施工要求：

①每次开挖进尺严格控制在0.5 m以内。

②开挖后立即喷混凝土封闭。

③封闭后架设I20 b工字钢，间距为50 cm，同时挂双层钢筋网。

④安装钢拱架时，采用锁脚小导管固定，上、中、下三台阶两侧钢拱架底脚分别加固，采用φ42小导管，长度为3.5 m，共设3组，每组2根，如图2所示。管内注浆处理采用1∶1的水泥浆液。

图2 锁脚导管布置示意图

⑤然后喷射C25混凝土。

(7)初期支护施工完成后，预埋φ108泵送管，长度为2 m，纵向间距为5 m，对拱顶塌腔采用C15混凝土分次回填，C15混凝土回填厚度为2 m。

5 处治效果评价

塌方治理结束后，对YK77+300、YK77+280、YK77+260、YK77+240四个断面的水平收敛及拱顶沉降进行监控量测，如图3～6所示。

图3 YK77+300断面收敛及沉降监测数据曲线图(mm)

图4 YK77+280断面收敛及沉降监测数据曲线图(mm)

图5 YK77+260断面收敛及沉降监测数据曲线图(mm)

图6 YK77+240断面收敛及沉降监测数据曲线图(mm)

通过分析图3～6的监测结果得到，在初期20 d，位移速度较大，水平收敛及拱顶沉降呈增长趋势。一定时间后拱顶沉降和水平收敛速度逐渐变小，水平收敛值达到109 mm后趋于稳定，拱顶沉降值达到107 mm后趋于稳定，这是重力重分布稳定和初期支护结构功能共同发挥作用的结果。开挖断面预留形变量为40 cm，实际最大变形量在预留变形量范围之内。监控量测结果表明，塌方综合处治措施可行，治理效果良好。

6 结语

层状砂岩受水影响较大，围岩富水降低了岩体力学指标，岩体自重增大，自稳能力下降，此时层面和节理面为主要控制结构面。层状砂岩初支侵陷拱腰及拱顶变形较大，边墙影响小，破坏和变形不大，坍塌主要发生在拱部，坍塌区呈漏斗状分布。塌方处治后监控量测结果表明，塌方综合处治方案可行，治理效果良好。