超大跨度改扩建隧道深塌方冒顶处理技术

闫宪政

(中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 101500)

0 引 言

随着交通运输业的跨越式发展,隧道改扩建工程在国内越来越多。然而,在隧道改扩建施工过程中,塌方冒顶事故时有发生,给工程安全和人员生命带来严重威胁。特别是对于超大跨度改扩建隧道工程,由于其工程规模大、地质条件复杂,塌方冒顶事故发生的概率更大[1]。因此,开展超大跨度改扩建隧道深塌方冒顶处理技术研究具有重要的现实意义。对扩建隧道在扩挖施工过程中发生的冒顶进行技术研究,综合采用超前支护、护拱法稳固初期支护、超前注浆、系统锚杆、分区开挖、实时监测等技术有效地处理塌方冒顶段落。

1 现有隧道基本情况

原隧道修建于二十世纪六七十年代,断面形式为直墙拱形单层衬砌,主洞标准衬砌厚度0.7～1.0 m,口部加强段衬砌厚度0.8～1.3 m,施工现场揭露衬砌内为2～3层钢筋,隧道衬砌结构为2 m左右一环,每环间设置榫槽状施工缝。限于当时的爆破方式和衬砌施工水平,施工过程中在既有隧道外侧存在大量超挖空洞和施工导洞,在施工完毕后均采用木材、片石、碎石、钢轨等回填,同时开挖腔壁由于多年来不断松动,岩石松动圈范围不断扩大,与回填杂物共同组成了既有隧道外侧较大范围的松散地层。属温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热少雨,春季多风沙,秋季秋高气爽。地层岩性为出露棕褐色黏土、亚黏土与黄褐色沙土,河流冲击区间或杂有砾石,土层较厚,含有较丰水肥,形成适于各种植物和农作物生长的土壤基础。

既有衬砌浇筑完成后,超挖、坍塌部分无处理措施,几十年以来内部空间一直坍塌发展,内部错综复杂。原隧道衬砌净空跨度14 m,拱顶净高 6 m。单侧横向扩挖8 m,高度扩挖2 m;改扩建后隧道开挖宽度最大为26 m,拱顶最大开挖高度 9.5 m,衬砌净跨度22 m,净高8 m。本工程开挖施工至K0+149处,K0+149～K0+179段落冒顶,地面至拱顶实测高差57 m,塌坑地表直径11 m,面积94.98 m2。

对既有隧道轴线布设7条测线以地质雷达探测衬砌背后空腔及回填情况,通过加密地勘钻孔、TSP法、地质雷达等超前地质预报判断,既有结构背后不同程度地存在空腔或松散堆积体、原木、钢轨、块石等回填物,高度为2.4～24.9 m,无规则分布、贯穿整个隧道。扩建施工时多次发生拱部松散堆积体、回填物垮塌及溜坍,最终压溃既有初支结构,形成大规模冒顶。

2 原因分析

塌方发生后技术人员对塌方冒顶的隧道工程进行实地考察,了解现场的地质条件、施工环境以及塌方冒顶的具体情况,通过测量仪器取得现场第一手资料。设计单位利用数值模拟软件,对隧道施工过程中的应力场、位移场进行模拟分析,探究塌方冒顶的形成机理。在隧道施工现场进行相关试验,包括土体强度试验、支护结构承载力试验等,以验证数值模拟结果的可靠性。通过实地考察、数值模拟和现场试验的综合分析,得出以下结论。

(1)地质条件是导致超大跨度改扩建隧道深塌方冒顶的主要原因之一。在复杂的地质环境下,隧道开挖容易引起应力重分布,从而导致塌方冒顶。

(2)不合理的支护结构设计也是导致塌方冒顶的重要原因之一。在超大跨度改扩建隧道工程中,支护结构需要承受更大的荷载,若结构设计不合理,容易造成支护失效,进而引发塌方冒顶。

(3)施工方法的选择对于防止塌方冒顶至关重要。合理的施工方法可以降低塌方冒顶的风险,例如采用超前大管棚预加固、超前注浆预加固、系统锚杆、小断面开挖等施工工艺可以有效提高隧道施工的安全性。

(4)不合理的爆破施工参数也是导致塌方冒顶的重要原因之一。在超大跨度改扩建隧道工程中,爆破施工参数的选择直接影响隧道围岩的稳定性和支护结构的安全性。若爆破施工参数选择不当,容易造成围岩破坏、支护结构失效,进而引发塌方冒顶。

3 处理方法

3.1 塌方处理原则

(1)总体原则:结构计算考虑塌方体开挖施工阶段及使用运营阶段围岩及支护结构的受力安全性。塌方体开挖施工阶段按照施工分块分步开挖,模拟施工开挖过程。通过数值计算得到场地范围内塌方体的变形情况和隧道衬砌结构的内力大小,根据隧道处理塌方体过程中的塑性区分布对支护参数进行优化,充分利用管棚、锚杆来提高围岩、塌方体自身的成拱效应和自身承载性能,采用大管棚+岩石锚杆+初期支护+分块开挖方式,确保开挖过程中隧道围岩处于安全状态。

(2)应力分析:隧道各部位荷载由主要荷载(塌方体压力、结构自重、水压力以及使用荷载)、附加荷载(注浆压力、局部落石荷载和施工荷载等)以及特殊荷载(地震荷载、爆炸荷载等)组成。确定了支护体系由围岩自身(经管棚、系统锚杆、长锚杆注浆改良加固后的围岩)、初期支护、二次衬砌三者共同受力[2]。

(3)洞外处理原则:洞外首先将裸露塌方处进行保护,开挖截水沟,做好安全防护,稳定后及时对塌方周边山体进行监测,根据监测数据采用刷坡减载、锚网喷支护等方式进行加固。

(4)洞内处理原则:本处塌方位于软弱围岩破碎带位置,风险较大,洞内要封闭塌体四周,并对既有初支结构进行加强并做好监测,防止塌方体继续蔓延。待二次衬砌紧跟封堵墙并达到设计强度后,再进行开挖处理。

(5)关键因素:处理塌方的关键是提升帷幕注浆加固效果,注浆是稳固塌方松散体的重要手段,通过注浆固结塌方体结构,使之能够承受一定的自重和土压力,保证开挖操作安全通过塌方区域,在二次衬砌结构完成之前保证隧道结构的稳定。

3.2 地表处理措施

(1)塌坑范围设置警戒线确保人员及机械设备安全,周边围岩稳定情况下沿塌坑四周外5 m设置截水沟,并设置硬质隔离围挡及各类警示标识,待该段隧道二次衬砌完毕并达到设计强度后分层夯实回填密实。

(2)在塌体周边稳定情况下,根据现场地形情况自上而下对塌坑周边山体进行刷坡减载,坡面挂网喷锚防护,并及时埋设沉降观测桩进行动态监测。

3.3 隧道内处理措施

(1)在塌方塌腔段前后各20 m设置工字钢护拱(I25a工字钢钢架,2 m/榀)确保已完工程实体稳定。

(2)在扩挖侧设置反压堆渣和中隔壁临时支撑,在拆除侧设置封堵墙兼止浆端墙(500 mm厚,C25素混凝土)保证塌体范围不扩大。

(3)对封堵墙后的剩余空隙进行回填密实,与堆积渣土形成反压,稳固塌方范围,防止其进一步扩大。

(4)对塌腔底部堆积体通过注浆花管在止浆墙上进行“四周帷幕深孔注浆加固”,并对注浆管的角度、压力等参数进行适当调整,使塌腔脱落、溜塌对工程实体的冲击得到有效的缓冲。注浆花管为70 mm 热轧无缝钢管。注浆材料主要为P·O 42.5硅酸盐水泥单液浆,辅以普通硅酸盐水泥和水玻璃双液浆。P·O 42.5硅酸盐水泥与单液浆的水灰比为0.6∶1～1∶1,P·O 42.5硅酸盐水泥与水玻璃双液浆的配比为(1∶1)∶1。

(5)在注浆加固达到25 MPa后,采用“Φ108 mm大管棚”的注浆方式,通过扩挖侧和两面封墙设置管棚穿越塌体,防止零星流土掉块;该管棚材料为外径108 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管和钢花管,口内设有止浆阀,超前管棚长30 m,中邻处侧向管棚长18 m。

(6)用孔内成像法、P-Q-T曲线分析法对加固效果进行评估,确保注浆效果及周边帷幕注浆加固+108 mm大管棚稳固后施工开挖的安全。

(7)待前后段落二次衬砌施工至封堵墙且达到设计强度后,破除封堵墙开挖既有混凝土拆除侧隧道。掘进施工采用上下台阶法掘进,隧道初支参数采用I25A钢拱架+Φ8 mm双层钢筋网片+C25喷涂混凝土封闭,钢构件厂集中加工钢拱架和钢筋网片,现场安装。中间设置临时中隔壁,中隔壁采用I25A临时竖撑+Φ8 mm双层钢筋网片+C25喷涂混凝土封闭,下台阶底部设置I25A临时仰拱+Φ8 mm双层钢筋网片+C25喷涂混凝土封闭,各循环进尺在施工过程中应严格控制,各循环开挖支护进尺的长度不应>1 m钢架间距,在施工过程中应严格控制。

(8)隧道开挖后初期支护及中隔壁应及时设置并封闭成环,严禁采用长台阶施工。初支形成后对上方堆积体进行径向注浆,注浆范围为拱顶以上10 m,对松散堆积体进行由下向上、由外向内、间隔跳孔注浆施工作业。注浆固结完毕后对注浆效果进行检验,合格后方可进行下部施工。

(9)然后进行本段二次衬砌,并对二衬进行加强配筋;衬砌施工采用盘扣支架+拱架支撑工艺,保证施工安全。

(10)衬砌施工完成后,强度达到设计值再进行冒顶空腔回填。上方塌腔进行回填处理,回填主要靠自然密实,故分层回填并留足自然沉降时间,下层土密实后再回填上一层土,并在回填混凝土时加入部分废弃钢筋、网片等增强回填整体性。

3.4 监控量测

控制标准为:净空变化速度持续>5.0 mm/d时,围岩处于急剧变形状态,加强初期支护,密切监视,必要时暂停施工。水平收敛(拱脚附近)速度<0.2 mm/d,拱顶下沉速度<0.15 mm/d,围岩基本达到稳定,可以进入下一步施工。

(1)通过预埋检测点位,动态的掌握围岩和支护的变形情况,进行日常施工动态管理。

(2)验证支护结构效果,及时准确调整支护参数和施工方法。

(3)确保隧道工程的安全性、经济性及结构的长期稳定性,确定二次衬砌时间。

(4)将监控量测的结果反馈于设计及施工中。

(5)了解隧道施工对附近既有构筑物的影响。

(6)累积量测数据,为信息化设计与施工提供依据。

3.5 主要注意事项

(1)隧道施工以“稳”为主,初期支护“宁强勿弱”,开挖尽量采用弱爆破或不爆破采用机械开挖,在确保安全的前提下确保施工进度。

(2)施工中,应派专人值班,及时观察围岩状况及支护结构的稳定性。有异常情况及时汇报,及时采取施工措施,确保施工安全。

(3)隧道开挖应采用“多打孔,少装药,弱爆破,轻扰动”,尽量减少对围岩的扰动,现场管理人员应引起高度重视。

(4)开挖轮廓线应采用全站仪测量进行精准控制,轮廓线和炮眼位置进行精确定位测定。

(5)开挖爆破作业不得危及支护结构、机械设备及人员安全,钻眼及装药应分区定人。爆破后应及时清理危石,清理工作宜采用机械作业。

(6)挖、装、运设备应处于良好状态,必须定期检查运输车辆的制动、转向系统和安全装置。设置反光警示标志、禁行和缓行标志,避免通行机械车辆碰撞,安全员应现场指挥。

(7)隧道开挖周期较长,安全隐患陡增,要求架子队指定专人调度指挥,车辆行车速度控制在5 km/h,施工照明、通风良好。

(8)施工期间,现场施工负责人会同安全、技术、测量人员对各部位支护结构进行定期检查。

(9)锚杆的质量、长度,锚喷混凝土的质量、厚度,以及钢拱架的安设位置、间距等应严格遵守设计要求[3]。

(10)测量数据上传量测群由大家进行分析;若出现溜坍或者变形异常情况,人员机械立即撤出,并上报项目部。

4 应急预案

针对可能发生的塌方冒顶事故,制定详细的应急预案并进行演练。提高现场人员的应急处理能力,确保在事故发生时能够迅速、有效地进行救援。同时,应配备足够的应急设备和物资,以便在紧急情况下及时投入使用。应急处置措施如下。

(1)发生隧道坍塌事故后,要立即停止施工生产,封闭作业区域,及时报告。

(2)要立即抢救伤员,及时使伤员脱离危险区,防止事故扩大,同时有必要在现场采取紧急救护方案,若受外伤,可用温开水洗伤,再用干净绷带或布类包扎。

(3)要迅速备车或呼叫救护车将伤员送往医院或急救中心,抢救时应注意到伤害部位,尽可能送往专科医院。

(4)要迅速保护现场,在事故调查人员赶到施工现场前,要保护现场的原始状态,事故现场前后范围内应设置警戒,派专人看守,或用硬质隔离等方法标示出警戒区,禁止无关人员进入保护范围,采取抢险、急救措施时要做好现场变动记录和拍照、录像。

(5)在事故原因未查明、未采取有效防护措施之前,严禁继续施工,必须经事故调查组同意后方可恢复生产。

5 结 论

扩建隧道相较于新建隧道地质条件更加复杂,尤其是隧道建成年代较远,围岩极为松散,开挖跨度26 m,且塌方直径12 m,深度57 m,安全风险高,施工难度大。主要就施工中如何处理超大跨度扩建隧道深塌方段落进行了工程实践,通过综合采用超前管棚支护、超前注浆加固、护拱法加固初期支护、系统锚杆、监控量测等常见的隧道支护方法,及时地对塌方体隧道进行稳固。