略論隧道的冒頂病害整治辦法

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1隧道設計概況

地質(zhì)巖性洞身、底板地層為石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）地層，巖性組成較為復雜，主要巖性有泥質(zhì)頁巖、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—頁理狀構造為主，層理十分發(fā)育，風化程度也較高，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)頁巖、含燧石條帶（或團塊）灰?guī)r、砂巖、煤層、泥灰?guī)r等，其中泥頁巖呈薄層狀或頁狀產(chǎn)出，層理十分發(fā)育，風化程度也較高，巖質(zhì)較軟或極軟；石灰?guī)r一般含燧石呈致密微晶質(zhì)結構，以中厚層狀構造為主，裂隙較為發(fā)育，巖質(zhì)較堅硬，主要分布于隧道頂板附近，砂巖呈灰黃色，以細粒結構為主，中薄層狀構造，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)相對較軟，分布在隧道洞頂以上。水文隧址區(qū)地表水主要來自大氣降水補給，本隧道洞身內(nèi)有少量地下水存在，預測洞內(nèi)涌水量為10~20m3/d·km。不良地質(zhì)根據(jù)勘察報告，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)）累計分布長度分別約150m。K27+920—K28+220段也布設了3個鉆孔，其中一個鉆孔揭露到采空區(qū)，有掉鉆現(xiàn)象，另外兩個鉆孔均揭露到煤層。

2塌方冒頂

3月26日，K28+003—K28+031段初期支護發(fā)生變形、開裂，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)詳細的勘察結果，（C3t）地層中發(fā)育有一層3m左右的石灰?guī)r，其強度較高，調(diào)整線位標高，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)場工作人員反映，隧道拱頂曾發(fā)生了突然的震動。結合采空區(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，導致拱頂石灰?guī)r破裂，從而沖擊隧道初期支護，導致支護變形失穩(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)整了開挖掘進方式。原設計為側壁導坑法，臨時改為上下臺階法。增大了臨空斷面，圍巖急劇變形，上覆破碎軟弱巖體應力加大，超過了初支襯砌的抗力范圍，導致支護失穩(wěn)。左洞掌子面超過右線掌子面約30m。雖左洞二襯已經(jīng)施工完成，形成了剛性支撐，但受左線開挖影響，軟弱巖體應力須重新分布，塑性變形比較緩慢，雖左洞開挖輪廓線處的變形受支護的制約不再發(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。在原設計中，該段采用的是NATM和礦山法相結合的設計理念。在開挖時充分利用圍巖的臨時自穩(wěn)能力，以節(jié)約投資。開挖后快速封閉成環(huán)，施工完二襯后，由初支及二襯共同承擔上覆荷載。為了追求進度，仰拱沒有緊跟掌子面。隧道拱頂圍巖塑性變形得不到有效抑制，應力不斷集中，初支未能形成閉合環(huán)，支護抗力大打折扣，加之二襯跟進不及時，最終導致變形過大、塌方。監(jiān)控量測重視不足該隧道的監(jiān)控量測信息反映滯后，加之管理混亂，未能發(fā)揮依托監(jiān)控量測信息控制施工的目的。

4冒頂處治設計

明開挖方案從K28+000—K28+220（隧道終點），隧道拱頂埋深36~2m，且隧址范圍內(nèi)采空區(qū)發(fā)育，圍巖均為強風化泥頁巖，工程地質(zhì)條件極差，從施工安全、工程造價、工期等各方面考慮，首推明開挖方案。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，若采用明開挖方案，當?shù)亟煌▽⑾萑氚c瘓。臨時措施事故發(fā)生以后，經(jīng)過2d的監(jiān)控觀察，確認圍巖達到暫時的穩(wěn)定。先對上部坑口進行回填輕壓（杜絕震動干擾），填料為6%的石灰土；完善地表的排水設施；洞內(nèi)，采用沙袋反壓溜土面，防止涌土進一步發(fā)生；在K27+995—K28+001段施工套拱，鎖住大變形斷面，阻止變形進一步向進口段擴展。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2.5m。并補充必要的地質(zhì)勘探工作。穿越坍塌松散體穿越坍塌松散體，基本設計思路是梁殼體跨越。先采用中管棚和小導管超前注漿，在拱頂?shù)乃缮Ⅲw中形成一個固結殼體。管棚具有梁和注漿導管的雙重作用。為了保證管棚的剛度，同時考慮到松散體成孔困難的特點，采用φ89中管棚。節(jié)長9m，環(huán)向間距50cm，仰角10°，拱頂120°范圍內(nèi)布設。通過注漿后，以管棚為中心形成一排直徑約40cm的固結梁。為了更好地填充管棚梁間隙的空隙，在管棚之間交錯布設φ42超前小導管，環(huán)向間距50cm，仰角25°，通過小導管注漿，基本可以實現(xiàn)拱頂120°范圍內(nèi)，拱頂2.1m厚度內(nèi)松散體的固結，形成一個臨時的固結殼借助殼體支撐作用，實現(xiàn)掌子面的開挖。注漿的擴散半徑按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)場試驗確定。若發(fā)現(xiàn)有漏漿情況應摻加水玻璃，注漿的目的性很明確，就是有效地固結拱頂2.1m厚度范圍內(nèi)的松散巖體。2.1m以外的松散體產(chǎn)生荷載并在進一步坍塌時起緩沖墊層的作用，不做加固處理。由于該隧道的圍巖條件差，設計階段采用新奧法和礦山法相結合的思路，永久荷載由初支和二襯共同承擔，塌方后上部松散堆積體荷載增加，支護方面，須加強初期支護的剛度，故初支I20a鋼拱架的間距調(diào)整為50cm，二襯維持原設計。施工期間鎖腳錨桿變?yōu)殒i腳注漿導管，長度3m，每處4根。超前管棚和小導管組合體系的特點以往設計中，超前管棚是由若干根簡支梁形成一個棚的支撐，單個梁之間彼此孤立，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，注漿壓力損失嚴重，注漿效果明顯減弱，注漿的固結效果難以保證，致使管棚抗劈裂作用力嚴重不足，施工安全得不到有效保障。此次設計的核心是將以往的“棚”變?yōu)椤皻ぁ薄３肮芘锖托Ч芙M合體系，通過小導管對管棚間未能固結的部分進行二次注漿加固，增強各個梁體（管棚注漿固結體）之間的橫向黏結，在拱頂形成一個具有一定強度的連續(xù)性梁殼，提高超前支護的抗劈裂能力，保證了施工的安全。

作者：韓文斌 單位：山西省交通規(guī)劃勘察設計院