西山隧道施工中的地质灾害及其防治实践

西山隧道施工中的地质灾害及其防治实践α

柳若龙　赵国法　顾宏伟

(浙江省隧道工程公司,杭州　310013)

摘要:　总结了萧山市西山隧道施工过程中,采用管棚、侧壁导洞、边坡预裂爆破、超声波测试及先锚后

灌中空锚杆等一系新技术、新工艺,在特扁平、多功能城市隧道施工中成功地解决了高岭土断层塌方、高

边坡坍塌、洞口滑坡等地质灾害问题的经验,阐明了地质灾害对隧道施工的影响。

关键词:　特扁平隧道施工;坍塌;滑坡;地质灾害

中图分类号:　U457+.5　　文献标识码:　B

　　西山隧道座落在浙江省萧山市西山风景区,杭州乐园西侧,西接风景大道,东联城南大道和潘水路,是一条集城市交通、城市供水、通讯、供电线路等多功能为一体的城市隧道,为萧山市十大工程之一,市重点工程。隧道设计长205m,建成后净宽14m,其中行车通宽8m,两侧人行道宽各3m,人行道下各埋设1.4m的水管向市区供水,同时还埋设了其他管线。

西山隧道的功能及两端的道路接口,决定了隧道的位置、轴线及走向均无选择的余地,加上东、西口周围均受现有城市建筑物的,隧道无法按工程地质条件而优化选址,隧道一经确定,便注定要受地质灾害的影响。但对于地质灾害对隧道施工所造成后果的严重程度,还是在施工过程中经历了无数次曲折,才逐步认识的。

1　工程地质条件及隧道稳定性分析

1.1　工程地质条件

隧道轴线方向所处的地层为石英砂岩,岩屑长石砂岩,沿隧道轴线方向有4条断层相伴,另有较大一条产状180°∠45°的断层和洞轴线在隧道中部成斜交55°角向东口方向延伸,隧道的东口受此影响严重,地质条件十分恶劣,如图1。

表部为残坡积土,成分为含碎石粘性土,厚2.0～5.2m,为中硬土。下伏基岩为岩屑长石砂岩,岩石具中厚层状构造,层理清晰。③a层为强风化岩屑长石砂岩,厚8.0～14.0m;③b层为弱风化岩屑长石砂岩,厚7.0～11.0m;③c为微风化岩屑长石砂岩。岩层产状310°∠35°,岩体呈块(石)碎(石)状镶嵌结构,受地质构造影响严重,有两条断裂穿插其中,一条产状为:215°∠65°,压性断裂分布在隧道左侧洞壁附近;另一条产状为180°∠45°,对隧道围岩稳定性影响较大,当其下盘岩石采空形成临空面后,爆破震动时,上盘岩层极易沿断面(或层面)塌坍、下滑。

隧道西口南侧距断层仅为20m左右,受构造影响严重,岩体节理十分发育,且因隧道口部所处位置为采石场,已形成高120m,宽近200m,坡角达80°～85°的高大陡坡,坡面由于采石时放炮,裂纹密布,有些呈碎块状,每逢刮大风下大雨时,掉块、局部崩塌频繁,尤其是南侧断层处,每次崩塌小则几十立方,多则上百立方,夹杂着泥水往下冲,严重影响隧道施工安全。

隧道还穿过一条以45°的倾角与隧道轴线正交的断层,断层带为宽约4m的高岭土,断层上盘岩体节理发育地下水丰富,且与地表连通,每逢下雨,水量成倍增大,对施工极为不利。

在西口进洞80m处,有一人防坑道洞室群与

α图1　东洞口横、纵剖面地质图

F ig.1　Geo l ogical secti on in the east po rtal

(A)横断面;(B)纵剖面

隧道正交,人防坑道底板距隧道拱顶仅8m,开挖施工时,极易造成大垮塌。

按照公路工程隧道围岩分类标准,本隧道的东、西口,人防坑道影响段,高岭土断层影响段均为 类,其余为 类。

1.2　不利的隧道断面形状

隧道断面为高直墙,拱形,开挖跨度15.74m,拱顶高9.4m,其中直墙高6.12m,拱矢高为3.28 m,最大开挖断面达140m2,从以上各项参数可以看到,隧道为大断面、大跨度、高直墙,特扁平(矢跨比达1∶5)隧道,其不利的受力结构几何是罕见的。

综上所述,西山隧道是在十分恶劣的不良地层中修建断面形状极为不利的大断面。

2　口部及进洞施工措施

2.1　东洞口地质灾害及施工技术措施

东洞口顺着山坡按设计明挖后,形成了10～15 m,高、坡比为1∶0.75的两侧边坡和倾角60°～70°,高25m左右的洞脸,挖开后的地层情况非常差,无法直接全断面进洞,根据实际情况,采取了以下技术措施。

(1)两侧边坡及洞脸上部,清面后喷射混凝土10～15c m,洞脸下部采用2.5～3m, 25罗纹钢砂浆锚杆,成1.5×1.5梅花形布置,初喷5c m素混凝土后加挂网格为10×20的棱形金属扩张网,然后喷厚至10～15c m。

(2)在两侧拱线起沿拱部轮廓线外,每30c m (边对边间距)安装 厚壁无缝钢管棚,管长6 m,每隔一根安装花管,管内灌注水泥砂浆。

(3)管棚外端出露1m,模喷在混凝土拱套中,套拱2延米长,厚50c m,强度要求为C20。

(4)隧道采用单侧壁导洞法开挖,在岩体相对完整的南侧开挖上导洞,导洞断面积约为25m2,可供一辆装载机进出,开挖后,进行锚、喷、网支护,径向锚杆沿设计轮廓线L:3～3.5, 25,喷混凝土5～10c m。

(5)计划导洞贯通后,由里向外扩挖,并同时进行锚、喷、网支护,直至全断面贯通。然后扩挖3m 厚底板,开挖次序如图2所示, 为导洞, 为扩挖部分, 为底板

。

图2　开挖次序图

F ig.2　P rofile of cutting p rocedure

(6) 、 部份开挖后,架设由18号重型工字钢弯制的拱架,每80c m架设一榀,两榀间用 20钢筋联接,加挂金属扩张网,喷混凝土至20c m厚。

271地质灾害与环境保护2000年

2.2　东口的地质灾害及教训

按上述进洞措施实施,导洞如期贯通,并进行了局部初期支护,从外向里暗挖5m,并架设了钢支撑,这时,发生了地质灾害。

2.2.1　地质灾害

由图1可以看到,洞脸顶部为含碎石的残坡积土,厚2～5m,此层经挖掘后,下层的基岩直接暴露。由于此层岩体层理发育且强风化,其碎块状结构受地表水的侵蚀后,更加松软,在扩挖爆破震动的诱导下,多次局部坍塌,洞脸表面支护遭破坏,1998年11月24日发生量达3000m3大坍塌,仅存隧道上方约不到5m的拱圈,导洞被堵,开挖施工中断,转为清理塌方体。后又发生几次隧道塌方,洞脸边坡已高于40m,两侧边坡已相应增高达35～40m,尤其北侧边坡受产状180°∠45°断层的切割,上盘岩体极有可能沿层面下滑并局部坍塌,项目部立即布置对北侧边坡进行加固,措施为:

(1)长3.5m, 25罗纹钢,砂浆锚杆,1.5m×

1.5m布置。

(2)加挂全坡面的金属扩张网后,喷混凝土10～15c m厚。

边坡加固后,继续清理塌方体,并由里向外扩挖至上断面基本完成。其间加强了对边坡尤其是北侧滑坡体的观察和监测,并邀请地质专家现场勘察,断定为滑坡体,且位高,冲击能量足,极具破坏力。1999年3月11日,由于连续几天大雨,北侧前上方发生大滑坡,约5000m3岩体高速冲击隧道口顶端,将5 m管棚段及套拱全冲垮,口部支撑破坏后又引发了洞脸的塌方,并有进一步发展的趋势。

2.2.2　成洞对策

滑坡灾害发生后,针对东洞口的施工邀专家会商,作了如下的分析和对策。

(1)高边坡将有进一步更大规模坍塌和滑坡的可能,而隧道的初期支撑结构抗冲击能力极差,如不及时采取强有力的措施,将危及整座已开挖成型隧道的安全。(2)东洞口的塌、滑方暂不能清理,可以压住坡脚。(3)由于洞型偏平,跨度又大,钢支撑支护体无法达到预期的效果,需尽快建立高强度刚性支护体系,由里向外施工。

经与设计方协商,将东口二次混凝土衬砌工作提前,并调整加强了结构强度,加配双层钢筋,并设底拱钢筋混凝土,采用泵送商品混凝土,钢模台车衬砌,以最快的速度衬了12m,待混凝土具有80%的强度后,开始清理洞口,出洞后又抢衬了20m的明

洞,并尽快地完成了底板混凝土的浇筑,形成了封闭的结构,在雨季到来后,又发生了两次大的滑塌,隧道丝毫无损,事实证明,措施是正确的。

2.2.3　边坡治理

东口隧道建成后,为了确保运营期间的永久安全,市政领导高度重视,责成建设单位召集各方面专家进行论证,由勘察单位进行针对性勘察和评估,由设计单位会同施工单位提出了两套治理方案。

(1)边坡10m以下用现浇混凝土挡墙护坡,配以5m长锚杆将挡墙与岩体联成一体,隧道拱部采用粘土回填2m。10m以上岩体局部采用10～15m 的粗径锚杆(用3根 25罗纹钢筋组合)作深部锚固,表面铺挂金属扩张网后,喷混凝土10～15c m;上部采用3～5m的罗纹钢砂浆锚,按2m×2m梅花形布置,表面铺挂金属扩张网,喷混凝土8～10 c m,边坡上缘用混凝土抹面,边坡四周设50×50c m 的排水沟,整个坡按5m×5m的网度设泄水孔。

(2)采用加厚浆砌块石挡墙护坡,墙厚2～3 m,挡墙高10～12m,明洞拱顶回填8m,在挡墙顶面设花台,在拱顶及花台上植树绿化。对于边坡上部作削坡处理,削坡后的坡面不作其他加固,仅植种“爬山虎”绿化。

因考虑到治理费用及城市绿化等,建设单位选择了第二方案。

2.3　西口的地质灾害及施工技术措施

西洞口位于一采石场中,采场的地面与隧洞的拱顶一样高,由于采矿活动已将表层坡积杂土和次层强风化岩石剥离,隧道位于下层弱风化基岩中,岩体的完整性相对东口稍好,主要的地质灾害有洞脸特高边坡(达120m)和隧道南侧的一条与隧道轴线平行相距30m的大断层,对于断层造成的岩石崩塌滑落,采用筑一条2m厚,5m高的浆砌块口挡墙来拦挡影响隧道施工的滚石和泥浆。

2.3.1　特高边坡的治理

对120m高的边坡作全面的勘察后,认为尽管有几条垂直于坡面的纵向断层影响了岩体的完整性,但未发现有水平切割坡面的断层和其他不良层面,故推断整体边坡基础是稳固的,未发现发生大滑坡大崩塌的地质条件,主要灾害有:①因采石放炮震松的表面岩块的掉落。②局部节理发育地区的局部小崩塌。③因隧道开挖引起的隧道拱顶上方的塌方。

相对应的边坡加固措施如下:

(1)隧道拱顶上方10m影响范围内,用5m长

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第11卷　第2期柳若龙、赵国法、顾宏伟:西山隧道施工中的地质灾害及其防治实践

的新型中空后注浆外波纹锚杆加固,1m ×1m 梅花型布置,先用水灰比为0.45的水泥浆液,通过中空锚杆对围岩进行注浆加固,然后压砂浆固定锚杆。锚杆外露端采用 18罗纹钢筋点焊联接,铺挂金属扩张网后喷混凝土15～20c m 。

(2)10m 以上坡面用长2.5～3m 的 25罗纹钢砂浆锚杆,以1.5m ×1.5m 的网度作系统锚固,局部节理发育和采矿炮窝区域加挂金属扩张网,全坡面作一次全面清理后喷混凝土至10～15c m 。2.3.2　进洞技术措施

隧道口部围岩由于受平行轴线的4条断层的构造影响,层理十分发育,且布局混乱,极易发生掉块和冒顶

,且因隧道跨度大,拱顶部扁平,如处置不当,容易引发大塌方,从而影响到边坡的稳定,如边坡不稳,则进洞更加困难,根据这些特点,采取了以下技术措施:

(1)明沟的开挖,边坡轮廓采用预裂爆破,保护明沟两侧近10m 高的侧坡。

(2)隧道开挖采用双侧壁导洞中间留岩柱的方法,尽量减少爆破对围岩的扰动,开挖次序如图3。

图3　开挖次序图

F ig .3　P rofile of cutting p rocedure

(3)导洞开挖前,采用长为3m 的中空后注浆

锚杆进行注浆预加固,每循环进尺控制在1.5m 以内,开挖后立即进行锚喷网加固,径向锚杆仍采用3～3.5m ,挂金属扩张网,喷混凝土10c m 。在两侧导洞同时以45°角向中间岩柱方向安装中空锚杆,并

注浆加固。

(4)导洞开挖20m 后,两导洞之间按隧道轮廓线贯通,然后从里向外以45°角向中间岩柱安装中空超前锚杆,并注浆加固,从里向外扩挖中间岩柱,并立即在岩柱开挖后的拱顶进行与导洞同样参数的锚、喷、网加固,最后扩挖底板。

按上述方法,成功解决了口部松动区的进洞难题,并用同样方法安全地穿过人防坑道采空区。

3　高岭土断层段的施工

在隧道开挖至115m 处,遭遇一条高岭土断

层,断层宽3～4m ,两边缘影响带宽0.5～1m ,断层以45°前倾,断层上盘岩体节理发育,渗水严重,由于工程地质勘察未发现,故遭遇后未能采取超前支护措施,放爆后拱部即发生坍方,每次坍高30～50c m ,坍方间隔1～4h ,主要原因为高岭土面暴露后吸收水分膨胀松动,在自重的作用后下坍,由于高岭土有较大的粘性,有一个蠕变过程,表面观察很难发现,对施工安全造成很大的危险,特点如下。(1)难发现,无法“撬帮问顶”。(2)土体松软,锚杆无法形成锚固力。(3)高岭土遇水膨胀,蠕变应力大,素喷混凝土易被挤裂破坏。(4)塌方周期短,发生频繁,下方无法进行挂网作业。根据以上特点,采取了以下措施:

(1)建立观测点,对高岭土层的蠕变及喷后的稳定情况进行监测,分析变化规律以便于指导抢险施工。

(2)采用支架式潜孔钻在断层上盘岩体中钻凿 50深5～8m 的引水排孔。

(3)喷射能较大程度改善混凝土性能的钢纤维和撮入高性能速凝剂的高标号混凝土,开挖后的高岭土表面作封闭并加厚至10c m ,形成整体薄壳。

(4)采用3.5m 的中空锚杆,沿轮廓线密集布置,并注入砂浆,砂浆中撮入速凝剂以便快速固结,锚杆外端部采用 25罗纹钢焊接相联,在5m 宽的断层区以0.5m 的间距,布置了11排这样的柔性小

管棚,每榀小管棚的中间用两根 22罗纹钢筋作环向均布,然后喷射钢纤维混凝土。

(5)根据观测,后又增加一层金属扩张网,加喷混凝土至30～40c m 厚,直至变形得以制止。

4　结语

西山隧道开挖结束后,采用钢模台车,泵送商品

混凝土衬砌,在口部及洞内地质灾害区增设了底拱混凝土,并加配了双层钢筋及永久支护结构的强度,确保了拱部的同标号混凝土的回填密实度,同时,表面质量也得到了保证,并一次性通过了工程验收,被评为优良工程,在祖国50华诞的嘉庆日子到来之前通车。施工期间无重大伤亡事故。

通过总结西山隧道的施工和多年来对各种隧道施工的实践,对隧道地质灾害有以下几点认识:

(1)地质灾害伴随着隧道施工的全过程,无论是自然的,还是施工诱发的。

(2)隧道地质灾害不同于一般的隧道冒顶、掉块,往往规模大,对工程施工的工期、质量、安全、造

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71地质灾害与环境保护2000年

价带来巨大影响。

(3)隧道地质灾害可以灾前防治,可以灾后治理,在发生期间往往无法治理,且如果小灾不治,终积累成大灾。

(4)隧道地质灾害受气候影响大,季节性强,与其他地质灾害一样,受水的影响极大。

(5)隧道地质灾害的勘察重点是岩性、岩体结构、构造及结构面的性质及构造带的性质、岩溶、地下水、地应力,是否含瓦斯地层等。

(6)隧道地质灾害受区域内大构造的影响大,影响程度与隧道本身的形状、几何参数、隧道长短、断面大小等有关。

(7)隧道的口部是灾害发生的重点部位,往往

影响运营安全,影响自然环境。

(8)对隧道地质灾害的治理应该是动态的、信息化的,预测、监测的结果是治理的指导依据,治理应浅表与深部相结合,重点与全面相兼顾。

(9)要加大地质灾害的宣传力度,沟通业主、勘察、设计、监理、施工各单位对地质灾害的认识,对信息化施工治理尤为重要。

参考文献

[1]　浙江省地球物理勘查院.萧山市西山隧道工程勘察报告[R ].

1998.

[2]　浙江省隧道工程公司二处.萧山市西山隧道竣工资料[R ].

1999.

THE GE OLOGI CAL HAZARD AND I TS PREVENTI ON

I N THE CONSTRUCTI ON OF X I SHAN TUNNE L

L I U R uo l ong 　ZHAO Guo fa 　GU Hong w ei

(Zhejiang T unnel Engineering company ,H angzhou 　310013,Ch ina )

Abstract :　T h is paper summ arizes the successful expenences in the con structi on of X iashan T unnel in X iao shan city .M any geo l ogical hazards ,such as kao lin ite fault co llap ses ,h igh sl ope co llap ses ,po rtal co llap ses in the very oblate tunnel w ith m ulti p le functi on s ,have been s o lved by a series of ne w techno l ogies such as p i pe hut ,side p il o t drift ,sl ope p res p lit blasting ,ultras on ic s ounding and ancho r -and -grout p i pe ancho r .T he i m pact of geo l ogical hazards on tunnel con structi on is als o illum inated in the paper

.Key words :　very -oblate tunnel con structi on ;co llap se ;landslide ;geo l ogical hazard .

作者简介:　柳若龙,男,1961年生。1984年毕业于中国地质大学探矿工程系。中国地质工程集团公司隧道分公司总经理。

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cardinal p rinci p le of ancho r .It is though t that ancho r can increase t p ro s pect is ex ten sive

.T he paper in troduces the characteristics of the ne w occlusi on type ancho r ,and put fo r w ard the p ropo sal of needle dam of tran s po siti on type .

Key words :　m ud -rock fl ow ;p reven ti on and con tro l p ro ject ;occlusi on type ancho r ;needle dam of tran s po siti on type 作者简介:　徐永年,男,1962年生。高级工程师。水力学及河流动力学专业,主要从事崩塌、泥石流等研究工作。

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