45 火车岭隧道软弱围岩段塌方分析及处理措施

董世琪1

,毛　明

2

(1.中铁隧道集团二处有限公司,河北三河

056200;2.湖北省交通规划设计院,武汉430000)

摘要:阐述了十漫高速公路火车岭隧道绢云母片岩变质软岩区隧道围岩的变形破坏特征,对出口塌方原因进行了分析,提出了相应的处理措施,同时对塌方处理效果进行评价,以期为类似工程提供参考和借鉴。关键词:软弱围岩;塌方;处理中图分类号:U455.4

文献标识码:B

Analysis on and Counter measures for Coll apse i n

W eak Ground Secti on of Huocheli n g Tunnel

DONG Shi 2qi 1

,MAO M ing

2

(1.The 2nd Engineering Co .,L td .of China R ail w ay Tunnel Group,Sanhe 056200,Hebei,China;

2.Transportation P lanning Institute of Hubei P rovince,W uhan 430000,Ch ina )

Abstract:This paper intr oduces the def or mati on 2failure characteristics of the sericite 2schist meta mor phic surr ounding r ock mass of Huocheling tunnel on Shi 2Man highway,analyses on the reas ons f or the tunnel collap se,recommends rele 2vant collap se treat m ent measures and evaluates on the result of the collap se treat m ent,which can p r ovide reference f or si m ilar p r ojects in the future .

Key words:weak surr ounding r ock mass;collap se;treat m ent

交通隧道、水工隧道及其它地下工程穿越高地应

力构造区以及遇到软弱围岩体,常导致软岩大变形、塌方等地质灾害。根据大量文献检索结果显示,隧道工程围岩大变形已是困扰地下工程界的一个重大问题。软岩隧道灾害后果严重,危害巨大。由地质灾害而引起的开挖停工短则几个月,长则半年甚至几年,不仅降低了经济效益,而且造成不良的社会影响,对软岩隧道地质灾害规律的认识及防治对策的系统研究己迫在眉睫。

1概述

火车岭隧道处于两郧(郧西-郧县)断裂带南侧,轴线方向与断裂走向基本平行。受两郧断裂的影响,地质构造作用强烈。从施工开挖揭露的地质情况来看,围岩岩性变化较大,产状紊乱;裂隙发育,地下水丰富;地质构造影响强烈,褶曲颇多,挤压扭曲严重、次生断层较多;岩层大多为薄层;大多呈碎裂一镶嵌结构;围岩类别普遍偏低,施工围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类较多;由于围岩稳定性差,加之绢云母片岩遇水软化,初期支护受到较大围岩压力,使支护结构出现混凝土开裂、掉块、钢拱架扭曲变形等变形破裂迹象。

根据隧道设计勘查资料及隧道开挖的地质编录情

况,隧道沿线含多处绢云母石英片岩的软弱地层,具体里程桩号及长度为:(1)ZK55+220～+033段长约187m;(2)YK54+098～+153段长约55m;(3)YK54+190～+712段长约522m ;(4)YK53+955～+990段长约35m;(5)ZK53+033～+066段长约33m 。左线和右线部分区域局部还存在绿泥石钠长石石英片岩夹薄层绢云母石英片岩互层,白云石钠长石石英片岩夹薄层绿泥石、绢云母石英片岩互层,宽度1～2m ,对隧道的开挖有一定影响。

绢云母石英片岩,其主要矿物成分为绢云母,具鳞片变晶结构,片理面光滑,胶结性差,强度低而软弱,抗风化抗水软化性能差,再加之该区强构造运动影响,节理裂隙发育,岩石抗压强度低,岩体完整性差,所成围岩稳定性很差,洞室开挖后往往表现为塑性大变形。目前火车岭进出口绢云母片岩区域,均出现了不同程度的坍塌、大变形等围岩变形破裂现象,支撑结构被严重压变形,衬砌结构被压裂直至完全破坏,造成极大的经济损失,严重影响施工进度。

2绢云母区域围岩变形破坏特征

目前从已施工的绢云母片岩地层看,绢云母片岩

收稿日期:2005-12-12;修回日期:2006-03-07

作者简介:董世琪(1971-),男,1996年毕业于北方交通大学(现北京交通大学)土木建筑系,大学本科,工程师,现从事隧道与地下工程的施工管理工作。

第26卷　第5期2006年10月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　隧道建设Tunnel Constructi on 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

26(5):60～62

Oct .,2006

①坍塌:围岩坍塌有以下几种情况:由于岩体结构破碎,围岩稳定性差,或受结构面控制;沿断层、层面滑动,开挖后立即坍塌;开挖后能保待稳定,或局部坍塌后保持稳定,但在初期支护后围岩持续变形,支护结构破坏,从而坍塌。

②大变形:开挖后往往伴有局部塌方,之后能形成自稳。初期支护后,围岩缓慢变形,使支护结构承受越来越大的围岩压力,致使支护结构变形破裂,变形严重时初期支护侵入二次限界,需要重新换拱。

③剥落:主要出现在走向与洞轴线小角度相交的陡倾岩层段。由于开挖后围岩有一定的卸荷回弹作用,使层间松弛,造成层间粘结力下降,岩层发生掉落。发生部位多在边墙。

④掉块:岩石较破碎,围岩整体稳定性较差,由于结构面的切割形成不同大小的块体,在开挖后向临空面方向掉块,发生部位多在拱顶。

3出口YK55+108～+113段坍塌分析

3.1坍塌情况描述

火车岭隧道出口右幅YK55+108～+113段拱顶在开挖期间发生坍塌,坍塌体距离已完成二衬处约10 m,距离工作面约20m。

坍塌主要发生在拱顶和右拱位置处,坍塌土体约达300～400m3左右,塌方岩土体已经完全封堵住施工断面。根据现场观察,边墙处3榀钢拱架已发生严重的扭曲,拱顶靠掌子面处有一榀钢拱架发生崩断,并且顶部已造成一空洞面,岩石向外滚落,堆积于掌子面前方,并时而有块石向外涌出。YK55+110处有一人行横洞,周边支撑已发生弯曲,落石已造成洞口部分被封堵。顶部初喷混凝土有严重开裂、掉块现象,裂缝最大宽度约10c m,纵向裂缝长达5m。隧道断面轮廓已发生变形,右侧边墙有内鼓现象。塌方体前方二衬处存在两处裂隙,长约3m左右。隧道顶部有较明显的滴水现象,并时而滴水成线,边墙也有渗水现象。

3.2原因分析

3.2.1　岩性与结构分析

此段围岩岩性为绢云母片岩,产状185°∠75°,岩体遇水即软化,抗剪强度(C、<)大大降低,摩擦阻力小,岩体自稳能力降低,使得岩层易发生顺滑。

3.2.2　初衬支护强度不足

本段隧道按Ⅱ类围岩进行初期支护,支护类型为锚喷网混凝土+钢拱架。从前期施工的情况分析,垮塌段的前后几十米内均发生多次大的变形和小型垮塌事故,部分钢拱架在围岩压力条件下,已发生明显的屈服变形,起不到应有的支护加固效果,说明该段的支护结构难以满足此类围岩所要求的支护强度。

3.2.3　水压力的影响

此段隧道埋深为50～60m,隧道沿线地下水类型主要为基岩裂隙水,主要由大气降水进行补给。加之塌方期间降雨量较大,雨水渗入岩层中,使得裂隙水发育,水压力增大,造成围岩压力的增大,对支护结构施加的作用力也随之增加,使得钢拱架发生一定的屈服变形。

3.2.4　构造应力作用

由于隧道的开挖,围岩应力进行重分布,初期拱部出现较大变形,随着残余构造应力得以释放,围岩压力继续增大,进而右拱出现内鼓。在上述因素的共同作用下,围岩压力超出初衬的强度,造成隧道出现坍塌。4塌方段处理措施研究

塌方段的处理按以下步骤逐步进行:加固塌方体→固结变形段→处理塌方段→加强监控量测→二次衬砌紧跟。

4.1　对塌方体进行喷浆封闭再注浆加固塌落体

对塌方体进行喷浆处理,喷浆采用C25混凝土,喷射厚度为25c m,喷浆的作用:一是防止小导管注浆时浆液从孔隙流出;二是防止塌方体继续扩展。然后对渣堆采用小导管注浆,固结渣堆。注浆浆液为水灰比1ν1的水泥单液浆,小导管采用L=5m、<42的热扎无缝钢管,按1.0m×1.0m梅花型布置。

4.2　固结变形段

对变形比较剧烈地段进行补强加固处理,防止塌方继续扩展。首先对变形段进行临时钢支撑加固以确保人员的施工安全,再对变形段按1.0m×1.0m梅花型布置<42的注浆小导管进行注浆处理,注浆浆液为水灰比1ν1的水泥单液浆,注浆压力为1.0MPa。铺设<22粗钢筋网(网格间距20c m×20c m),再喷射10

c m厚的C20混凝土,保证结构的整体性。

4.3　处理塌方段

对塌方段采用上中下小台阶开挖施工,预留核心土,每循环进尺30c m。扩大开挖面,增加预留沉降量,以防止变形侵入二衬界限。采用L=6m、<42的注浆小导管进行超前支护,环向间距为30c m,保证纵向搭接长度4m以上,注浆浆液为水灰比1ν1的水泥单液浆,注浆压力为1.0MPa。铺设<12双层钢筋网(网格间距20c m×20c m),喷射厚30c m的C25混凝土。

塌方段布置长6m、<42注浆小导管,外插角为45°,间距为0.5m×0.5m。采用水泥单液浆进行注浆固结处理,使变形段环向形成一固结圆环,提高围岩的自稳能力,防止塌方岩体继续变形坍塌。

16

第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　董世琪等　　火车岭隧道软弱围岩段塌方分析及处理措施

4.4　加大监控量测的频率

监控量测主要包括隧道的拱顶下沉、初次支护的

净空收敛。对此段的监测点应适当加密,加大对监测点的量测频率,对量测数据及时进行反馈分析,对不良的分析结果采取相应的补救措施。4.5　二次衬砌紧跟

该段隧道岩性的自承能力极弱,且该变质软岩具有强烈的蠕变性能,因此必须尽早控制其变形的程度,而初期支护为柔性支护,不能完全承担围岩的形变压力。要达到上述目的,二次衬砌要及时紧跟以承担部分围岩压力。对十漫沿线的软岩隧道,二衬紧跟也是防治围岩大变形比较有效的措施。

5现场应用效果验证

在塌方处理过程中,在对塌方段进行处理后,及时布点,跟踪对围岩的变形状态进行监控量测,其数据和资料一方面可以显示围岩的稳定性状态,同时也可对本次塌方处理提供一定的评价指标,监测项目主要有:拱顶下沉,周边收敛,应力应变监测。5.1　隧道拱顶下沉及隧道净空收敛量测

在火车岭隧道塌方地段处理后的不同地段布置监测断面,监测结果显示,处理后隧道围岩的拱顶下沉和净空收敛均较少,累计收敛最大值为27.055mm ,累计沉降最大值为16mm ,变形速率最大每天未超过2mm 。图1为一监测变形曲线,从变化时间历程可以看出,变形过程比较平稳,说明处理后围岩已达到一种稳定状态

。

图1

火车岭隧道YK55+110监测点变形曲线

Fig .1

Curves of def or mati on of monit oring point at YK55+110in Huocheling tunnel

5.2

围岩应力监测

此段围岩受构造作用的影响,存在一定的残余构造应力,围岩压力的增大,给初期支护的承载能力也提出更高的要求。为了解处理后支护结构体承受围岩荷载情况,分别在隧道里程桩号为YK55+110拱顶及拱

腰处埋设一组振弦式土压力计(TJ -22)[1]

,置于初期支护体与围岩之间,从埋设后一个多月的监测数据看,读数在缓慢上升后趋于稳定,说明围岩的变形已稳定,围岩自稳能力得到较好发挥。5.3二衬应变监测

在对塌方段进行处理后,及时施作二衬。为此,在二衬表面粘贴了多组光弹应变片,以监控二衬的变形

情况[2]

。从光弹应变片的花纹变化可以判断,该段二衬变形情况是安全的。另外,从洞内巡查来看,施工后接近2个月的二次衬砌体表面没有出现裂纹等异常情况。

6结论与建议

①两郧断裂对区域地质的控制是非常明显的,直接导致火车岭隧道围岩条件差,受构造影响严重,特别是部分地段极差软岩的存在,大大地增加了施工难度。该隧道尽管埋深不大,但在岩性和地质构造作用下极易发生大变形,甚至坍塌。

②从隧道的施工开挖情况看,对绢云母石英片岩变质软岩地层,原设计的初期支护的强度和刚度均不足,不能承受该种岩性的围岩压力。为避免类似大变形的再度发生,建议对此类围岩地段的隧道支护结构进行加强,以适应当前地层隧道开挖的需要,确保隧道安全顺利穿越此类地层。避免塌方事故的再次发生。

③十漫高速公路沿线存在许多类似火车岭隧道地质条件的隧道,只要针对具体围岩岩性特性,并按照相同原理采取针对性的措施,能够较好地对此类地质灾害进行有效防治。本次塌方的处理措施在实践中证明是完全可行的。

参考文献:

[1]吕康成.隧道工程试验监测技术[M ].北京:人民交通出

版社,2000:92-96.

[2]夏才初,李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M ].上

海:同济大学出版社,1999.

26隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年10月　第26卷