第37卷第2期 2011年6月 湖南交通科技 VoI_37 No.2 HUNAN COMMUNICATION SCIENCE AND IECHNOLOGY Jun.201l 文章编号:1008-844X(201 1)02-0147-03 隧道拱顶塌方的一种安全处治方法 蒋正华,易震宇,傅立新 (湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙410008) 摘要:在钻爆法施工的交通隧道中,拱顶塌方事故累见不鲜。究其原因,多与地下水、 软弱破碎的围岩等复杂地质因素相关。提出了一种安全经济的塌方处治方法。在塌方处治过 程中,利用塌体下部的堆积体作为底模,进行顶部塌腔体的注浆或泵送混凝土进行回填,不仅 安全,且相当经济。此种塌方处治思路和方法,可为常见隧道塌方事故的处治提供参考。 关键词:隧道工程;拱顶塌方;塌方处治 中图分类号:U 458.3 文献标识码:B 着围岩体内部的薄弱面(裂隙节理面)塌落。在无 在交通隧道施工过程中,由于隧道地质情况的 千变万化,采用钻爆法施工经常碰到塌方事故,可谓 “十洞九塌”。隧道塌方原因众多,地质构造、岩层 产状、地下水情况是引起塌方的外在因素,开挖、支 护方法是导致塌方的直接原因。我国每年隧道塌方 次数保守估计上千次,绝大部分都是后果并不严重 的中小型塌方。本文主要针对这类常见的隧道塌方 提出一种安全经济的处治方法。 大规模涌水涌泥情况发生时,塌体前方或下部,将堆 积塌方体,直至塌腔初步稳定。 2 处治思路 隧道塌方的发生都有一定的过程,对于大多数 塌方而言,尤其是水文条件较简单、无大规模的涌水 涌泥现象发生的隧道塌方并不可怕。从上分析可 知,隧道内由于开挖空间有限,对于常见的拱顶塌 方,如没有大规模的涌水涌泥现象发生,坍塌堆积物 会堆积于塌方下部和掌子面前方,直至塌腔基本稳 定。即此类塌方如不加任何干扰,最终会自己稳定。 但实际施工中,在塌方发生后,如果处置不当,移除 下部堆积体,将会造成二次塌方等不利后果。 对于常规拱顶塌方,处治思路如下: 1)处理时机选择要得当。应在塌方体初步稳 定后进行处理,不可冒进。对于拱顶塌方,拱顶至开 挖台阶底部高度至少在5—6 m,如果顶部发生塌 方,塌块下落高度更大。如果贸然开挖下部塌体的 堆积物,顶部塌块砸到人员或设备上,将会造成人员 伤亡和设备受损事故的发生。 2)对于拱顶塌方,拱顶上部必然会形成空洞或 空隙,空洞规模可根据开挖进尺以及塌体范围计算 1 常见塌方过程分析 隧道周边围岩体都存在构造节理、裂隙,这些节 理、裂隙是围岩体稳定的薄弱环节。在隧道开挖过 程当中,由于爆破震动,导致围岩体节理、裂隙的力 学强度进一步降低。而临空面开挖以后,围岩体本 身应力由初始应力场变为二次应力场,在支护结构 尚未施做,或者尚未发挥足够作用时,围岩体结构面 处所受的应力超过其本身强度时,将会产生破坏,导 致坍塌的发生。可见围岩体本身的性质,如完整性、 强度对结构稳定起着重要作用,而外界施工因素,如 爆破震动、地下水渗透会对结构稳定起着不利作用。 另外,围岩体开挖暴露后,与外界空气发生的风化作 用,也常常导致围岩体的力学参数变低,从而导致结 构的稳定性降低。 ・ 隧道施工时,常见的拱顶塌方,发生在掌子面附 近,由于围岩性质发生变化(变差),超前预支护措 施未施做,开挖进尺稍微偏大时,此开挖段的初期支 护未施做,围岩受力(拉应力)超过其本身的极限强 度,从而导致塌方的发生。隧道塌方发生时,岩块沿 得出。常见塌方规模多在50~200 m 之间。拱部 定范围内出现塌腔,此塌腔位于隧道内轮廓以外, 从隧道结构的防水性、安全性和耐久性方面来看,应 一予以避免,即需回填密实。 3)在塌腔下部进行作业时,由于塌腔顶部高度 收稿日期:2011—04-14 作者简介:蒋正华(1978・),男,工程师,从事地下工程设计与科研工作。 148 湖南交通科技 37卷 很大,塌腔需完全稳定才能直接在下部作业,否则很 难保证下部作业人员安全。从此方面考虑,完全可 以利用塌体作为施工底模,直接往塌腔体内灌注混 凝土。对于空洞不明显,大范围充填松散岩土体时, 可以灌注水泥砂浆或水泥浆。目的都是使塌腔体固 结密实,使其由空洞或松散岩土体变为混凝土块或 水泥砂浆块。相当于对围岩体进行材料置换,使其 由软弱不利围岩变换为坚固稳定的混凝土体或水泥 砂浆块体。 3 工程实例分析 某高速公路隧道左洞起讫桩号为Zk38+865~ Zk40+500,长1 635 m,右洞起讫桩号Yk38+860一 Yk40+490,1 630 113,隧道为双向4车道,为分离式 长隧道。隧址区围岩以板岩和砂岩为主,隧址区岩 层产状主要受控于两条规模较大的断层:第一条断 层下盘岩层产状为170。L67。,上盘岩层产状为12。 一340。L57。一72。。第二条断层上盘岩层产状为 170。/_67。,下盘岩层产状为160。~190。/_51。一 82。。 在本隧道板岩分布的断层带地段,由于板岩泥 质成分含量较高,受构造挤压作用后普遍产生泥化、 糜棱岩化作用,使断层带中夹杂泥质成分。断层带 地段围岩呈散体状结构,成洞条件差,隧道开挖时, 洞顶易沿断层带产生坍塌或冒顶。 由于本隧道地质情况很差,在断层带地段,岩层 分布不均,在实际施工过程中,常见小夹层出现,由 于倾角很陡,约70。,加上下雨天气,基岩裂隙水稍 微下渗,就会导致夹层失稳,造成拱顶坍塌。 本隧道在施工中,Yk38+990处发生了塌方, 塌方规模在130 m 之间,塌方原因基本如上述分 析。 塌方发生后,为了防止处治过程发生二次塌方, 以及杜绝处治过程发生危石掉落砸伤人员,按照本 文叙述的思路,成功进行了塌方处治。Yk38+990 处塌方处治方案如下。 3.1塌方体坡脚加固 从洞外运送隧道弃渣回填至塌方体坡脚,稳固 塌方堆积体。同时将堆积体下部堆积修整成高约 2 m,长约5 ITI的台阶。 3.2修整底模 通过现场勘察,发现堆积体上部基本为一大空 洞,决定采用泵送混凝土回填上部空洞的方案。先 利用挖掘机、铲车的长臂将洞外拉进来的细石渣充 填好周边的空隙。考虑混凝土泵送凝结过程会造成 下部堆积体的下沉,底模高度超出原设计初期支护 外轮廓20 cm左右。 3.3预埋注浆钢管 根据塌腔体的位置,预埋3根4,127 mm的钢 管,长2~4 m不等。预埋钢管的长度角度根据塌腔 体的形状和高度而定,预埋钢管中,至少留一个为通 气孔和观测孔用。 3.4泵送混凝土回填上部空洞 据现场勘测,塌腔体最大高度达5.5 m,塌方规 模约为160 m 。泵送混凝土采用塌落度稍大、流动 性好的C20细石混凝土。充填原则是,塌腔边缘高 度小于4 m的地方,全部回填密实,塌腔顶部尽可能 回填密实,且需保证回填高度不小于4.5 m。泵送 混凝土从两边向中间回填。 Yk38+990处塌方塌腔断面图见图1,Yk38+ 990处塌方处治方案见图2。 图1 YIO8+990处塌腔断面图(单位:em) 图2 Y108+990处塌方处治剖面图(单位:m) Yk38+940处塌方规模较小,约50 m ,塌腔高 度小,约2 m,且大部充填土石体。此处塌方先采用 喷混凝土封闭塌体表面后,打设带 ̄Lfl,导管注水泥 浆,充填松散塌腔体。 2期 蒋正华,等:隧道拱顶塌方的一种安全处治方法 149 4体会和结语 在常见的隧道拱顶塌方处治中,从安全方面考 料,无需打设大量锚杆、架设钢拱架等。此类塌方处 治思路和方法,安全、经济,易于操作,值得推广应 用。 参考文献: [1]]TG I)70—2004,公路隧道设计规范[s]. [2]JTG F60—2009,公路隧道施工技术规范[s]. [3]崔永杰.顺层偏压隧道灾害处理及施工技术[J].现代隧道技术, 2OO9(5). 虑,切不可冒然清理掉塌体下部的堆积体。此堆积 体在大多数情况下,能起到暂时稳定掌子面或拱顶 上部的塌体,能防止拱顶塌方的进一步发展。从结 构安全和使用寿命方面来看,塌方部位需回填密实。 利用塌体下部的堆积体作为底模,进行顶部塌腔体 的注浆或泵送混凝土进行回填,不仅安全,且经济, 只需回填部分预埋钢管和一些混凝土或水泥砂浆材 [4]蒋正华.隧道洞口地形偏压段的新型设计与施工方法[J].公路 工程,2010(2). (上接第82页) ● 鲁 器 图4阪神地震波 0 0 0 ・ 0 鲁 羹:: 一0 0 -时间,s a)顶点位移时程曲线 时间,s b)顶点加速度时程曲线 图5两种模型的顶点位移及加速度时程曲线 实体单元模拟,计算要耗时3 h。采用梁单元模型 可以大大提高计算效率。 体单元模拟。 参考文献: [1]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,2004. [2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版 社,2007. 4 结论 1)两种模型均能较好地模拟桥塔的受力情况。 相比而言,梁单元模型计算速度快,计算效率高。 2)当只考虑结构整体受力时,适合采用梁单元 模拟桥塔;当需要考虑桥塔的局部受力时,应采用实 [3]张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北 京:人民交通出版社,2003. [4]GB 50011—20lO,建筑抗震设计规范[S].