大断面黄土隧道塌方处理.doc

摘要：以秦东黄土隧道塌方为例，分析了隧道塌方的原因，包括工程地质和水文地质、隧道结构断面、隧道支护结构、隧道围岩压力以及隧道施工工艺等，介绍了所采取的处理措施，总结了黄土隧道施工的经验。这对于相同类型的隧道施工以及塌方事故的预防都具有一定的参考意义：隧道施工具有安全隐患多、施工危险性大的特点，而黄土隧道因缺乏成熟的设计理论和足够的施工经验，安全隐患更多、施工危险性更大。本文通过对秦东隧道塌方处理实例的分析和总结。提出了相关的处理方法，以供大断面黄土隧道安全施工借鉴。1工程概况 秦东隧道是郑州至西安铁路客运专线重点隧道工程之一，全长7 684 m，开挖断面面积163 m2，洞室最大宽度1518 m、最大高度1332 m，为目前国内黄土隧道之最。隧道起迄里程：DK333+312DK340+996，其中隧道进口DK333+390(明暗分界)DK333+465段采用“双侧壁导坑法”施工。DK333+465+500段采用“CRD法”施工。CRD法如图1所示。 隧道施工至DK333+487时，DK333+470DK333+487段中隔壁右侧在无明显征兆的情况下突然坍塌。塌方后，中隔壁喷射砼局部开裂，部分钢支撑发生变形，左侧相邻段喷射砼开裂，洞顶正上方地面形成一个长22 m、宽162 m、深25 m的陷坑，且周边地表有多处裂缝。2地质水文情况 21地形地貌 隧道所经区域主要为黄土台塬区及黄河阶地区两大地貌单元，隧道进口段位于黄河级阶地区。隧道进口DK333+390(明暗分界)DK333+500段埋深约726 m，中线与山体斜交，具有浅埋、偏压特点。隧道洞口坡面黄土冲沟较发育，洞顶均为荒地、坡地，植被稀疏。地下隐藏的古墓较多。DK333+465正上方上有一弃用的蓄水池。22工程地质 黄河级阶地表层为第四系上更新统风积的砂质黄土所覆盖，下伏上更新统冲积砂质黄土。 (1)第四系上更新统风积砂质黄土：厚度1018 m，坚硬硬塑，级，0=150 kPa。 (2)冲积砂质黄土：厚度大于15 m，硬塑。局部软塑，级，0=150kPa。 (3)砂质黄土具级(严重)自重湿陷性，湿陷性土层厚约22m。 (4)DK333+430DK333+545为一错落体，位于隧道洞身上部20 m，为不良地质地段。23气象水文 工程所在地夏季炎热多雨，在坡面陡峭、冲沟稳定地段，降雨对隧道上覆围岩影响不大：但在易积水处，易下渗改变隧道上覆围岩含水量，影响围岩稳定。3塌方原因分析 31现场监控量测结果 秦东隧道塌方段施工过程中进行了拱顶下沉量测，每5 m布置一个测点，每天量测2次。DK333+475处拱顶下沉量测结果如图2所示。 DK333+475处拱顶下沉量测结果显示，DK333+470DK333+475段在塌方前拱顶变形已趋于稳定，因而此次塌方应是在多种因素共同作用下造成的突然失稳。32影响塌方的因素分析 (1)黄土自身的特征。该段为砂质黄土。土体松散，自稳能力差，且具有IV级(严重)自重湿陷性，极易因局部失稳而引起连锁反应，造成大坍塌。 (2)错落体的影响。塌方段位于错落体内，错落体主要为表层风积砂质黄土，较为破碎，多呈散状，易受降水的影响，该特征更加剧了黄土的不稳定性。 (3)开挖断面大、跨度大。开挖全面断面跨度为1518 m，虽采用CRD法开挖，跨度仍达到约75 m，开挖过程中扰动的围岩范围较大。 (4)偏压的影响。偏压使得初期支护左右两侧受力不均，在钢架薄弱环节特别是接头处易产生拉、剪破坏。 (5)水的影响。隧道塌方段施工时正值雨季，雨水在容易积水的古墓、蓄水池等处积聚、下渗，使得隧道上覆黄土层产生湿陷，粘聚力降低甚至消失，自稳性大幅降低甚至消失。33塌方原因分析结论 因塌方段为大断面、大跨度结构，开挖对较大范围内的围岩造成了扰动。使错落体内的围岩自稳性更低。因偏压的作用，初期支护受力复杂，易产生破坏。在雨水的渗透作用下，上覆土层粘聚力大幅降低甚至消失，绝大部分洞顶土体自重施力于隧道初期支护上。当初期支护局部强度不够。或者由于洞顶地表土体的垮塌形成冲击荷载而使初期支护强度相对不够时，就会造成局部坍塌，并很快引起连锁反应，造成大面积的突发性塌方。 此外，由于大断面黄土隧道施工经验不足，施工人员主观上对黄土的认识不足。缺乏对这种突变性情况的预见性，也是本次事故发生的间接原因。4塌方处理技术方案 41塌方处理原则 塌方段处理遵循“预加固、管超前、小断面、短开挖、强支护、早成环、快封闭、勤量测”的原则。42具体的处理措施 (1)在地表建立临时防排水设施。在塌坑上方搭设防雨棚，塌坑周边设置截排水沟，严防地表水灌入隧道。 (2)加强中隔壁左侧支护。在中隔壁左侧上、下导坑钢架或木支撑中间加设环向封闭的型钢架进行支撑，钢架间采用42钢管进行纵向连接，钢管环向间距05 m。新增钢架与既有支护体系密贴，确保新增钢架与既有支护体系能组成整体受力体系。 (3)地表加固及回填处理。在CRD工法中隔壁左侧加固全部完成后，在地表陷坑裂缝以外5 m范围内采用42钢花管对塌陷土体进行注浆加固。钢花管间距12 mx12 m。注浆完成后将地表陷坑回填密实，并高出地表50 cm，回填表面3 m采用三七灰土隔水层，以有效引排地表水，防止地表水下渗。 (4)施作超前注浆预支护。在地表回填注浆加固施工完毕后，开始施作中隔壁右侧拱部超前长大管棚和超前小导管。管棚采用127钢管，钢管内设主筋为4根22钢筋的钢筋笼以增加管棚强度，管棚长度为30 m，环向间距04 m，外插角5-10。超前小导管采用42钢花管，L=35 m，环向间距04 m，纵向搭接长度不小于2 m，与大管棚环向间隔设置。 (5)开挖塌方体。超前注浆预支护施工完毕后，开始进行塌方段土体的开挖和支护。 (6)塌方段土体开挖到原掌子面后，停止开挖，对掌子面进行封闭处理，及时施作已开挖地段的仰拱及二次衬砌。43主要施工技术 431地表注浆 (1)注浆施工前，先对陷坑表面进行平整，然后打设小导管。 (2)注浆采用自下而上式孔口封闭注浆法。注浆材料为水泥浆，水灰比为08：11：1。注浆压力根据注浆深度控制在O106 MPa。 (3)注浆顺序，先施工边缘帷幕孔，再施工加固孔。432大管棚施工 (1)主要设备：HTC-100管棚水平钻机、wT-2507泥浆机、SR-1电磁导向仪。(2)钻孔方法：采用HTC-100管棚钻机楔形可变向钻头带管钻进，管径为127 mm，管与管采用丝扣连接加电焊辅助的方式。钻进57 m后通过导向仪将钻头方向调整至水平钻进，从而保证管棚钢管在开挖轮廓线以上，且不至太高。钻进过程中采用自然钻进，必要时采用风冷钻进，严禁水冷或泥浆冷却钻进。 (3)管内填充注浆：注浆采用水泥浆，注浆时分段保压，使注浆尽可能饱满。注浆压力01-02 MPa。433塌方体开挖 开挖分上下台阶进行，先开挖上台阶，后开挖下台阶。 上台阶开挖时预留核心土，开挖后及时施作初期支护及临时支护，打设拱脚锁脚锚管，并架设横撑，施作临时仰拱，尽早封闭支护结构。 下台阶开挖时先开挖边墙一侧土体，施作边墙初期支护。打设墙脚锁脚锚管，并架设底部临时横撑，然后开挖剩余部分土体。 塌方体开挖时做到随开挖，随支护。支护结构及时封闭成环。5处理效果 塌方处理过程中各项变形均控制在允许范围内，现已安全渡过塌方段，塌方处理达到了预期的效果。6 结语 (1)黄土成分复杂，且不同地区的黄土成分也有所不同，成分不同的黄土受水的影响也不尽相同。施工前应进行土力学试验，以指导施工过程中的含水量控制。 (2)黄土隧道施工前应查明地表情况(特别是浅埋段)，尽量减轻地表水对隧道上覆土层的影响，必要时采用注浆加固、回填夯实等方式进行处理。 (3)如果隧道在较长范围内沿着黄土冲沟走向或者与黄土塬边平行走向，而覆盖层又较薄或偏压很大，就容易发生较大的坍塌或滑坡现象。 (4)大断面黄土隧道施工，宜根据隧道断面大小、埋深，考虑围岩的自稳能力，选用双侧壁导坑法、CRD法、CD法或弧形导坑法施工。 (5)大断面黄土隧道施工应遵循“先预报、预加固、严治水、短开挖、少扰动、强支护、早成环、快封闭、勤量测”的原则