膨脹土隧道塌方成因及處理技術

膨脹土隧道塌方成因及處理技術

摘要：結合新響沙灣隧道工程實例，通過對隧道膨脹土洞段塌方的研究，分析隧道塌方原因，詳細闡述了塌方處理方案、施工注意要點，對同類圍巖隧道施工具有一定的借鑒意義。 
關鍵詞：膨脹土 塌方 原因分析 處理技術
        1 工程概況
        1.1 工程概況 新響沙灣隧道全長3430m，除進口1057m，出口129m位于直線上，其余均位于半徑為4500m的曲線上，縱坡11.5‰。隧址區地震烈度Ⅷ地震動峰值加速度0.20g。
        1.2 工程地質和水文地質
        1.2.1 工程地質 新響沙灣隧道為鄂爾多斯臺地剝蝕丘陵區，溝谷縱橫，切割強烈，地形起伏較大。圍巖為白堊系下統（K1），紫紅色、姜黃色、灰綠色含礫泥質砂巖，砂石含量5～20%左右，泥質膠結，砂狀結構，薄層～中厚層構造。局部夾薄層狀紫紅色泥巖。強風化層約10～30米。地層產狀近水平。
        1.2.2 水文地質特征 地下水主要為賦存在河床沖洪積砂層中的空隙潛水，水量較豐富，膨脹土地帶地下水豐富，基巖裂隙水不發育。
        2 塌方過程描述
        2008年9月27日早7時，新響沙灣隧道GDK48+885～GDK48+950段邊墻出現多條裂縫，裂縫內有水滲出，部分拱腳出現向外擠出的現象。2008年9月28日～2008年10月9日期間，GDK48+885～GDK48+950段不時出現鋼筋斷裂的聲音，多處出現環向裂紋，多處噴射混凝土面崩裂。邊墻從拱腳以上1.7米處鋼架整體被壓斷，拱頂邊墻變形嚴重。掌子面已經全斷面塌方封堵；縫寬1cm以上的裂紋有十多條，最大裂縫寬度達到60cm；拱墻部位格柵鋼架大部分擠出變形，最大變形達80cm；裂縫處滲漏水現象嚴重。2008年10月10日下午15時10分GDK48+885～GDK48+950段出現整體坍塌，塌方過程無人員傷亡。
        3 塌方原因分析
        塌體段為白堊系下統灰綠色泥質砂巖，泥質膠結，砂狀結構，薄層～中厚層構造，水平層理極其發育，經鐵四院檢測后發現該種砂巖為膨脹性質，且屬于中度膨脹。由于膨脹土圍巖具有“吸水而膨脹，失水而收縮”的特性。塌體段為富水段，圍巖遇水極易軟化崩解，圍巖中度膨脹性加速、加大圍巖應力釋放，造成圍巖松動圈范圍大，在初期支護支撐力不夠的狀態下，由于圍巖壓力和膨脹壓力的綜合作用，使圍巖產生局部破壞，然后逐漸牽引周圍土體連續破壞。
        4 塌方處理方案
        處理塌體的總體方案：首先對塌體進行大管棚施工，然后在已施工完畢大管棚上方進行混凝土造殼，在混凝土殼體的掩護下，實施四臺階開挖，并且加強支護，具體措施如下：
        4.1 對GDK48+893.5～GDK48+898.5段塌方部位用塌方碴料從兩側向中間進行回填，回填至拱頂設計標高后對剩余空洞采用輕質材料進行填塞，以形成內模。
        4.2 回填工作完畢之后在靠近塌方段處并排架設三榀I22工字鋼作為管棚支承鋼架，工字鋼鋼架之間焊接牢靠。
        4.3 拱部90°范圍內架設Φ108管棚，管棚間距為30㎝，外插角為15°，長度為6米（伸入塌方部位5米，外露1米），管棚與鋼架焊接牢靠。        4.4 管棚施做完畢之后，對塌方部位進行混凝土澆筑，混凝土標號為C35，厚度為1m，在開挖輪廓線以外形成殼體。
        4.5 回填混凝土澆筑完畢且終凝之后，對塌方體按照四臺階法進行開挖，第一臺階開挖高度為2m，第二臺階開挖高度為2.5m，第三臺階開挖高度為2.5m，第四臺階開挖高度為2.71m，具體見《塌方體開挖示意圖》
        4.6 塌方體開挖完畢結束后立即進行初期支護，鋼架設置為I22工字鋼鋼架，間距40㎝/榀，上臺階鋼架腳部采用40槽鋼墊底，鋼架各單元連接處采用6m長Φ42鋼管鎖腳，每處不少于4根，拱腳與槽鋼間的空隙采用混凝土楔塊頂緊，確保鋼架腳部整體穩定，各鋼架間采用100*100角鋼進行縱向連接，環向間距40cm，鋼架腳部均采用22槽鋼焊接牢靠，確保鋼架腳部整體穩定。邊墻部位噴射C25混凝土并確保鋼架后空洞噴填密實，噴射混凝土與φ42鎖腳鋼管及縱向槽鋼形成系統穩定的腳部加固系統。第一臺階施工完成后，再依次施工第二、第三、第四臺階，左右側馬口交錯開挖，循環長度不大于80cm。
        4.7 GDK48+898.5～GDK48+950段塌方體處理施作三次大管棚，管棚每環42根，外插角為12°～15°，長度為15米，管棚與鋼架焊接牢靠；每環大管棚施工結束后，采用四臺階法對塌方體進行開挖，臺階尺寸與工序5相同；塌方體開挖結束后立即進行初期支護，支護參數與工序6相同；
        4.8 鋼架落底單側、單榀施作，并與仰拱鋼架封閉成環，仰拱與塌方體開挖掌子面距離不大于15m，二次襯砌與塌方體開挖掌子面距離不大于30m；
        4.9 初期支護后每隔10m布置一檢測斷面，變形量測在每次開挖結束后進行，測點布置見《觀測點示意圖》
        5 結論
        新響沙灣隧道GDK48+885～GDK48+950塌方段圍巖屬于中度膨脹，地質條件復雜，且處于富水段，因此，此次塌方較大。經過我單位人員嚴密組織以及采取合理的處理方案新響沙灣隧道膨脹土塌方段安全順利處理完畢。通過新響沙灣隧道膨脹土段的施工和塌方段處理，有以下幾點體會：
        5.1 膨脹土圍巖的“吸水膨脹，失水收縮”特性，特別是在富水洞段，隧道容易發生塌方，因此膨脹土隧道超前地質預報工作必須進行，以便提前預測工作面前方圍巖工程地質和水文地質情況。
        5.2 膨脹土圍巖隧道在開挖過程中或過程后，周邊土體容易向洞內膨脹突出，所以膨脹土隧道圍巖監控量測尤為重要。
        5.3 膨脹土隧道圍巖應力釋放是導致隧道塌方的主要原因，采取合適的開挖方式最為重要。塌方處理完畢后，新響沙灣隧道膨脹土圍巖洞身開挖方式為三臺階（上臺階預留核心土法）開挖，實踐證明此種開挖方式能夠較好的控制膨脹土開挖面的應力釋放。
        5.4 膨脹土圍巖隧道在開挖完成之后，圍巖變形一般在3～4周內發生，隧道的仰拱和二襯應及早進行封閉。尤其是仰拱施工，因為仰拱是隧道形成環向受力的關鍵工序，在施工中應最大程度上的縮短掌子面與仰拱之間的距離，使隧道形成環向受力。

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