梅沙隧道洞口塌方原因分析及治理.pdf

公路交通技术 2009年 10月 第 5期 Technology ofH ighway andT ransport Oc.t 2009 No.5基金项目:西部交通建设科技项目(200731879980)收稿日期:2009-04-02作者简介:彭爱红(1973-),男,江西省南昌市人,本科,工程师.梅沙隧道洞口塌方原因分析及治理彭爱红1,王 琛2,俞文生3(1.江西省公路桥梁工程局,南昌 330009;2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系,上海 200092;3.江西省交通厅武吉高速公路项目部,江西 上高 336400)摘 要:江西武宁至吉安段(简称/武吉0)高速公路梅沙隧道是大庆到广州高速公路的重要工程。隧道在进口段K163+420处发生塌方。结合现场监测资料,对洞口塌方原因进行分析研究,针对不同的塌方原因,采取明洞开挖、边坡护理、地基加固等治理措施,并对治理效果进行监测。关键词:公路隧道;洞口塌方;原因;治理文章编号:1009-6477(2009)05-0111-04 中图分类号:U459.2 文献标识码:BAnalysis ofCauses ofLandslide atM eisha TunnelPortal and TreatmentPENG Aihong1,WANG Chen2,YU Wensheng3 在隧道建设中,塌方是最常见也是最严重的危害。一旦塌方发生,不仅延误工期、大幅度地提高工程费用,而且也会危及施工、技术人员的生命安全,还会造成工程质量隐患,给维修养护工作带来极大困难,甚至使隧道无法正常使用。所以对塌方的研究已成为隧道界长期关注的焦点 1-3。而作为塌方发生最集中的隧道进出口段,也就成为了研究焦点中的焦点。目前,对于塌方原因以及处理方案的研究已经开展较多 4-7,但由于受工程监测发展滞后及现场工程数据获取困难等因素的制约,塌方原因分析都难以与工程监测数据结合,塌方处理的效果也难以得到监测 8-10。本文以武吉高速公路梅沙隧道典型洞口塌方事故为背景,结合现场地质条件及现场监测数据,对塌方原因进行全面分析研究,提出了具有针对性的塌方治理措施,并对塌方处理效果进行监测,力求为以后的塌方处理提供科学依据。1 工程概况梅沙隧道位于上高县南港镇梅沙村,起止桩号为 K163+360 163+572。设计长度 212m,设计路面标高 86.073(进口)85.25(出口)m。隧道区属构造剥蚀和构造溶蚀地貌,横穿一近东西向山梁,地势较陡,平均自然坡角约 30b,相对高差 80 m。地表植被发育,主要为灌木丛和庄稼。进口采用削竹式洞门形式,出口采用端墙洞门形式。隧道构造上位于蒙山背斜的北翼,地层单向南倾,产状 190b 210b,夹角 35b 55b。该隧道出口发育一正断层,该断层发育于三叠系地层内,总体向北倾,倾角 40b 60b,下盘灰岩上冲而重复出现。2 塌方状况与原因分析2.1 塌方状况2007年 9月 8日,当掌子面开挖至 K163+420,约进洞 60 m时,洞口周边开始大面积变形,周围土体出现多条裂缝,裂缝宽度最大至 50 cm,并最终导致土体失稳,土体整体下滑,隧道初期支护承担荷载超过设计值。由于支护内钢筋屈服,混凝土脱落,最终导致隧道全面塌方,见图 1。2.2 塌方原因分析2.2.1 塌方不利因素导致本次塌方的不利因素有:进口段岩层薄弱,上部土体厚度不够,无法形成应力拱,多次发生小塌方造成土体松散,加之连日降水,使进口段形成塌方极易发生带。需要特别指出的是,之前发生的多次小塌方造成了岩层错位、离散,岩性强度降低,破碎加大,极大地影响了后续的塌方治理及施工。同时,回填土体与原土体的差异性,造成它们之间存在薄弱带,促进了 裂缝的产生和发育,见图 1。从图中可以明显看图 1 塌方处工程概况出,处理过的土体与原土体之间的结合带是裂缝产生的多发处,因此在洞口施工中遵循/谨慎进洞 0十分必要。2.2.2 原因分析在梅沙隧道塌方处共埋设了 6个位移监测点(图 2),并监测到塌方前的位移沉降状况(图 3)。从图 3中可以看出:1)3月 6日之前,各点的沉降量虽有波动但变化不大,沉降量 u都在 20 mm 以内。2)3月 6日之后,P2、P3、P6这 3个测点的位移变化十分明显,沉降量 u明显增加,最高超过了 100 mm。3)3月 6日之后,P2、P3、P6的沉降呈加速趋势,没有平缓的迹象(表 1)。图 2 位移监测点布置从以上数据可以看出:1)曲线大体可分为 3个阶段。第 1阶段为平图 3 梅沙隧道进口边坡塌方处地表下沉曲线稳阶段,从 1月 6日)2月 6日,曲线成水平状,基本无沉降,即 u=0,du/dt=0,d2u/dt2=0。第 2阶段为沉降阶段,从 2月 6日)3月 6日,曲线先经过一个下降阶段,然后又进入一个平稳阶段,曲线成下凹状,此时 u 0,du/dt 0,说明由于隧道的掘进和土体的蠕变作用,土体开始变形下沉,但由于 d2u/dt20,说明沉降正在进一步减小,土体在新的位置又趋于稳定。第 3阶段为加速阶段,从 3月 6日)3月 26日,曲线进一步下降,并且成上凸状,此时 d2u/dt2 0,就预示着土体正在加速沉降,土体已经失稳,如果不采取措施,塌方即将发生。2)大约在连拱隧道 2个外拱脚上部,出现了 2条明显的滑移线(图 2),使得滑移线内部土体与两侧分离,其内部土体重量全部落到连拱初期衬砌,从而压垮隧道,造成全面塌方。塌方起始于外拱脚上部土体的滑移沉降,而这部分沉降明显是由于拱脚的沉降引起。上部土体与外部土体的分离,使得施加在初期支护拱顶上的土体重量增加,而初期支护的拱顶又把压力传递至拱脚部,加剧了拱脚沉降,致使上部土体与周围土体分离加速,这种相互影响作用极大地加速了塌方的发生。3 塌方治理在全面分析塌方原因后,对塌方进行了有针对性的治理。由于上部土体无法形成应力拱,故采用暗洞明做;为了解决周围土体的稳定性,对周围土体进行加固;对于外拱脚的沉降,进行拱脚地基加固。3.1 暗洞明做考虑到进口处山体整体坍塌,隧道已不具备成洞条件,故将 K163+376 K163+400段暗洞明做。对进口地表开裂及坍塌区域进行逐台清除松散土和表层刷坡处理,边清表、边防护。坡顶面沿K163+430断面裂缝开始刷坡,K163+403坍塌通天处按 1B0.95放坡。减少松散土体坍塌时再次牵引上层土体的稳定,保证山体稳定,同时隧道上方边仰坡刷坡,松散土体清除,这样不仅节约工期,而且在下部隧道施工时,施工安全系数提高。施工流程见图 4。3.2 边仰坡防护1)隧道拱顶标高 5 m以上的仰坡面范围内,采用 5 42mm 3.5 mm 小导管注浆加固。导管长 6.0m,间距 1.0 m 1.0 m,矩形布置,导管中间加密 3m长 5 22mm砂浆锚杆。坡面采用 15 cm厚 C20钢筋网喷射混凝土防护,钢筋网采用 5 8 mm 钢筋,间距 20 c m 20 cm。2)左侧边坡采用 4.0 m 长 5 22 mm 砂浆锚杆挂网锚喷,间距 0.8 m 0.8 m,钢筋网采用 5 8 mm钢筋,间距 20 c m 20 cm,喷射混凝土为 C20。右侧边坡上部松散层参照仰坡防护措施,下部稳定部分采用 4.0 m 长 5 22 mm 砂浆锚杆挂网锚喷,间距018 m 0.8 m,钢筋网采用 5 8 mm 钢筋,间距 20cm 20 cm,喷射混凝土为 C20。3)沿隧道坍塌面外裂缝(约 K163+440)两侧,垂直地表面各施工 2排 5 108 mm 钢管,进行深层注浆处理,钢管长度 15m,间距 1.0 m。3.3 进口段地基处理隧道主洞软弱地基处理采用 5 108 mm 6 mm注浆管加密地基,加强钢管的支撑及挤密效果,布置40 c m 40 cm间距钢管桩,由钢管及挤密后的地基共同承载,钢管为主要承载结构。在钢管上部设置起约束与平均分散承载应力作用的 1.5 m厚钢筋混凝土承台,以保证钢管的承载效果。4 治理效果监测对塌方段进行治理后,在隧道初期支护拱顶和周边土体重新进行布点,以监测塌方的治理效果。采集沉降数据,拱顶下沉曲线见图 5,周边土体位移图 4 施工流程113 2009年 第 5期 彭爱红,等:梅沙隧道洞口塌方原因分析及治理曲线见图 6。从收集的监测数据可以看出,拱顶最大沉降为 6 mm,并有一段向上隆起,这主要是由于塌方处理后各部分相互作用的结果。周边位移沉降量 u最大为 10mm,后期位移线平滑,d2u/dt2 0,说明沉降趋于稳定。在塌方治理后,初期支护和周边土体仍有一定的沉降波动,但最终都趋于稳定,说明塌方治理获得成功。5 结语1)隧道洞口塌方的产生与地质条件和施工方 法有着密不可分的关系。梅沙隧道进口处围岩破碎,地质条件恶劣,是造成塌方的主要原因。2)洞口塌方处理后的土体不利于土体的整体稳定,处理过的土体与原土体的结合部是裂缝多发地带。3)连拱隧道洞口整体塌方起始于洞口外拱脚上部土体的滑移沉降,因此要做好拱脚处的地基处理,这有利于避免塌方。4)隧道洞口位移监测十分必要,可有效避免塌方,并且还有助于预报塌方的产生,避免人员伤亡。参 考 文 献 1 冯卫星.铁路隧道设计 M.成都:西南交通大学出版社,1998.2 冯卫星,况 勇,陈建军.隧道坍方案例分析 M.成都:西南交通大学出版社,2002.3 霍玉华.浅埋公路隧道施工塌方事故的预防与整治技术研究 J.中国安全科学学报,2005,15(7):84-89.4 刘巨海,王建章,牛国松.阳坡隧道塌方原因分析及处理方案探讨 J.中外公路,2007(5):96-98.5 宋宁强,高文涛,王铁文.渝湘高速公路黑水 1号隧道塌方整治措施 J.公路交通技术,2007(增):107-109.6 钟云健,张兴来.竹林坪隧道左线大塌方的抢险与处治设计方案 J.公路交通技术,2007(增):111-116.7 李志厚,杨晓华,来弘鹏,等.公路隧道特大塌方成因分析及综合处治方法研究 J.工程地质学报,2008,16(6):806-812.8 黄新社.隧道衬砌裂缝及渗漏水治理技术 J.隧道建设,2006,26(3):32-35.9 交通部公路科学研究院.JTG D81)2006 公路交通安全设施设计规范 S.北京:人民交通出版社,2006.10 中交第一公路勘察设计研究院.JTG D80)2006 高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范 S.北京:人民交通出版社,2006.114 公 路 交 通 技 术 2009年