隧道擴(kuò)挖改造穿越既有大型坍方施工技術(shù)
鄭仕躍
【摘要】：本文著重介紹既有隧道擴(kuò)挖改造過(guò)程中遇見(jiàn)的不同類型坍方，有針對(duì)性的提出了相應(yīng)的施工方案和方法，可為類似工程坍方處治提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】：隧道 擴(kuò)挖 坍方 處理
1.工程基本情況
既有鐘鼓山隧道位于廈門市思明區(qū)萬(wàn)石植物園附近，下穿鐘山和鼓山。為分離式雙車道隧道，分為鐘鼓山隧道A洞和B洞，A、B洞為既有隧道改造，既有鐘鼓山A洞為石拱結(jié)構(gòu)，于1984年經(jīng)由50年代人防洞室改造而成，B洞為混凝土結(jié)構(gòu)，為1994年修建而成�，F(xiàn)進(jìn)行隧道改造設(shè)計(jì)，將鐘鼓山隧道和萬(wàn)石山隧道之間采用匝道連通，形成一座完成的地下立交隧道（見(jiàn)圖1）。
鐘鼓山隧道A洞改造起訖里程：ADK0+250～ADK1+408，長(zhǎng)1158m。B洞改造起訖里程BDK0+090～BDK1+318，長(zhǎng)1228m。
既有鐘鼓山隧道A洞采用石拱襯砌結(jié)構(gòu)，石拱未與周邊圍巖密貼，有15～50cm左右的空腔（見(jiàn)圖2），由于暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，隨處可見(jiàn)既有石拱上的零星石塊。在原隧道施工時(shí)多處發(fā)生過(guò)大坍方，由于襯砌背后未作回填，襯砌上面有多處坍方堆積體，這些段落成為隧道改造的不良地質(zhì)。由于沒(méi)有詳細(xì)的地質(zhì)資料和竣工圖紙，很難準(zhǔn)確判斷坍方的具體里程和位置，給施工造成較大的難度。
既有鐘鼓山隧道B洞為混凝土結(jié)構(gòu)，二次襯砌和圍巖基本密貼（見(jiàn)圖3），也沒(méi)有詳細(xì)的地質(zhì)資料，通過(guò)對(duì)其竣工圖紙的研究 ，發(fā)現(xiàn)在既有隧道施工時(shí)，全隧共有6處采用管棚方式通過(guò)，有兩次較大的塌方。特別在鐘鼓山隧道B洞南段洞口附近，發(fā)生過(guò)冒頂，有較多的地下水，且改造的鐘鼓山隧道設(shè)計(jì)圖該段為并線四車道，跨度大，坍方處理施工難度最大。

 

 

 

2既有坍方概況
鐘鼓山隧道共穿越9條斷層，主要集中在洞口端，隧道中部較少。由于鐘鼓山隧道無(wú)詳細(xì)的地質(zhì)斷面圖，已有的地質(zhì)資料沒(méi)有顯示原隧道在施工過(guò)程中發(fā)生過(guò)坍方，但是在對(duì)既有鐘鼓山隧道進(jìn)行擴(kuò)挖過(guò)程中，逐步發(fā)現(xiàn)并處理了多處坍方。
在既有鐘鼓山隧道A洞擴(kuò)挖改造過(guò)程施工中，共發(fā)現(xiàn)并處理生了5次塌方，其發(fā)生的里程分別為：ADK1+077～+066，BDKO+381～+422，ADK0+947～+927，ADK0+660～+700，ADK0+495～+480，ADK0+465～+450。鐘鼓山隧道B洞由于既有隧道施工對(duì)大部分坍方都已經(jīng)處理過(guò)，且襯砌緊貼圍巖，只發(fā)生過(guò)一次坍方，發(fā)生在BDK0+883～+876。
在既有鐘鼓山隧道A洞的坍方體由于石拱結(jié)構(gòu)同圍巖之間存在的空腔，石拱結(jié)構(gòu)與周邊圍巖未能密貼，造成在對(duì)坍體進(jìn)行注漿固結(jié)時(shí)，漿液沿隧道縱向滲流，坍方體無(wú)法完全完成固結(jié)。
在已經(jīng)處理通過(guò)的6處既有坍方中，有5處發(fā)生了坍塌，由于既有襯砌起到支撐作用，在處理坍方體的過(guò)程中，坍方?jīng)]有擴(kuò)大。在5處已坍塌的塌方中，有3處發(fā)生冒頂；既有坍方體發(fā)生坍塌后形成較大坍腔：一種是在隧道開(kāi)挖輪廓線外有填充物，坍方體承載在既有襯砌拱部上方；另一種情況是在開(kāi)挖輪廓線外無(wú)填充物，形成了空腔。坍塌體的圍巖情況也有區(qū)別，有呈塊狀的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，坍方體空隙率大，漿液擴(kuò)散半徑大；有呈砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，注漿擴(kuò)散半徑很小，很難被固結(jié)成一個(gè)整體。根據(jù)這6次既有坍方的情況可以歸為以下幾種類型：
（1）既有坍方未再次發(fā)生塌方，既有襯砌完好。
（2）既有坍方體發(fā)生坍塌，坍方體內(nèi)填充物為塊狀的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；
（3）既有坍方體發(fā)生坍塌，坍方體內(nèi)填充物為砂礫狀的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；
（4）既有坍方體發(fā)生坍塌，在開(kāi)挖輪廓線外形成較大空腔；
（5）既有坍方體發(fā)生坍塌，發(fā)生冒頂。
3坍方處理方案和方法
鐘鼓山隧道A、B洞每個(gè)既有坍方的具體均不同，在“預(yù)加固，管超前、強(qiáng)支護(hù)、早封閉，固坍體，成整體，早受力”的原則下，針對(duì)坍方體的不同情況，制定不同施工方案。但不論那種情況首先在既有襯砌內(nèi)架設(shè)I20b型鋼臨時(shí)支撐，進(jìn)行加固。
3.1既有坍體未再次發(fā)生塌方，既有襯砌完好的施工方案及方法
3.1.1施工方案
如BDKO+381～+422，ADK0+495～+480段，既有的襯砌頂部發(fā)生過(guò)坍塌，在臨時(shí)支護(hù)型鋼完成后，從既有襯砌內(nèi)打設(shè)徑向注漿小導(dǎo)管對(duì)坍體進(jìn)行注漿固結(jié)，既有坍方體加固完成后，超前小導(dǎo)管按照正常破碎帶施工即可，開(kāi)挖采用臺(tái)階法進(jìn)行施工。如果圍巖為砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，則需要將小導(dǎo)管的環(huán)向間距調(diào)整為20～25cm左右即可順利通過(guò)。
3.1.2施工方法
在坍方體下方既有襯砌內(nèi)架立I20b型鋼，保證既有襯砌結(jié)構(gòu)的安全，型鋼間距為1.5m。型鋼之間采用φ22螺紋鋼連接。
根據(jù)坍體具體情況，首先將坍方體與既有襯砌之間噴射20cm厚混凝土封閉，然后從既有襯砌內(nèi)輪廓打設(shè)徑向注漿小導(dǎo)管，對(duì)坍方體注漿固結(jié)。φ42超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)5m，環(huán)向間距為30cm，外插角為20度左右，縱向間距為1.6m。鋼支撐采用I20b型鋼，間距為80cm，在拱腳增設(shè)φ42鎖腳錨桿，防止在拆除既有襯砌后型鋼發(fā)生下沉。φ22普通砂漿錨桿，間距為80cm×80cm，L=3.5m，每環(huán)布置31根，與型鋼焊接成一體，詳見(jiàn)圖4：坍方處理方案圖。
上臺(tái)階臺(tái)階高度以既有襯砌為標(biāo)準(zhǔn)，型鋼直接架立在既有襯砌上，待型鋼超前既有襯砌2～3后，可以拆除1m左右的既有襯砌，將型鋼落底。

 

 

 

 

3.2改造后既有坍方體發(fā)生坍塌，坍方體內(nèi)填充物為呈塊狀的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的施工方案及方法
要根據(jù)塌方發(fā)生在既有鐘鼓山隧道A洞或者B洞，在對(duì)坍方體的處理分別采用不同的方案：坍塌發(fā)生B洞，襯砌結(jié)構(gòu)同圍巖密貼（詳見(jiàn)圖5），注漿漿液不會(huì)沿襯砌結(jié)構(gòu)滲漏，首先對(duì)坍方口封堵，然后采用C20噴射砼將坍方體前后封閉，采用小導(dǎo)管對(duì)開(kāi)挖輪廓線外的坍方體進(jìn)行注漿固結(jié)，在開(kāi)挖輪廓線形成3m左右的固結(jié)體再開(kāi)挖。坍塌發(fā)生A洞，注漿時(shí)漿液會(huì)順著既有石拱襯砌結(jié)構(gòu)順流，固結(jié)效果差，注漿只考慮將坍方體固結(jié)，采用加密小導(dǎo)管的方式進(jìn)行超前支護(hù)，同時(shí)縮短型鋼間距及超前小導(dǎo)管的縱向間距，在超前小導(dǎo)管的支護(hù)下，按0.5m的進(jìn)尺逐步推進(jìn)，每推進(jìn)1m進(jìn)行徑向注漿，將開(kāi)挖輪廓線外的坍體進(jìn)行加固：坍方發(fā)生在A洞，共兩段，ADK1+077～+066，ADK0+947～+927。由于襯砌背后空洞較多，完全靠注漿將松散體固結(jié)成一個(gè)整體基本上不可能，只能采用高密度的小導(dǎo)管形成多層棚架，讓每環(huán)小導(dǎo)管之間的塊石不掉碴，注漿液目的是保證塊石之間的填充物能夠在塊石之間穩(wěn)定，不至于發(fā)生失穩(wěn)（詳見(jiàn)圖8）。在B洞段的就可以采用一次注漿將松散體固結(jié)后在開(kāi)挖。
①在既有坍方體下方既有襯砌內(nèi)架立I20b型鋼，保證既有襯砌結(jié)構(gòu)的安全，型鋼間距為1.5m。型鋼之間采用φ22螺紋鋼連接。
②封閉既有坍方松散體，在松散體表面噴射20cm厚C20噴射砼，將坍方體封閉，防止在注漿時(shí)漿液外流。
③φ42小導(dǎo)管對(duì)坍方體進(jìn)行固結(jié)，主要是針對(duì)開(kāi)挖輪廓線外的松散體進(jìn)行固結(jié)，利用塊石結(jié)構(gòu)的空隙率較大，漿液擴(kuò)散半徑大的的特性，注漿的目的是保證塊石之間的填充物能夠在塊石之間穩(wěn)定，不連續(xù)漏碴，導(dǎo)致塊石失穩(wěn)。但是在B洞段的可以采用一次注漿將松散體固結(jié)后在開(kāi)挖。漿液注漿采用1:1的水泥掖漿。
④φ42超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)5m，環(huán)向間距為30～35cm，外插角為20度左右，縱向間距A洞為1.0m，B洞為1.6m。I20b型鋼，間距為80cm，在拱腳增設(shè)φ42鎖腳錨桿并注漿，在拱腳位置墊木版增大受力面積，防止在拆除既有襯砌后型鋼發(fā)生下沉。
⑤開(kāi)挖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階高度以不拆除既有襯砌拱為標(biāo)準(zhǔn)，局部爆破配合人工開(kāi)挖，A洞開(kāi)挖進(jìn)尺控制在50cm，開(kāi)挖初噴10cm厚的噴射砼封閉掌子面，防止掌子面前方的松散體掉塊造成再次坍方，并注少量漿液將在塊石之間小塊粒徑的填充物能夠粘結(jié)即可，不需要（也不能）全部固結(jié)，B洞開(kāi)挖進(jìn)尺1.6m。
⑤I20b型鋼，間距80cm,打設(shè)超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，下導(dǎo)坑的開(kāi)挖同第一種情況。
⑥在上下導(dǎo)坑都通過(guò)坍方地段后，對(duì)初期支支護(hù)背后圍巖采用1：1的水泥漿液進(jìn)行固結(jié)，在開(kāi)挖輪廓線外形成保護(hù)護(hù)拱。

 

 

3.3既有坍方體發(fā)生坍塌，坍方體內(nèi)填充物為含水量較大的砂狀土
3.3.1施工方案
坍塌發(fā)生ADK0+465～+450段，考慮到含水量較大的砂狀土注漿擴(kuò)散半徑較小，注漿效果差，單靠注漿很難通過(guò)，只有加密超前小導(dǎo)管，每榀型鋼都打設(shè)超前小導(dǎo)管，在拱架上方形成多層棚架，同時(shí)調(diào)整超前小導(dǎo)管之間的環(huán)向距離，利用漿液的固結(jié)作用，將每層小導(dǎo)管之間的松散體形成固結(jié)體，每層小導(dǎo)管形成的棚架只負(fù)責(zé)承擔(dān)一小部分的松散體的壓力，完全可以通過(guò)。但是在開(kāi)挖時(shí)要控制循環(huán)進(jìn)尺，不超過(guò)80cm，同時(shí)調(diào)大預(yù)留沉落量為15cm，抵消掉拱架下沉量，保證隧道的襯砌凈空尺寸。
3.3.2施工方法
在發(fā)生坍方后，該處坍方為既有坍方，完全風(fēng)化狀態(tài)，呈細(xì)紗狀，同時(shí)在長(zhǎng)期的雨水的作用下，密實(shí)度好，滲透系數(shù)很小，注漿漿液只能在小導(dǎo)管周圍形成直徑為30cm左右的柱狀體�？紤]到機(jī)械設(shè)備的現(xiàn)狀，基本按照第二種坍方體的處理方式進(jìn)行施工，只是在利用注漿達(dá)到的效果和目的有區(qū)別。
①在既有坍方體下方既有襯砌內(nèi)架立I20b型鋼，保證既有襯砌結(jié)構(gòu)的安全，型鋼間距為1.5m。型鋼之間采用φ22螺紋鋼連接。
②封閉既有坍方松散體，在松散體表面噴射20cm厚C20噴射砼，將坍方體封閉，防止在注漿時(shí)漿液松散體發(fā)生坍塌。
③φ42超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)5m，環(huán)向間距為15~20cm，外插角為20度左右，縱向間距1.0m。沿開(kāi)挖輪廓線對(duì)坍方體進(jìn)行固結(jié)，將小導(dǎo)管之間的松散體固結(jié)，在小導(dǎo)管之間形成直徑30cm的柱狀體，形成一環(huán)向固結(jié)體，有效的防止砂礫從小導(dǎo)管之間的空隙滲，小導(dǎo)管上部的松散砂狀土保持穩(wěn)定。注漿壓力為2.0MPa，超前小導(dǎo)管的注漿量以直到漿液全部從孔口流出為標(biāo)準(zhǔn)，注漿后要達(dá)到在開(kāi)挖后不能有漏。注漿采用1：1的水泥掖漿。
④I20b型鋼，間距為50cm，在拱腳增設(shè)φ42鎖腳錨桿并注漿，在拱腳位置墊木版增大受力面積，防止在拆除既有襯砌后型鋼發(fā)生下沉。
⑤開(kāi)挖采用臺(tái)階法開(kāi)挖，臺(tái)階高度以不拆除既有襯砌拱為標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)挖采用挖機(jī)配合人工施工，進(jìn)尺控制在50cm，開(kāi)挖后初噴10cm厚的噴射砼封閉掌子面，防止掌子面前方的松散體在自重和水的浸蝕下發(fā)生失穩(wěn)，造成再次坍方，
⑥在上下導(dǎo)坑都通過(guò)坍方地段后，對(duì)初期支支護(hù)背后圍巖采用1：1的水泥漿液進(jìn)行固結(jié)，在開(kāi)挖輪廓線外形成保護(hù)護(hù)拱。
按照以上措施進(jìn)行處理后，經(jīng)對(duì)圍巖的監(jiān)控分析后，判斷圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工方案既能加快施工進(jìn)度，又能確保減少投資。
3.4既有坍方體發(fā)生坍塌，在開(kāi)挖輪廓線外形成較大空腔施工方案及方法
3.4.1施工方案
坍塌后的坍方體量在既有隧道內(nèi)的方量不足以將坍腔封閉，且空腔壁已經(jīng)基本穩(wěn)定，如BDK0+883～+876段，該空腔無(wú)法采用注漿固結(jié)的手段通過(guò)，利用未坍方地段已架立好的型鋼架，在型鋼拱部鋪設(shè)采設(shè)管棚，管棚伸過(guò)坍腔，在坍腔下部型鋼上部形成安全網(wǎng)，保護(hù)施工工人的安全。在管棚下架設(shè)型鋼，再對(duì)拱架上部泵混凝土回填形成保護(hù)層（詳見(jiàn)圖7）。如果坍塌后形成的空腔很大，高度較高，且空腔壁沒(méi)有穩(wěn)定，不時(shí)從坍腔中掉塊，形成的坍塌堆積體量大，如ADK0+660～+700段發(fā)生的坍方，可以用洞渣將空腔回填一部分，其余采用噴漿機(jī)噴射砂進(jìn)行回填，直到拱頂開(kāi)挖輪廓外3m,然后采用注漿將松散體進(jìn)行固結(jié)，達(dá)到漿液將開(kāi)挖輪廓線外3m回填砂全部固結(jié)，此時(shí)吹填砂的高度肯定隨漿液會(huì)發(fā)生沉降，但要保證在開(kāi)挖輪廓線形成一圈固結(jié)的松散體，然后采用加密超前超前小導(dǎo)管通過(guò)，經(jīng)處理后，圍巖收斂處于穩(wěn)定。
3.4.2施工方法
(1)坍腔壁已經(jīng)基本穩(wěn)定的情況：在坍腔拱部形成了一個(gè)坍塌空腔：寬11m，長(zhǎng)7m，頂部高度20m左右。
①在坍塌前方未拆除襯砌段采用I20型鋼做臨時(shí)支撐，對(duì)既有襯砌進(jìn)行加固，臨時(shí)拱架縱向間距為1.5m。
②在靠近坍方段的已架立好型鋼拱部上加Φ108鋼管，環(huán)向間距為0.8m，長(zhǎng)15m，在管棚上部增加鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片采用Φ22和Φ6.5鋼筋連接成片，Φ22鋼筋間距為50cm×50cm，Φ6.5鋼筋間距為10cm×10cm；在坍塌空腔段拱部形成棚架，防止坍塌空腔內(nèi)掉塊，保證施工安全。
③在管棚下架設(shè)I20b型鋼，縱向間距為80cm，C20噴射砼。但是在進(jìn)行噴射砼之前，要在拱部埋設(shè)多根150鋼管，待通過(guò)該段坍方空腔后用在拱部回填1.5m厚C20混凝土作為緩沖層，保護(hù)襯砌安全。
④在按照此方案施工過(guò)后，但是初步穩(wěn)定的空腔壁放生了坍塌，導(dǎo)致冒頂，山頂發(fā)生沉陷，形成了一個(gè)達(dá)大的土坑。但是洞內(nèi)的初期支護(hù)沒(méi)有發(fā)生變形，圍巖變形穩(wěn)定。

 

 

 

(2)空腔壁沒(méi)有初步穩(wěn)定的情況，如ADK0+660～700段
該處在線路左側(cè)既有襯砌拱部有一長(zhǎng)20m，寬10m左右的空腔，在既有襯砌拱部有坍塌體，與隧道斜交，塌方位置發(fā)生在拱部，連續(xù)一周一直不停的在掉塊，將既有隧道全部堵塞，該處埋深有90m左右。
①在坍方體處的采用洞渣回填至一定高度，然后砌筑擋墻將坍塌位置全部封閉，擋另一側(cè)采用C20噴射砼封閉。
②利用預(yù)留在擋墻處的φ100的鋼管向擋墻背后坍塌形成的空腔吹填中粗砂，拱頂以上3m的范圍全部用回填密實(shí)。
③φ50鋼管注漿，長(zhǎng)10m，直接中粗砂中穿過(guò)，1：1的水泥單液漿，局部采用小導(dǎo)管注漿作為補(bǔ)充，將坍方體全部固結(jié)（詳見(jiàn)圖8）。
開(kāi)挖采用側(cè)壁導(dǎo)坑，多級(jí)臺(tái)階施工，首先施工 線路左側(cè)圍巖較好地段，右側(cè)臺(tái)階采用3臺(tái)階法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺80cm。

 

 

 

3.5既有坍方體發(fā)生坍塌，發(fā)生冒頂施工方案及方法
本隧道在施工中共發(fā)生3次冒頂，分別在ADK1+077～+066，BDK0+873～+861， ADK0+465～+450，在按照前述施工方法度過(guò)該段后，分別對(duì)山頂發(fā)生冒頂點(diǎn)進(jìn)行加固處理，在ADK1+077～+066段，由于坍塌方量不大，埋深30m左右，在對(duì)冒頂點(diǎn)進(jìn)行回填處理，并以厚1m厚的混凝土封閉后，處以粘土回填表面，冒頂處沒(méi)有再發(fā)生繼續(xù)沉陷現(xiàn)象，即使有水滲入山體，也隨隧道的排水系統(tǒng)排除，也形不成承壓水，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全沒(méi)有影響。
在ADK0+465～+450段埋深50多米，松散的坍塌體的輜重基本靠支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，同時(shí)由于砂礫狀花崗巖滲水性能較差，必須不能地表水滲入山體，形成承壓水，影響隧道結(jié)構(gòu)安全。在冒頂?shù)奶幚恚�考慮的是對(duì)冒頂?shù)胤竭M(jìn)行地表深體注漿，將松散體固結(jié)，同時(shí)可以防止地表水滲流入山體，對(duì)隧道安全構(gòu)成隱患。
BDK0+873～+861段在施工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生冒頂，在將該段施工過(guò)后，且施工完二次襯砌后，由于大量的雨水浸蝕，使得原穩(wěn)定的坍腔壁放生坍塌，造成地表塌陷。該處的處理主要是防水，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全不構(gòu)成影響。采用混凝土將冒頂點(diǎn)封閉后，用粘土回天碾壓密實(shí)即可。
在BDK1+150～+160段既有隧道發(fā)生了冒頂，在山坡上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2個(gè)明顯的深坑，該段屬于鐘鼓山隧道并線段大斷面，埋深只有10m,為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)度低，斷面跨度大，常規(guī)的大管棚基本上無(wú)法嵌入基巖，遂建議按照明挖通過(guò)該段，以保施工安全。
4體會(huì)和認(rèn)識(shí)
總之，在處理既有坍方，必須保證在強(qiáng)超前的預(yù)支護(hù)下，謹(jǐn)慎進(jìn)行開(kāi)挖，保證開(kāi)挖后不再發(fā)生坍塌，加強(qiáng)初期支護(hù)的力度，有效的保護(hù)開(kāi)挖成果。對(duì)既有隧道的擴(kuò)挖采用“短進(jìn)尺、弱爆破”分臺(tái)階法分部開(kāi)挖，及時(shí)將鋼架落底形成受力結(jié)構(gòu)體，通過(guò)坍方地段后對(duì)坍方體背后的圍巖進(jìn)行注漿加固，將松散巖體固結(jié)成整體，充分利用圍巖自身的穩(wěn)定，承擔(dān)一部分應(yīng)力，充分保證結(jié)構(gòu)安全。
 

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