隧道軟弱斷層破碎帶施工控制技術(shù)研究

高攀科，毛紅梅，宋秀清，吳恒濱

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000;2.中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041）

隧道軟弱斷層破碎帶施工控制技術(shù)研究

高攀科1，毛紅梅1，宋秀清1，吳恒濱2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000;2.中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041）

以正陽隧道軟弱斷層破碎洞段為研究對象，分析了施工過程中出現(xiàn)的坍方、拱頂落石、掌子面涌泥、支護(hù)開裂剝落等造成施工障礙的工程難題，結(jié)合隧道所處地質(zhì)條件、地理位置及施工措施等因素?cái)M定安全施工控制技術(shù)方案，施工實(shí)踐效果良好，可供同類工程參考。

隧道;軟弱圍巖;破碎帶;施工控制

1 工程地質(zhì)概況

正陽隧道隧址山體地貌屬于構(gòu)造剝蝕溶蝕地貌，經(jīng)歷了海拔600 m左右、800 m左右2個(gè)溶夷谷地的垅崗谷地型巖溶組合地貌和脊?fàn)畹椭猩降孛矄卧渲腥档貙右话憬M成高差在80～100 m左右的溶蝕山丘及洼地，構(gòu)成垅崗谷地型巖溶組合地貌的中心;二迭系地層多組成渾圓高大的山體，構(gòu)成垅崗谷地型巖溶組合地貌的邊緣;志留系地層多組成鰭脊?fàn)钌胶推籂钌健^(qū)內(nèi)山頂海拔最高處為907 m，溝谷最低處海拔約622 m，地形最大切割深度約285 m。左線隧道進(jìn)口段山坡坡向約170°，自然坡度約18°，出口段山坡坡向約327°，自然坡度約20°;右線隧道進(jìn)口段山坡坡向約180°，自然坡度約15°，出口段山坡坡向約337°，自然坡度約20°。其中路線走向與區(qū)內(nèi)最高峰山脊走向呈約45°夾角斜交。

正陽隧道YK31+212～428段地質(zhì)為硬巖和軟巖互層，較破碎。裂隙溶裂較多，張開度大都可達(dá)1 m，內(nèi)充填粘土及碎石，裂隙溶隙水發(fā)育，局部有股狀流，易產(chǎn)生塌方，圍巖穩(wěn)定性差;據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示，YK31+365～320段為軟硬巖變化接觸帶、溶蝕帶或裂隙發(fā)育帶，含水夾泥、溶槽、溶隙。

2 施工情況

施工單位在YK31+390～365段洞身開挖支護(hù)施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，該段洞身正處于一軟弱斷層破碎帶，并據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)勘測至YK31+320均為此種地質(zhì)類型。從已開挖段來看圍巖分別有黃色砂粘土夾塊石層、灰褐色及黃色塑性粘土層、黃色流塑性砂土層、灰褐色砂土夾孤石層(單顆孤石0.5～3.0 m3，重約1.5～7.5 t），并有裂隙水發(fā)育，自穩(wěn)能力極差，施工時(shí)多次發(fā)生坍方、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害(見圖1）。

圖1 掌子面YK31+371拱部涌泥

隧道埋深90～110 m，地表地貌為一堆積溝谷，主要為砂石土夾孤石(旱地）及水稻田，與隧道內(nèi)土質(zhì)相似(見圖2）。現(xiàn)地表已出現(xiàn)多條裂縫，地表水存在下滲現(xiàn)象(見圖3）。

圖2 隧道地表地貌

圖3 隧道地表開裂

為應(yīng)對YK31+390～365段軟弱圍巖破碎帶，施工中采取了增強(qiáng)初期支護(hù)及二襯(S4b變更為S5c）及增加超前小導(dǎo)管支護(hù)的變更措施。當(dāng)掌子面開挖至YK31+365時(shí)，掌子面及拱頂均為直徑約0.5～3.0 m3，石塊堆積而成，石塊與石塊間空隙大，少有填充物(見圖4），如按常規(guī)施工方法開挖掘進(jìn)極易造成拱部失穩(wěn)而坍塌。而YK31+380～365段已進(jìn)行的初期支護(hù)噴射砼出現(xiàn)了多條裂縫(見圖5）。施工單位隨即停止了開挖掘進(jìn)。

圖4 拱部塊石堆積層

3 軟弱破碎帶施工控制技術(shù)分析

圖5 支護(hù)開裂剝落

據(jù)正陽隧道施工圖設(shè)計(jì)地質(zhì)描述，此處存在2條暗河對擬建隧道有較大影響。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)推測該斷層破碎帶的長度，結(jié)合掌子面實(shí)際開挖地質(zhì)及地下水狀況，初步推測極有可能與之相連通，直接危及隧洞繼續(xù)掘進(jìn)及人員安全;如沉降及收斂得不到有效控制，將造成初期支護(hù)及二襯開裂，影響今后的運(yùn)營安全。因此，有必要對該段支護(hù)及襯砌進(jìn)行有針對性采取加強(qiáng)措施。

YK31+365～320段的掘進(jìn)施工主要難點(diǎn)(危險(xiǎn)因素）在于:周邊圍巖主要由塊石堆積而成，塊石間少有填充物，粘結(jié)力小，在未擾動(dòng)的情況下處于平衡狀態(tài)，開挖后新的臨空面形成，一旦有一顆塊石失穩(wěn)就有可能形成聯(lián)動(dòng)效應(yīng)而產(chǎn)生大規(guī)模坍塌;其次初支周邊圍巖均為塊石堆積，圍巖的自穩(wěn)能力差(拱效應(yīng)無法形成），圍巖的應(yīng)力主要由初期支護(hù)來承擔(dān)，在隧道埋深在90～110 m的情況下初期支護(hù)是無法承受其施加的巨大壓力的。因此必須采取可靠的超前支護(hù)措施(超前自進(jìn)式錨桿）防止拱部滑坍，確保施工安全;其次在初期支護(hù)周邊一定圍巖范圍內(nèi)利用噴射砼及注漿對巖塊間的空隙填充密實(shí)，利用其產(chǎn)生的粘結(jié)力及相互摩擦力阻止塊石間的相互滑移，使圍巖具有一定的自穩(wěn)能力;最后通過提高初期支護(hù)的鋼支撐、鋼筋網(wǎng)、錨桿的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使其能承受較大的圍巖應(yīng)力。

4 施工加固處理方案

根據(jù)上述施工情況，針對軟弱圍巖斷層破碎帶YK31+365～320段采取輔助施工加強(qiáng)、初期支護(hù)加強(qiáng)、二襯加強(qiáng)的措施，采用S5d襯砌類型(見圖6），其中局部為S5c襯砌，具體方案分述如下。

4.1 輔助施工

YK31+365～320段采用自進(jìn)式錨桿及普通藥卷錨桿超前支護(hù)。自進(jìn)式錨桿采用R38，長7 m，分別在YK31+365、YK31+350、YK31+335共設(shè)置3環(huán); 22 mm超前錨桿作為對R38自進(jìn)式錨桿的補(bǔ)充，每根長4.0 m，每環(huán)設(shè)置35根，1.0 m(2榀工字應(yīng)盡量可能的小，以充分發(fā)揮其超前支護(hù)作用。

圖6 S5d襯砌斷面圖

(5）自鉆式錨桿的連接同一斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭須錯(cuò)開1 m。

(6）破碎帶采用人力風(fēng)鎬開挖，嚴(yán)禁放炮施工，以減小對圍巖的擾動(dòng);五部法施工時(shí)臺(tái)階長度宜短，應(yīng)及時(shí)支護(hù)及仰拱襯砌。五部法施工見圖7。鋼）設(shè)一環(huán)。

圖7 軟弱圍巖開挖方案示意圖

4.2 初期支護(hù)加強(qiáng)

YK31+365～320段初期支護(hù)采用20B工字鋼(S5c設(shè)計(jì)18號工字鋼），工字鋼間距0.5 m; 22 mm連接筋0.25 m(S5c設(shè)計(jì)1.0 m）;采用 14 mm雙層鋼筋網(wǎng)(S5c原設(shè)計(jì) 8 mm）;噴射砼將塊石間的空隙填充密實(shí);系統(tǒng)錨桿采用 42 mm小導(dǎo)管(S5c設(shè)計(jì)D25中空錨桿），長4.0 m(S5c設(shè)計(jì)3.0 m），并采用水泥水玻璃雙液注漿，注漿參數(shù):水泥漿水灰比1∶1，水泥漿水玻璃體積比1∶0.5;預(yù)留沉落量設(shè)為12 cm(S5c設(shè)計(jì)為10 cm）。

4.3 二次襯砌加強(qiáng)

YK31+365～320段二襯厚度設(shè)計(jì)為60 cm (S5c設(shè)計(jì)為45 cm），主筋間距設(shè)計(jì)為20 cm(S5c設(shè)計(jì)為25 cm）。

6 結(jié)語

由隧道軟弱圍巖破碎帶施工過程治理實(shí)踐，得出坑道掘進(jìn)過程中，通過監(jiān)測圍巖變形，并及時(shí)采取有效的支護(hù)方案，部分施工塌方是可以避免的。上述施工方案能及時(shí)控制軟弱圍巖快速變形及塌方，將破碎巖石塌落形成的壓力拱下方坑道側(cè)壁的支護(hù)與頂部巖石破碎拱圈支護(hù)結(jié)合起來，收到良好的治理效果，可供類似工程參考。

5 施工注意事項(xiàng)

(1）嚴(yán)格按步驟施工，上一工序未施工完不得進(jìn)入下一道工序施工。

(2）施工前應(yīng)由施工技術(shù)人員對施工班組進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底，現(xiàn)場施工負(fù)責(zé)人現(xiàn)場指揮，并設(shè)有安全防護(hù)及專人進(jìn)行安全觀測，如有異常情況及時(shí)進(jìn)行應(yīng)對處理。

(3）坍方段度過后根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時(shí)施作二次襯砌，確保施工安全。

(4）因操作空間比較狹小，自鉆式錨桿的仰角

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Study on the Controlling Technology for Tunnel Construction in Soft and Weak Fault Fracture Zone

GAO Panke1，MAO Hong-mei1，SONG Xiu-qing1，WU Heng-bin2(1.Shannxi Railway Institute，Weinan Shannxi 714000，China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS，Chengdu Sichuan 610041，China）

With the case of a soft and weak fault breaking segment of Zhengyang tunnel，the study was made on the construction problems of collapse，rock falling from the arch，slurry squeezing out from tunnel face and lining fissuring.Considering the geological conditions，geography position and the construction measures，a controlling technology scheme was made for safe tunnel construction with good practical effects.

tunnel;soft and weak surrounding rock;fracture zone;construction control

U455.49

:A

:1672－7428(2012）10－0069－03

2012－04－11

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“軟巖隧道施工控制理論研究”(2011－42）

高攀科(1984－），男(漢族），河南郟縣人，陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，從事隧道及地下工程研究和教學(xué)工作，陜西省渭南市站北路東段1號，gpkkyy@163.com。