黎家灣隧道不良地質(zhì)段施工控制技術(shù)研究

程 佳 戰(zhàn)啟芳 劉訓(xùn)臣

(石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸有了更大的需求，然而我我國(guó)山地面積廣泛，約占全國(guó)總面積的 60%，因此隧道建設(shè)顯得極為重要。由于對(duì)環(huán)境的保護(hù)要求和施工技術(shù)不斷提升，隧道建設(shè)不可避免地要穿越富水、偏壓、淺埋、破碎圍巖等不良地質(zhì)段，給項(xiàng)目施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。本文依托巴達(dá)鐵路黎家灣隧道工程，針對(duì)其不良地質(zhì)段提出相應(yīng)的施工控制措施，并對(duì)其施工效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而評(píng)價(jià)控制措施，可為類似工程提供參考意義。

2 工程概況

黎家灣隧道位于丘陵地區(qū)，地貌受到侵蝕，地形起伏小，地面標(biāo)高在386～430 m之間。坡腳和山坡處基巖被侵蝕特征明顯，山頂呈現(xiàn)馬鞍形。隧道出口處通過(guò)202省道，交通較便利。隧道范圍內(nèi)上覆坡殘積粉質(zhì)粘土、坡洪積粉質(zhì)粘土、坡崩積粉質(zhì)粘土夾塊石，隧道以下土質(zhì)為上沙廟組砂巖夾泥巖，隧道洞口范圍內(nèi)有薄層黃土，基巖面起伏及風(fēng)化不均。通過(guò)物探和地表測(cè)繪發(fā)現(xiàn)隧道通過(guò)范圍內(nèi)存在兩處斷裂構(gòu)造，分別位于：X2DK0+280和X2DK0+510附近。同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在含泥質(zhì)極軟巖夾層，巖體破碎嚴(yán)重，位于X2DK0+530～X2DK0+660段。場(chǎng)地地下水為為基巖裂隙水，最大單位長(zhǎng)度涌水量4.61 m3/d，屬于中等富水區(qū)。因此本隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度較大。

3 不良地質(zhì)段施工控制措施

由于黎家灣隧道圍巖含泥質(zhì)極軟巖夾層，容易引起塌方，且為中等富水區(qū)，因此采用拱墻格柵及拱部超前砂漿錨桿加強(qiáng)支護(hù)，開(kāi)挖方式為臺(tái)階法，通過(guò)錨、網(wǎng)、噴進(jìn)行初期支護(hù)，然后進(jìn)行拱墻一次襯砌。考慮到遂址范圍內(nèi)存在斷層和軟弱破碎帶，為保證隧道施工安全，防止涌水、突泥和坍塌事故的出現(xiàn)，隧道開(kāi)挖過(guò)程中要嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，隨時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)施工方案調(diào)整。

3.1 預(yù)加固措施

在分析預(yù)測(cè)結(jié)果與地勘資料的基礎(chǔ)上，采用TSP對(duì)隧道前方100～200 m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行判釋。如果遇到溶洞時(shí)，需要應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。全線隧道用Φ22的砂漿錨桿和中空錨桿進(jìn)行支護(hù)，但針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖，必須提前施作Φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固，全環(huán)格柵鋼架。施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控，注意通風(fēng)。

3.2 注漿堵水加固

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，在分析超前探水鉆孔與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，確定注漿堵水方案。注漿方式包括開(kāi)挖后周邊注漿、3 m徑向注漿、局部斷面注漿，有效的將地下水封堵在圍巖內(nèi)，從而保證施工安全。有效加固范圍為開(kāi)挖輪廓線以外5 m范圍內(nèi)，注漿孔分布方式為梅花形，環(huán)向、縱向間距均為1.5 m，孔底間距不大于3 m，注漿孔直徑為46 mm，孔深4.5 m，與隧道軸線呈60°夾角，孔口需要設(shè)置孔口管，孔口管為0.5 m的熱軋無(wú)縫鋼管。根據(jù)不同范圍內(nèi)的具體地質(zhì)情況，注漿材料不同，如以加固為主采用純水泥漿，以堵水為主采用雙液漿，注漿壓力為靜水壓力的(2～3)倍，。在同一個(gè)注漿段范圍內(nèi)，從兩側(cè)到中間注漿，間隔施工，對(duì)于同一排孔注按從上往下的順序注漿。開(kāi)挖時(shí)，一個(gè)注漿段范圍內(nèi)需保留5 m范圍不開(kāi)挖，作為下一個(gè)注漿段的止?jié){巖盤(pán)。漿液濃度以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，注漿壓力初步定為0.5～1.5 MPa。

3.3 開(kāi)挖方法

隧道開(kāi)挖方法采用臺(tái)階法，分為上下兩個(gè)臺(tái)階。上部臺(tái)階先開(kāi)挖，開(kāi)挖完成后及時(shí)施作初期支護(hù)，即初噴4 cm厚混凝土，再進(jìn)行混凝土噴射直至設(shè)計(jì)厚度，為保證圍巖和初期支護(hù)變形滿足設(shè)計(jì)要求，在施工鋼架時(shí)一般采用鎖腳小導(dǎo)管作為控制措施。下臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)(上臺(tái)階噴射混凝強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的70%以上)，采用兩邊開(kāi)挖中間拉槽的方式，從而方便機(jī)械出渣和其他施工作業(yè)。待下臺(tái)階法開(kāi)挖完成后，及時(shí)澆筑底板混凝土。

圖1 網(wǎng)格圖

4 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性，對(duì)隧道支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算軟件采用 MIDAS公司的GTS軟件。建立的模型隧道埋深60 m，隧洞高度為9.7 m，下部寬度為7.5 m。支護(hù)錨桿及混凝土厚度按設(shè)計(jì)要求布置，開(kāi)挖方式分兩步開(kāi)挖。在隧道開(kāi)挖分析中，共設(shè)置五種工況，即上部土體開(kāi)挖、上部錨桿支護(hù)、下部土體開(kāi)挖、下部錨桿支護(hù)、混凝土硬化。模型采用四邊形單元，土層單元體網(wǎng)格大小為2 m，隧道單元體網(wǎng)格大小為0.2 m；總共劃分4 251個(gè)單元，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，模型如圖1所示。

（1）水平位移分析（圖2所示）

圖2 隧道水平位移圖

通過(guò)數(shù)值模擬，可以得出隧道水平位移在開(kāi)挖過(guò)程中沿中心線大致呈現(xiàn)對(duì)稱分布，最大水平位移值為 22.9 mm，其位置出現(xiàn)在左側(cè)拱腳。開(kāi)挖初期水平位移較大，但施作錨桿后能有效的減小水平位移，然而隨著下部土體開(kāi)挖，水平位移會(huì)繼續(xù)增大。當(dāng)全部混凝土硬化完成后，隧道位移場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定。因此，本工程施工方案能夠有效的控制圍巖變形，防止隧道出現(xiàn)坍塌事故。

（2）拱頂沉降分析（圖3所示）

圖3 隧道豎向位移圖

通過(guò)數(shù)值模擬豎向云圖，得出開(kāi)挖初期拱頂沉降增大，但施作錨桿后能有效的減小拱頂位移，然而隨著下部土體開(kāi)挖，拱頂位移會(huì)繼續(xù)增大。當(dāng)全部混凝土硬化完成后，隧道變形達(dá)到穩(wěn)定，沉降值最終得到控制。

通過(guò)對(duì)隧洞的數(shù)值模擬分析可以預(yù)測(cè)隧道在當(dāng)前施工條件下的穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)院提供參考依據(jù)，為下一步施工做準(zhǔn)備。

5 結(jié)論

本文以黎家灣隧道為工程依托，深分析其不良地質(zhì)災(zāi)害特性，有針對(duì)地制定災(zāi)害控制措施，并通過(guò)數(shù)值模擬分析對(duì)其控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）黎家灣隧道不良地質(zhì)段施工控制措施主要包括預(yù)加固措施、注漿堵水加固及開(kāi)挖方法，其中預(yù)加固措施主要包括超前小導(dǎo)管注漿，開(kāi)挖方法主要是臺(tái)階分部開(kāi)挖法。

（2）對(duì)數(shù)值模擬得到的隧道水平位移及豎向位移可知，采用上述施工控制措施，其初期支護(hù)狀況良好，可初步判定該施工控制措施取得了良好的效果，隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形方面得到了有效控制，保證了施工安全，達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)。