隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)研究

文 剛

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

1 工程概況

榆社隧道位于山西省晉中市榆社縣境內(nèi)，線路由榆社縣境內(nèi)的白北村南進入隧道，下穿地河灘、劉家五科、四十畝、東溝、輝教村、橋里溝、藥峪、南窯，隧道出口位于榆社縣河峪鄉(xiāng)平底村北，進口里程為DK70+700，出口里程為DK81+370，隧道全長10 670m，最大埋深342m，位于DK75+480處，地面高程為1 524.180m。隧道施工過程中，從斷層破碎帶穿過，并涌出大量的碎石泥散體，持續(xù)清方量達3 000m3。結(jié)合實際情況，只對掌子面流出的散體進行清理。在對散體進行清理時，在隧道小里程DK76+232右拱位置產(chǎn)生1個散體帶，文章以該工程為例，重點對隧道穿越地層破碎帶施工技術(shù)進行探討。

2 坍塌原因分析

2.1 水文

由于該工程所在地區(qū)地下水發(fā)育，再加1周的持續(xù)降雨，山頂?shù)乃粩鄥R集到溝底，并通過溝底排滲到洞內(nèi)。此外，由于斜井坡度較大，進水量峰值超過泵站負荷，導(dǎo)致隧洞中的積水深度達40cm，在地下水和雨水排滲補給作用下，泥質(zhì)粉砂巖一部分遇水軟化，且其中一部分已完全崩解泥化，表現(xiàn)為軟塑狀，使巖體的力學(xué)指標進一步下降。在水流沖擊作用下再次開挖后產(chǎn)生碎石流，并夾裹大塊孤石，使掌子面出現(xiàn)失穩(wěn)情況，持續(xù)出現(xiàn)涌泥、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 地質(zhì)

隧道通過地層主要為新黃土、砂巖、泥巖，砂巖為較硬巖，泥巖和泥質(zhì)砂巖為軟巖或較軟巖。隧址區(qū)位于太岳山隆起帶，經(jīng)過南北構(gòu)造和新華夏構(gòu)造體的復(fù)合作用，構(gòu)造較復(fù)雜，構(gòu)造類型和形式也較多樣，大多構(gòu)造形跡均呈南北走向或北東走向。隧道工點穿過該構(gòu)造中的多處向、背斜及多條斷層，隧道區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育斷層共22條，其中9條為實測斷層，13條為物探推測斷層。隧道正常涌水量Qcp＝39 107.45m3/d，最大涌水量 Qmax＝85 029.01m3/d。

3 隧道穿越斷層破碎帶施工方案

在隧道工程施工過程中，圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重破碎情況，鉆孔難度非常大。結(jié)合類似工程經(jīng)驗，本工程中采用上臺階預(yù)留核心土、環(huán)形導(dǎo)坑開挖和下臺階左右側(cè)錯開開挖的方法開展施工。由于圍巖結(jié)構(gòu)較軟，施工時設(shè)計使用機械和人工配合開挖的方法進行開挖作業(yè)。不僅可降低施工過程中對圍巖產(chǎn)生的擾動，還可使上臺階的開挖面積縮小，及時做好上臺階的支護施工，使圍巖變形得到有效控制。在進行下臺階開挖施工時會影響鋼架應(yīng)力，因此采用左右側(cè)錯開開挖的方法進行下臺階開挖，可有效防止兩側(cè)鋼架產(chǎn)生懸空情況，更好地對鋼架整體沉降進行控制。采用注漿小導(dǎo)管對隧道拱部120°的范圍內(nèi)進行支護，其他位置布置φ42mm徑向注漿小導(dǎo)管，不僅可對四周圍巖進行加固，還可提升圍巖穩(wěn)定性，使隧道圍巖破碎的情況得到顯著改善，有效避免隧道出現(xiàn)塌方情況。

在使用超短臺階進行開挖施工時，要將臺階長度控制好，每循環(huán)開挖進尺控制在0.5m。為了降低邊墻的變形量，要在邊墻位置布置橫向水平鋼梁支撐。

考慮到斷面初期支護不均勻，邊墻和拱部位置存在嚴重偏壓情況，為進一步對洞內(nèi)的變形情況進行平衡，設(shè)計采用I16臨時橫撐進行輔助施工。將仰拱和掌子面之間的距離控制在16m內(nèi)，二襯和掌子面之間的距離控制在24m內(nèi)。

4 隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)

4.1 加固掌子面后方支護段

施工過程中為保證施工安全，提升掌子面后方地段施工的穩(wěn)定性，對DK76+247—DK76+217段（即30m）采用超前小導(dǎo)管（即φ42mm梅花管）進行注漿加固處理，梅花管間距為1.2m，管長為4m，采用雙液漿液進行注漿。此外，該位置采用鎖腳錨管進行進一步加固，每榀鋼架增設(shè)12根φ42mm鎖腳錨管，鎖腳錨管與水平成45°夾角，設(shè)計錨桿長度值為4.5m。

4.2 DK76+250—DK76+200段破碎帶支護施工

該隧道工程施工過程中，DK76+250—DK76+200段破碎帶存在碎石流地質(zhì)災(zāi)害，采用小導(dǎo)管和φ89mm鋼管管棚配合預(yù)支護措施對拱部進行支護（見圖1）。設(shè)計鋼管長度為12m，斜插角為10°～15°，環(huán)向間距保持在40cm。將拱架底部布置在基巖上，利用φ42mm鎖腳錨管進行錨固，每榀設(shè)置8根鋼架，將雙層鋼筋網(wǎng)布置在鋼架之間，鋼筋型號為φ8，鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為15cm×15cm。

4.3 設(shè)置止?jié){墻

在掌子面布置止?jié){墻進行封閉，采用注漿管和18k輕軌沿邊墻進行環(huán)向布置，間隔距離控制在30～50cm。縱向間距之間的間隔為3m，設(shè)計注漿管道的長度為3～6m，設(shè)計輕軌的長度為6～8m，將3～5根長度為5～9m的φ150mm泵送管預(yù)埋到邊墻空腔位置。當封閉墻強度達到要求后，可采用分層分次方法進行坍腔灌漿，設(shè)計水泥漿液的比例為1∶1，回填固結(jié)完成后即可將封閉墻拆除。

圖1 管棚配合小導(dǎo)管

4.4 坍體開挖施工

在進行坍體開挖時，先進行上臺階開挖，然后進行下臺階開挖。開挖過程中，要求縱向開挖活動控制在50cm內(nèi)，初期支護封閉后即可開展下道工序作業(yè)。將槽鋼托梁布置到拱架底部，使用φ22鋼筋作為縱向連接鋼筋，縱向連接鋼筋之間的環(huán)向間隔距離控制在80cm內(nèi)。為避免鋼架拱架落地和滑移時出現(xiàn)下沉，采用橫向I20卡口布置在上臺階底部作為底梁。在空間和時間效應(yīng)的累計作用下使隧道圍巖進一步變形，如果不能及時處理會引發(fā)安全事故，完成鋼支撐后需將水平橫向支撐布置成環(huán)，在型鋼和噴射混凝土之間增設(shè)楔形木進行塞縫。持續(xù)按照該方法循環(huán)作業(yè)，直到從破碎帶順利通過。

4.5 空腔處理

為進一步探明該隧道工程空腔向后蔓延的實際情況，設(shè)計采用潛孔鉆分別對掌子面后方5.0，5.5，7.0m處拱部地質(zhì)情況進行鉆孔分析，摸清空腔向后蔓延的實際情況。根據(jù)探孔結(jié)果使用C25混凝土進行分次分層回灌。進行回灌作業(yè)時，要將觀察孔、排氣孔和回灌孔布置好，確定回灌效果，保證混凝土表面抗原形成保護層。為了對下落的孤石起到緩沖作用，需在混凝土保護層上吹1.2m砂，如圖2所示。

圖2 空腔處理措施

4.6 加強二次襯砌施工

此隧道工程在實際工程施工時，隧道DK76+247—DK76+217段多次出現(xiàn)碎石坍塌和流石坍塌等情況，使隧道拱頂空腔高度值達15～20m。為保證隧道安全運營，需要進一步加強二次襯砌施工，分2層進行襯砌作業(yè)。第1層使用C35鋼筋混凝土進行襯砌，設(shè)計襯砌施工厚度為35cm，采用掛模模板進行混凝土的澆筑施工。使用V級加強襯砌配筋進行第2層施工，并對該段利用環(huán)向盲管加密。采用φ100mm透水管開展縱向盲溝施工，施工時為了提升施工質(zhì)量，需要提高監(jiān)測力度，并及時進行仰拱和襯砌施工，共同構(gòu)成持力圈，以保證施工安全。

5 結(jié)語

該高原隧道穿越斷層破碎帶時根據(jù)工程實際情況制訂了具體施工方案，并通過努力，順利從該破碎帶穿過。結(jié)合測量結(jié)果，在該工程施工過程中出現(xiàn)了2次施工異常，通過采用注漿加固方法進行處理后取得良好的加固效果。目前，隧道開挖完成了6 200m，順利通過了斷層破碎帶。