隧道穿越泥石流堆積體及活動斷裂施工關鍵技術

張建慈 萬炳宏

(1.中鐵二十五局集團有限公司 廣東廣州 510600；2.中鐵二十五局集團第一工程有限公司 廣東廣州 510405)

1 工程及水文地質(zhì)概況

1.1 工程概況

新建鐵路成都至蘭州(黃勝關)成川段紅橋關隧道位于四川省阿壩州松潘縣川主寺境內(nèi)，地面高程2 950～3 510 m，隧道起訖里程D2K253＋710～D1K256＋918.44，進口明挖段225 m，出口接長明洞28.44 m，其余暗挖段2 944.33 m，洞身短鏈長10.67 m，全長3 197.77 m，為單洞雙線鐵路隧道。

D2K254＋550～D2K255＋000段埋深較淺，為40～53 m。該段隧道洞身淺埋穿越全新世岷江活動斷裂帶核部，斷裂帶與線路交角約22°，且該段有兩條“雙溝同源”的泥石流溝交匯于此，如圖1所示，洞身淺埋穿越泥石流堆積扇體后緣底部。

圖1 線路與泥石流堆積體及活動斷裂平面位置關系

1.2 水文地質(zhì)概況

該段上覆堆積層沿線路走向呈“鋸齒狀”分布，下伏岷江活動斷裂斷層角礫。地質(zhì)界線及分布情況如圖2所示。

圖2 地質(zhì)界線及分布情況

圖3 洞身碎石土層

圖4 齒谷處滯水水囊

下伏岷江斷裂斷層角礫，巖性主要為三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3x)灰黑色、薄片狀炭質(zhì)板巖夾板巖。隧址區(qū)歷史上曾發(fā)生過地震級數(shù)較大的有1748年級和1960年級地震，因受多期地震錯動和擠壓作用的影響，開挖揭示洞身圍巖揉皺極為發(fā)育，巖體呈現(xiàn)質(zhì)軟、低強、破碎、松散等特性，水軟化和風化效應較為明顯。

2 施工遇到的工程問題及原因分析

2.1 施工遇到的工程問題

隧道最大開挖斷面面積161.36 m2，最大開挖高度14 m左右，最大開挖寬度15 m左右，主要為Ⅴ、Ⅵ級圍巖。

(1)洞身開挖揭穿了泥石流堆積體底部形成臨空面，導致洞身拱部及其上方上覆的膠結差、自穩(wěn)性差、透水性好的碎石類土體發(fā)生失穩(wěn)、崩解，向洞內(nèi)變形和滑移，并伴有股狀地下水滲流，形成洞內(nèi)“水石流”。同時，已完成初期支護段洞周巖土體受其影響也發(fā)生失穩(wěn)破壞，初期支護出現(xiàn)環(huán)向擴展性開裂破壞。

(2)洞周碎石類土體的失穩(wěn)、崩解破壞迅速影響至地表，洞頂?shù)乇沓霈F(xiàn)了“蜘蛛網(wǎng)狀”分布的裂縫，監(jiān)測最大的裂縫寬度可達13.7 mm。同時，位于線路附近的房屋出現(xiàn)了輕微傾斜下沉的現(xiàn)象，房屋墻體也出現(xiàn)了不同程度的開裂破壞。

(3)部分段落線路左側(cè)(靠山側(cè))，初期支護體系在起拱線附近的變形速率及累計變形量均較大，尤其是在洞身段上覆堆積層與下伏岷江斷層角礫結合部范圍的變形最為明顯。

2.2 原因分析

(1)復雜地質(zhì)條件和開挖不利效應

因該段埋深淺且多期地震作用，巖體強度極低、自穩(wěn)性極差，隧道開挖破壞了巖體天然應力狀態(tài)，圍巖應力狀態(tài)發(fā)生應力重分布和開挖擾動等疊加效應，導致洞周圍巖的應力集中，進一步加劇洞周圍巖的塑性變形破壞；隨著塑性區(qū)進一步向外擴展，迅速發(fā)展至地表，形成貫通的大范圍的變形破裂面，則作用在支護體系的圍巖應力發(fā)生了劇變[1-3]。

(2)地下水的不利作用

因隧道開挖揭穿地下水的滲流通道，地下水持續(xù)滲流連通了地下水滲流微通道，則洞室周邊巖土體原有的天然穩(wěn)定結構被破壞，削弱了各巖土層顆粒間及其層間接觸面的抗剪切強度。同時，隨著固體物質(zhì)的流失，洞周巖土體發(fā)生失水固結，加劇各巖土層的層間相互錯動；地下水軟化圍巖，降低圍巖的極限強度、惡化巖土體的自穩(wěn)性，進一步加劇洞周巖土體的失穩(wěn)崩解，沿結構面向洞內(nèi)變形和滑移[4-5]。

(3)地形、地層偏壓的不利作用

該段地表地形左高右低，洞身開挖揭示洞身范圍的碎石類堆積層厚度為1.0～3.0 m，其分布形態(tài)為縱向呈“鋸齒狀”不規(guī)則分布，橫向為傾向線路左側(cè)(靠山側(cè))的傾斜狀分布，且上覆堆積層與下伏岷江斷層角礫間結合部主要為厚層強風化帶，洞身開挖后沿軟弱結合部向洞內(nèi)變形和滑移。

3 關鍵技術

根據(jù)紅橋關隧道淺埋穿越的復雜地質(zhì)條件、開挖斷面大小、工程問題特性等情況，針對性地采取了“先固后釘法”施工關鍵技術，即在洞身開挖前先采用地表豎向鋼管群樁或拱墻縱向鋼管超前周邊群樁對洞周一定范圍內(nèi)的松散、破碎巖體進行預注漿加固，在初期支護施作后再采用鋼花管及局部長錨桿土釘進行補強支護。

洞身淺埋穿越“雙溝同源”的泥石流沖溝溝心段采用地表豎向φ89鋼管群樁注漿加固技術＋全環(huán)徑向φ42鋼花管土釘施工技術，如圖5所示。

兩泥石流溝心間和埋深較深段，拱部及邊墻采用縱向φ89超前周邊鋼管群樁預注漿加固技術＋全環(huán)徑向φ42鋼花管土釘施工技術＋靠山側(cè)起拱線60°范圍內(nèi)φ28長錨桿施工技術，如圖6所示。

圖5 豎向鋼管群樁+鋼花管土釘

圖6 縱向周邊鋼管群樁+鋼花管土釘+長錨桿

3.1 “先固”施工技術

(1)地表豎向施作φ89鋼管群樁，采用φ89 mm熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置。鋼管群樁布置范圍:橫向為隧道中線左側(cè)15 m、右側(cè)12 m；豎向為洞身范圍內(nèi)拱頂開挖輪廓線外0.5 m，兩側(cè)邊墻外加固深度至W2地層或隧底以下2.0 m。注漿控制范圍為洞周開挖輪廓線0.5 m外區(qū)域，且拱頂上方10 m范圍內(nèi)，其余部分的鋼管樁樁身不開注漿孔作為止?jié){段。

(2)拱部及邊墻縱向施作φ89超前周邊鋼管群樁，采用φ89 mm熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，縱向3.6 m一環(huán)，環(huán)向間距60 cm，單根長10 m，外插角26°。注漿加固范圍為洞周5 m范圍，鋼花管尾部2 m管身不開注漿孔作為止?jié){段。前后循環(huán)鋼花管開孔位置交錯布置。

注漿材料采用1∶1水泥凈漿，工藝采用孔底返漿法，注漿壓力1.5～3.0 MPa。

在洞身開挖前，通過“先固”施工技術對洞周一定范圍內(nèi)的破碎、松散巖體進行“定點定量”注漿預加固，一是充填洞周松散巖體的孔隙和各地層間接觸面的空隙，改善圍巖條件；二是封堵地下水滲流通道，避免地下水持續(xù)、無度向洞內(nèi)滲流；三是與洞周巖土體共同形成具有一定承載能力的半封閉組合支護結構。

3.2 “后釘”施工技術

(1)全環(huán)徑向施作φ42鋼花管土釘，采用φ42無縫鋼管，壁厚3.5 mm，間距1.0 m×1.2 m(環(huán)×縱)，單根長4.5 m。

(2)靠山側(cè)起拱線60°范圍內(nèi)局部補強長錨桿，采用φ28中空錨桿，間距1.0 m×1.2 m(環(huán)×縱)，單根長10 m，與全環(huán)徑向 φ42注漿鋼花管交錯布置。

全環(huán)徑向φ42鋼花管土釘和局部補強長錨桿在成孔困難地段可采用自進式錨桿。注漿材料采用1∶1水泥凈漿，工藝采用孔底返漿法，注漿壓力1.5 ～2.0 MPa。

在初期支護后，及時施作徑向φ42鋼花管注漿，一是對洞周已注漿的水泥結石體進行劈裂補強注漿；二是充填初期支護和洞周圍巖間的空隙；三是協(xié)調(diào)初期支護和洞周圍巖共同受力；四是針對線路左側(cè)支護體系變形較大，施作長錨桿將初期支護體系錨入和懸吊于深部未受開挖擾動的穩(wěn)定巖土體中[6-7]。

4 關鍵技術施工控制要點

(1)超前地質(zhì)預報

在洞身開挖前，結合地質(zhì)勘察報告提供的地質(zhì)資料進行長距離超前探孔，數(shù)量為3～5孔，其中1孔取芯。對地質(zhì)軟弱破碎成孔困難地段采用地質(zhì)雷達法，可較好成孔地段采用TSP法，對地下水較豐富地段輔以紅外探水探測前方水體情況。同時，每開挖循環(huán)進行地質(zhì)素描，綜合判釋開挖面前方地質(zhì)情況，為后續(xù)施工調(diào)整支護參數(shù)提供科學合理的依據(jù)[8]。

(2)監(jiān)控量測

嚴格按照隧道施工管理程序開展監(jiān)控量測工作，及時進行數(shù)據(jù)的分析和反饋。同時，對非接觸式監(jiān)測的數(shù)據(jù)和斷面掃描儀采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析。對變形較大及突變地段獨立采集測點的三維絕對變形數(shù)據(jù)，分析其絕對變形速率和變形量，為后續(xù)施工調(diào)整和補強支護參數(shù)提供科學合理的依據(jù)。

(3)群樁鉆孔

①鋼管群樁管身穿越泥石流堆積層、厚層強風化帶及斷層角礫，鉆孔成孔極為困難，采用跟管鉆進工藝進行干鉆，孔口做好撲塵措施。

②鉆孔前，對每個孔位進行獨立編號，以便后續(xù)鉆孔和注漿過程中的異常情況按統(tǒng)一的編號進行單獨記錄和管理。

(4)注漿

①注漿順序結合鉆孔揭示的地質(zhì)情況和地下水排泄方向，按“應先外側(cè)后內(nèi)側(cè)、先下游后上游”的原則，對注漿的區(qū)域先進行“圍、堵、截”注漿，后進行“填、壓、擠”注漿，以形成在有邊界約束條件下的控域注漿[9-10]。

②注漿方式按“隔孔、間歇、多次輪流注漿”等原則，適當提高后序孔注漿的壓力，劈裂補充前序孔的注漿盲區(qū)，提高注漿區(qū)域的整體效果。

③注漿控制采用量(注漿量和流量)和壓(注漿壓力)雙控指標相結合作為單孔注漿結束控制標準和對注漿區(qū)域整體注漿質(zhì)量效果的評價標準[11-12]。

(5)長錨桿施工

采用“后釘法”即初期支護完成后，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析確定長錨桿施作時機和必要性，若變形速率持續(xù)2～3 d均大于5 mm/d和累計變形量超過預留變形量80%仍持續(xù)變形不收斂時，過早施作長錨桿，不能充分發(fā)揮洞周淺部巖土體自身的承載能力或不必施作而施作造成浪費；過晚施作長錨桿，洞周巖體過度松弛變形，起不到應有的控制變形效果造成浪費甚至導致長錨桿協(xié)調(diào)淺部和深部巖土體協(xié)同變形能力的失效。

5 結束語

紅橋關隧道淺埋穿越泥石流堆積體及岷江活動斷裂帶，采用“先固后釘法”施工技術很好地控制了洞周松散、破碎巖土體沿軟弱結合部向洞內(nèi)變形和滑移，有效控制了地表開裂和支護體系變形破壞，確保隧道施工安全。通過工程實踐，總結結論如下:

(1)在洞身開挖前，地表豎向注漿和洞內(nèi)縱向超前周邊注漿施工技術，對洞周一定范圍內(nèi)的松散、不穩(wěn)定巖體進行“定點定量”注漿，充填泥石流堆積體中各地層孔隙和封堵地下水徑流通道，在洞周形成了一個半封閉式水泥結石體結構，在一定程度上隔阻了地下水向洞內(nèi)的無度滲流。同時，有效提高了各地層內(nèi)摩擦角，增強了地層的整體性及強度，很好地控制了洞周松散、破碎巖土體在洞身開挖后沿軟弱結合部向洞內(nèi)變形和滑移。

(2)初期支護施作后，采用全環(huán)鋼花管土釘施工技術，對洞周巖體劈裂補強注漿，進一步提高洞周圍巖強度；注漿充填初期支護與洞周圍巖間的空隙，提高初期支護與洞周圍巖的接觸面及接觸面應力，使圍巖應力能有效通過接觸面順暢地傳遞給初期支護，形成整體受力支護體系。靠山側(cè)起拱線60°范圍內(nèi)采用長錨桿補強施工技術，將該范圍內(nèi)的支護體系錨入和懸吊于深部未受開挖擾動的穩(wěn)定巖土體中，協(xié)調(diào)和控制地層偏壓導致的變形。