隧道穿越断层破碎带施工技术研究

2019-10-08文刚

城市建筑空间 2019年8期

文刚

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

1 工程概况

榆社隧道位于山西省晋中市榆社县境内，线路由榆社县境内的白北村南进入隧道，下穿地河滩、刘家五科、四十亩、东沟、辉教村、桥里沟、药峪、南窑，隧道出口位于榆社县河峪乡平底村北，进口里程为DK70+700，出口里程为DK81+370，隧道全长10 670m，最大埋深342m，位于DK75+480处，地面高程为1 524.180m。隧道施工过程中，从断层破碎带穿过，并涌出大量的碎石泥散体，持续清方量达3 000m3。结合实际情况，只对掌子面流出的散体进行清理。在对散体进行清理时，在隧道小里程DK76+232右拱位置产生1个散体带，文章以该工程为例，重点对隧道穿越地层破碎带施工技术进行探讨。

2 坍塌原因分析

2.1 水文

由于该工程所在地区地下水发育，再加1周的持续降雨，山顶的水不断汇集到沟底，并通过沟底排渗到洞内。此外，由于斜井坡度较大，进水量峰值超过泵站负荷，导致隧洞中的积水深度达40cm，在地下水和雨水排渗补给作用下，泥质粉砂岩一部分遇水软化，且其中一部分已完全崩解泥化，表现为软塑状，使岩体的力学指标进一步下降。在水流冲击作用下再次开挖后产生碎石流，并夹裹大块孤石，使掌子面出现失稳情况，持续出现涌泥、坍塌等地质灾害。

2.2 地质

隧道通过地层主要为新黄土、砂岩、泥岩，砂岩为较硬岩，泥岩和泥质砂岩为软岩或较软岩。隧址区位于太岳山隆起带，经过南北构造和新华夏构造体的复合作用，构造较复杂，构造类型和形式也较多样，大多构造形迹均呈南北走向或北东走向。隧道工点穿过该构造中的多处向、背斜及多条断层，隧道区断裂构造发育断层共22条，其中9条为实测断层，13条为物探推测断层。隧道正常涌水量Qcp＝39 107.45m3/d，最大涌水量 Qmax＝85 029.01m3/d。

3 隧道穿越断层破碎带施工方案

在隧道工程施工过程中，围岩结构出现严重破碎情况，钻孔难度非常大。结合类似工程经验，本工程中采用上台阶预留核心土、环形导坑开挖和下台阶左右侧错开开挖的方法开展施工。由于围岩结构较软，施工时设计使用机械和人工配合开挖的方法进行开挖作业。不仅可降低施工过程中对围岩产生的扰动，还可使上台阶的开挖面积缩小，及时做好上台阶的支护施工，使围岩变形得到有效控制。在进行下台阶开挖施工时会影响钢架应力，因此采用左右侧错开开挖的方法进行下台阶开挖，可有效防止两侧钢架产生悬空情况，更好地对钢架整体沉降进行控制。采用注浆小导管对隧道拱部120°的范围内进行支护，其他位置布置φ42mm径向注浆小导管，不仅可对四周围岩进行加固，还可提升围岩稳定性，使隧道围岩破碎的情况得到显著改善，有效避免隧道出现塌方情况。

在使用超短台阶进行开挖施工时，要将台阶长度控制好，每循环开挖进尺控制在0.5m。为了降低边墙的变形量，要在边墙位置布置横向水平钢梁支撑。

考虑到断面初期支护不均匀，边墙和拱部位置存在严重偏压情况，为进一步对洞内的变形情况进行平衡，设计采用I16临时横撑进行辅助施工。将仰拱和掌子面之间的距离控制在16m内，二衬和掌子面之间的距离控制在24m内。

4 隧道穿越断层破碎带施工技术

4.1 加固掌子面后方支护段

施工过程中为保证施工安全，提升掌子面后方地段施工的稳定性，对DK76+247—DK76+217段（即30m）采用超前小导管（即φ42mm梅花管）进行注浆加固处理，梅花管间距为1.2m，管长为4m，采用双液浆液进行注浆。此外，该位置采用锁脚锚管进行进一步加固，每榀钢架增设12根φ42mm锁脚锚管，锁脚锚管与水平成45°夹角，设计锚杆长度值为4.5m。

4.2 DK76+250—DK76+200段破碎带支护施工

该隧道工程施工过程中，DK76+250—DK76+200段破碎带存在碎石流地质灾害，采用小导管和φ89mm钢管管棚配合预支护措施对拱部进行支护（见图1）。设计钢管长度为12m，斜插角为10°～15°，环向间距保持在40cm。将拱架底部布置在基岩上，利用φ42mm锁脚锚管进行锚固，每榀设置8根钢架，将双层钢筋网布置在钢架之间，钢筋型号为φ8，钢筋网网格尺寸为15cm×15cm。

4.3 设置止浆墙

在掌子面布置止浆墙进行封闭，采用注浆管和18k轻轨沿边墙进行环向布置，间隔距离控制在30～50cm。纵向间距之间的间隔为3m，设计注浆管道的长度为3～6m，设计轻轨的长度为6～8m，将3～5根长度为5～9m的φ150mm泵送管预埋到边墙空腔位置。当封闭墙强度达到要求后，可采用分层分次方法进行坍腔灌浆，设计水泥浆液的比例为1∶1，回填固结完成后即可将封闭墙拆除。

图1 管棚配合小导管

4.4 坍体开挖施工

在进行坍体开挖时，先进行上台阶开挖，然后进行下台阶开挖。开挖过程中，要求纵向开挖活动控制在50cm内，初期支护封闭后即可开展下道工序作业。将槽钢托梁布置到拱架底部，使用φ22钢筋作为纵向连接钢筋，纵向连接钢筋之间的环向间隔距离控制在80cm内。为避免钢架拱架落地和滑移时出现下沉，采用横向I20卡口布置在上台阶底部作为底梁。在空间和时间效应的累计作用下使隧道围岩进一步变形，如果不能及时处理会引发安全事故，完成钢支撑后需将水平横向支撑布置成环，在型钢和喷射混凝土之间增设楔形木进行塞缝。持续按照该方法循环作业，直到从破碎带顺利通过。

4.5 空腔处理

为进一步探明该隧道工程空腔向后蔓延的实际情况，设计采用潜孔钻分别对掌子面后方5.0，5.5，7.0m处拱部地质情况进行钻孔分析，摸清空腔向后蔓延的实际情况。根据探孔结果使用C25混凝土进行分次分层回灌。进行回灌作业时，要将观察孔、排气孔和回灌孔布置好，确定回灌效果，保证混凝土表面抗原形成保护层。为了对下落的孤石起到缓冲作用，需在混凝土保护层上吹1.2m砂，如图2所示。

图2 空腔处理措施

4.6 加强二次衬砌施工

此隧道工程在实际工程施工时，隧道DK76+247—DK76+217段多次出现碎石坍塌和流石坍塌等情况，使隧道拱顶空腔高度值达15～20m。为保证隧道安全运营，需要进一步加强二次衬砌施工，分2层进行衬砌作业。第1层使用C35钢筋混凝土进行衬砌，设计衬砌施工厚度为35cm，采用挂模模板进行混凝土的浇筑施工。使用V级加强衬砌配筋进行第2层施工，并对该段利用环向盲管加密。采用φ100mm透水管开展纵向盲沟施工，施工时为了提升施工质量，需要提高监测力度，并及时进行仰拱和衬砌施工，共同构成持力圈，以保证施工安全。