特长大跨山岭隧道穿越富水断层技术对策

2019-11-08吴金刚宋艳彬毕强马杰

特种结构 2019年5期

吴金刚宋艳彬毕强马杰

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

1 工程概况

北京兴延高速公路工程起于六环路，南接规划上庄快速路，路线途径昌平区、延庆县，上跨京藏高速公路营城子立交后设置收费主站终止，路线全长约42.204km，如图1 所示。本项目承担2019 年世园会对外交通衔接功能，是2022 年北京冬奥会重点配套交通基础设施。

全线共设隧道5 处10 座(其中特长隧道5 座，长隧5 座)，单洞累计全长33.0km(其中进京线16.3km，出京线16.7km)，全线隧道比 39%，如图 2 所示。其中石峡隧道左线 5746m，右线5877m，建成后将成为北京地区最长的公路隧道。

图1 项目地理位置Fig.1 Project location map

隧道主洞断面按远期预留三车道进行设计(图3)。近期主洞建筑限界全宽14.25m，其中包括0.75(左侧检修道) +0.75(左侧向宽度) +2×3.75(车行道) +4.5(连续停车带) +0.75(右侧检修道) = 全宽 14.25m，高度 5.0m。远期将4.5m 连续停车带变更为3.75(车行道) +0.75m(右侧向宽度)，标准三车道。

图3 主洞建筑限界(单位：cm)Fig.3 Building limit of the tunnel(unit：cm)

2 隧道穿越富水断层技术措施

本项目隧道工程设计过程中，特别重视特长大跨山岭隧道与复杂地质条件的关系。隧道穿越富水断层破碎带，突水突泥是隧道修建过程中最具危害性的地质灾害之一[1，2]。突水突泥同时易诱发围岩强烈失稳塌方、地表塌陷、地下水枯竭等次生灾害[3，4]。

2.1 突水突泥概况

本工程石峡隧道共穿越32 条断层，其中F7断层及其次生断层处，围岩破碎，地下水发育，如表1 所示。施工过程中发生多次突水突泥。

表1 F7 断层概况Tab.1 Overview of fault F7

1.超前地质预报

石峡隧道左线南洞口开挖至ZK31 +573 处时，第三方超前地质预报成果显示(图4)，ZK31 +590 ～613 段发育断层，围岩破碎，地下水发育。

图4 超前地质预报成果Fig.4 Advanced geological prediction results

根据施工期地质追踪的情况，里程ZK31 +576 ～595 段位于断层的复合延伸交错带内。受断层的拖拽作用，左洞左导坑掌子面围岩软弱，糜棱化、泥化现象强烈，岩体挤压破碎，结构面产状紊乱。依据T76S 型自进式管棚超前钻探情况(图5)与超前地质预报成果(TRT6000)预判，掌子面前方至里程ZK31 +603 ～ZK31 +613 段仍处于上述断层复合延伸交错带内，围岩状态(强度、完整性、稳定性)很差，且富水；里程 ZK31 +603 ～ZK31 +613 段过后围岩状态将变好。

图5 超前钻探钻孔影像Fig.5 Advanced drilling image

2.突水突泥情况

石峡隧道左线南洞口开挖至ZK31 +595 处，发生突水突泥(图6)，水量较大，并伴随大量碎石及泥质充填物涌流至隧道内，涌泥量约1000m3，持续水流量约 1200m3/d，掌子面后方15m 拱架环向及中隔壁连接板纵向开裂，实时观测拱顶沉降1cm/h，人员设备全部撤离。

图6 突水突泥现场Fig.6 Water and mud inrush site

2.2 技术对策

(1)结合超前地质预报成果，现场会商后确定，穿越断层段采用V 级加强型衬砌(C25 喷射混凝土31cm，内嵌 I25b 型钢拱架，纵向间距60cm，二衬采用 C30 钢筋混凝土，厚度 60cm，锁脚锚管采用4φ42 ×4 注浆锚管+1R51 自进式锚管)进行支护，防排水措施进行加强。

(2)掌子面后方初支变形及开裂段采用型钢内支撑、径向注浆，现场施工情况见图7、图8。

图7 施作临时型钢横撑Fig.7 Temporary steel cross brace

图8 径向注浆Fig.8 Radial grouting

(3)掌子面前方穿越富水、夹泥断层段采用帷幕注浆加固，并采用T76S 型自进式管棚进行支护。

洞周帷幕注浆加固总体方案：掌子面施作止浆墙(厚2m)，本循环注浆设计加固长度30m(根据现场探孔进行调整)，注浆加固范围为开挖轮廓线外5m，周边至拱脚，掌子面至拱顶以下 8.5m，如图9、图10 所示。使用普通硅酸盐水泥单液浆及普通硅酸盐水泥、水玻璃双液浆注浆材料进行注浆止水和加固，注浆参数见表2。

图9 超前帷幕注浆加固纵断面(单位：cm)Fig.9 Longitudinal section of advanced curtain grouting(unit：cm)

图10 30m 断面超前帷幕注浆加固横断面(单位：cm)Fig.10 30m section of advanced curtain grouting(unit：cm)

注浆顺序：注浆顺序按照先周边后中间，先浅孔后深孔的顺序，跳孔作业。共设A 序注浆孔15 孔、B 序注浆孔 12 孔、C 序注浆孔 12 孔、D 序注浆孔：14 孔、φ76 管棚孔 40 孔，合计：93 孔。

表2 注浆参数Tab.2 Grouting parameter

T76S 型自进式管棚组件如图11 所示，设计方案：(1)环向间距40cm，外插角1° ～3°，沿隧道轴线对称分布于拱顶约120°范围。 (2)根据超前地质预报探测情况，自进式管棚纵向支护长度30m。 (3)注浆采用42.5 级水泥净浆，水灰比0.5 ～1.0，注浆压力不小于 2.0MPa。 (4)掌子面打设钢花管排水，前方30m 采用超前水平钻探明围岩状态及地下水分布情况。 (5)加大监控量测频率，根据量测结果及时采取相应措施。