穿越断层破碎带公路隧道施工技术研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言近年来，我国长大隧道建设增多。在自稳能力较差的断层破碎带中修建大断面、浅埋深的长大隧道，施工难度巨大。包括小导管超前注浆、钢筋网施作、系统锚杆、架设钢架等在内的传统支护措施对穿越断层破碎带公路隧道的加固效果并不理想，相应的处治思路也不能一概而论，本文依托某通过震旦系片岩夹千枚岩地层及第三系泥岩段并穿越F4、F6、F13三处断层的隧道工程，在超前地质测报的基础上，采取预加固及止水、粗钢筋网加固等支护措施，确保了安全进洞。1 工程概况某隧道工程设计长度为1.431 km，为特长隧道，隧道地面高程位于1 5002 400 m之间，最大、最小埋深分别为370 m和30 m。隧道所处地区地质构造复杂，地层破碎松散，破碎带自身宽度、影响宽度分别为80 m和200 m，延伸长度近1.4 km；F6逆断层宽度为30 m，未与隧道相交；F13断层为压性逆断层，顺层滑动，破碎带宽140 m，在隧洞出口向的影响宽度为90 m，断层侧片岩岩体破碎。2 超前地质测报该公路隧道超前地质测报体系包括超前地质预报、超前钻探、地质雷达等手段，以展开断层围岩完整性、涌水压力、涌水量等的探测1。该隧道主要借助近年来新出现的TSP203型地质测报技术在围岩完整段能探测出100200 m以内的岩层物理属性、断层情况；在围岩破碎段、地层交叉段能探测出50100 m的地质情况。与反射地震波相同，该测报系统也采用回声测量原理，通过小药量激发出指定震源点地震波，并在岩体内呈球面波传递；传递过程遭遇断层、破碎地带、岩性变化，其中，局部性的地震波信号表现出反射的流程后，被具备较高灵敏度的地震检波器接收，而那些未被及时接收到的信号则随即全部向周边的各种介质折射。考虑到所使用的TSP203型号的地质测报技术在测出断层、围岩破碎等不良地质条件后，为进一步了解具体规模和形态，必须使用地质雷达。具体施测的过程开始以前，必须在型号尺寸均满足要求的车辆上架设起检测平台，同时安排相应数量的操作人员将雷达天线触板和事先所布置的各测点保持良性接触，由于超声波这种特殊的波形在不同类型的介质中必然表现出不同的传播速率，为此，完全可以凭借发射波和接收波之间存在的时间差进行所测量区域地质形态的描述和分析。在使用TSP203地质测报系统检测地质情况的过程中，如果的确检测出地层以下面临破碎带、断层，则必须在此基础上利用超前水平钻进行钻探，取芯后对芯样进行现场检测，验证测报结果。探测过程中主要通过凿岩台架进行钻孔探测，钻深一般在 30 m 以内。当设计钻深内存在异常，则应使用ZYG150型钻机继续探测钻进至100 m。如遇异常，则应启动应急预案，如仍无异常，则按照正常方案施工。3 施工措施3.1 预加固及止水1）超前预注浆。即顺着开挖轮廓线按一定间距以轴向辐射状布设注浆孔，孔径50120 mm，孔深30 m；施作止浆墙后下入套管，按照设计注浆压力压注浆液，穿越断层破碎带公路隧道施工技术研究吴乐文（江西公路交通工程有限公司，江西 南昌 330038）摘要：为探索传统支护措施以外采取辅助施工措施穿越软弱围岩的可行性，以某公路隧道工程为例，构建起由地质雷达、超前地质预报、超前钻探等在内的超前地质测报系统，依托超前地质测报结果，对超前预注浆、小导管注浆、斜井注浆、粗钢筋网加固等超前支护施工关键内容进行分析；并根据地质条件及围岩等级，采用了当下特长隧道施工中较为常见的开挖施工技术。监控量测结果显示，开挖至第1020 d拱顶沉降速率较快，必须在此期间加强支护。关键词：断层破碎带；软弱围岩；监控量测中图分类号：U455.4文献标识码：B收稿日期：2023-05-16作者简介：吴乐文（1972），男，江西南昌人，助理工程师，从事高速公路交通工程及养护工作。165总661期2023年第31期（11月 上）待浆液渗透破碎带孔隙后与周围破碎围岩固结为堵水结石体，达到围岩固结及止水的目的。该隧道超前预注浆采用的是全断面以及开挖轮廓线以外3 m和5 m加固圈，分别按27 m和30 m确定每个预注浆段长度。注浆孔布设时必须充分考虑注浆加固范围要求，全断面布设，并按照式（1）确定孔距。3 R（1）式（1）中：为注浆孔距，R为浆液扩散半径，根据现场试验，在2.04.0 m之间取值。在确定止浆墙厚度时应主要考虑注浆压力要求，该穿越断层破碎带公路隧道开挖轮廓线以外3 m、5 m加固圈止浆墙厚度分别按2.0 m和3.0 m确定。在分段式注浆施作方式下，按照式（2）确定注浆量。Q=R2hna(1+)（2）式（2）中：Q为按照设计方案所确定的注浆量；R为在确定出的浆液配比的情况下对应的浆液灌注后的扩散半径；h为注浆段的具体长度；n为注浆加固地段所对应的地层孔隙率；a为地层现状孔隙率下的填充率；为浆液漏损率，根据实际地质状况在10%30%之间取值。该隧道工程开挖过程中，以普通水泥-水玻璃双液浆按照相应的比例配置注浆材料。其中，水泥材料主要选用P.O42.5强度等级的硅酸盐水泥，水玻璃材料主要选用实际浓度为 4245 Be，细度模数为 2.42.8，体积质量比在1.421.45的材料。浆液水灰质量比按照0.8确定，双液浆体积比为0.50.7。2）小导管注浆。正洞和斜井通过软弱破碎地层时必须通过超前小导管注浆，待围岩固结至设计强度后再开挖，且按照从内圈孔到外圈孔、从无水孔到有水孔、从拱脚向拱顶的次序注浆2。3）斜井注浆。严格按照设计思路施工，施工开始后结合现场实际情况取消部分平导洞，并增设 1 处 1869 m 长的斜井（标记为 1#斜井），该斜井在 DK159+620里程处与隧道左线线路中线相交，并以正交单联方式连接正洞。隧道洞口上游 1 795 m 处有一容积 0.16km2的水库，恰好位于隧道正线前进向右侧477 m。隧道斜穿水库底部断层，开挖施工期间发生渗水的可能性很大。为此，借助斜井施工提前封堵水库底部断层，堵截断层下渗通道。施作1#斜井的过程中，必须对水库底部断层实施全断面预注浆，同时还应针对剩余的节段产生的股流进行顶水并注浆，在此项操作任务整体展开前，应将水库库底潜藏的断层破碎带全面封堵。随后进行开挖时，则应采用超前设计出的小型导管进行浆液的灌注施工，将隧道开挖施工期间涌水量最大值从预估的22 900 m/d 减至 1 400 m/d，在保证隧道正洞开挖施工顺利通过断层的同时，杜绝水库库容减少，维持地表生态平衡。3.2 粗钢筋网加固该隧道正洞出口段里程 DK159+640DK161+251段所集中分布的围岩，在常规情况下表现出软弱且较为破碎的形态，如对隧道相应段落进行开挖施工时，必然会造成各等级围岩外部出现持续性收敛变形的情况。粗钢筋网加固体系是由粗钢筋网和喷射混凝土所组成的柔性和刚性支护相结合的结构3，可共同承担围岩应力，抵御围岩变形。3.3 隧道开挖在按照以上施工思路全面展开后，一旦全部完成超前支护相应的操作步骤后便随即进行洞身相应部位的开挖施工。结合相应洞段的实际地质条件和所对应的围岩结构类型及等级划分程度，选择适宜的开挖方法。通过三台阶横撑施工技术进行该隧道特殊地层各类软弱围岩开挖施工，使开挖施工结束后由主要掌子面所连结而成的轮廓面圆滑平顺，同时促进围岩结构自我承载性能的提升，项目部主要通过的是施工人员手持风镐同时结合弱爆破的联合开挖工艺；对于各个施工阶段所造成的不同粒径的扒渣，利用装载机装渣后由自卸车运渣。最后由全断面液压衬砌钢模台车钻开衬砌。按照三台阶临时仰拱法施作级围岩、级浅埋偏压及断层破碎带，并加强超前支护。上部导坑通过人工风镐+弱爆破方式开挖，中下台阶则通过挖机+控制爆破开挖，通过这种联合型的操作处理后，主要目的在于降低开挖操作自身对既有软弱围岩的不利扰动；在以上各个环节的操作中相邻台阶之间的距离必须严格掌握在 3.05.0 m 的范围内。以上开挖过程同时进行，而中下台阶左边墙和右边墙应交错开挖，上中下台阶开挖施工平行进行。完成以上开挖施工后，等待各种检测结果均处于稳定状态后，再按照设计思路进行防排水结构及体系的布置与操作。本文所重点展开研究的隧道地址结构复杂，必须加强二次衬砌方案执行过程中的防水和排水布置，在全隧道拱墙初支和二衬结构间铺设密度350 g/m2以上的土工布和1.5 mm厚的防水卷材。4 监控量测4.1 监测断面布置为提前预估和掌握地层实际情形和支护形式搭建起来后的可能效果，并预估地层稳定性可能表现出的变动趋势规律，从而预见断面开挖推进过程中可能遭166交通世界TRANSPOWORLD遇的各类安全事故，应严格按照设计要求及相关规范对隧洞内外部围岩变动的主客观方面加强监控与量测。其中，部分区域沉降和收敛变形等过程的监控量测点布设问题的设计见图1。图1 收敛和沉降监控量测点的布设4.2 监控量测结果的剖析此种围岩软弱特性较为突出的隧道结构，其一旦开始开挖操作便必定引起拱顶等部位的明显沉降，这种变形程度跟随着各掌子面开挖过程的推进所表现出的变动趋势具体如图2所示，隧道拱顶部位实际发生的沉降在开始施工之初随即发生，但这种变形量非常小，此后，在所需要的开挖断面基本成型后，这种隧洞顶端的沉降和变形趋势才愈发明显。充分体现出此项施工过程中所对应的岩层遭受的扰动较大，必定会出现变形和沉降，同时也说明事前设计阶段所提出的初期支护方案具有一定的合理性；在此之后，支护效果显著，所以拱顶相应部位围岩所表现出的客观沉降趋势基本趋于稳定，沉降速率基本维持在0.5 mm/d，工程沉降绝对量也稳定于40 mm。图2 拱顶沉降量随时间的变化趋势隧道水平收敛随开挖施工时间变化的趋势线见图3。由图3可知，在形成开挖断面后，隧道才开始表现出略微的水平收敛迹象，整体变形量不大；开挖至第6 d时，最大变形率达到2.0 mm/d；前15 d水平净距变形绝对量为4.5 mm，变形率为0.4 mm/d。此后，随着开挖进程推进至 15 d，变形逐渐趋于 67 mm 的稳定状态。根据得到的监控量测数据绘制变形-时间曲线，由曲线走势可知，拱顶沉降、水平收敛变形均接近指数分布4。对于曲线中出现的骤增反常点，说明围岩及支护结构缺乏稳定性，必须加强支护；对超出预警值的变形，必须立即停止掘进，并采取有效的加固措施。图3 水平收敛量随时间的变化趋势5 结束语综上所述，该穿越断层破碎带公路隧道开挖施工期间采用多种预报方法组成超前地质预报体系，并根据超前测报结果及工程实际提出预注浆止水加固、小导管注浆、设置斜井提前封堵漏水通道、挂设粗钢筋网喷混凝土等隧道穿越不良地质区域的施工方案。方案实施后，有效防止了隧道开挖期间涌水涌泥及隧道沉降变形，实现了有效堵水与快速施工的较好结合。此外，穿越断层破碎带施工时，隧道变形和受力表现出明显的规律性，依托监控量测结果，分析围岩变形过大的原因，并采取有效控制措施，为施工安全提供了保障。参考文献：1 贺绥保.某公路隧道穿越断层破碎带施工技术J.工程技术研究，2022，7（10）：64-66.2 雷向军.CRD工法下公路隧道穿越断层破碎带的变形失效分析J.工程技术研究，2021，6（16）：20-21.3 李宪国.公路隧道工程穿越断层破碎带技术实践分析J.黑龙江交通科技，2021，44（5）：121-123.4 穆天书.高速公路隧道穿越断层破碎带施工技术探讨J.工程技术研究，2020，5（3）：65-66.167