高寒地區(qū)含水碎屑地層隧道設計與施工

武世燕

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

蘭新線祁連山隧道海拔高、里程長、建設標準高,地處高海拔寒冷地區(qū),全長9 515 m,為雙線鐵路隧道。隧道進口位于青海省門源縣硫磺溝,出口位于甘肅神民樂縣大平羌溝。其中硫磺溝下游設引硫濟金水庫壩體及引水隧洞進口。引水隧洞穿越祁連山冷龍嶺,總長8.866 km,與線路走向基本一致。隧道洞身經過地層主要為古生代奧陶系、二迭系、志留系和泥盆系板巖和砂巖,碎屑地層如圖1,圖2所示。

圖1 祁連山隧道進口碎屑流現場

圖2 祁連山隧道進口碎屑流現場

2 高寒含水碎屑地層工程處理難點分析

隧道進口段以大角度穿越F6、F7斷層。F6斷層為逆斷層,上盤為志留系下統(tǒng)板巖,下盤為二疊系砂巖,斷層破碎帶寬150 m,以斷層角礫為主,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,富水。F7斷層為逆斷層,上盤為志留系下統(tǒng)板巖,下盤為泥盆系砂巖,斷層破碎帶寬130 m,以斷層角礫為主,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,富水。隧道最大涌水量10.5萬m3/d。通過對附近引硫濟金工程引水洞的施工情況的調查分析,隧道通過F6、F7斷層時,存在碎屑流地質現象。

碎屑流地層主要為斷層破碎帶含水,開挖后變形量大、變形速度快,變形隨時間變化的特征明顯,容易造成圍巖大變形,甚至大面積坍塌,施工成本高,施工風險大。本區(qū)的引硫濟金工程引水洞在施工過程中發(fā)生大的塌方和變形,給引水洞的修建帶來很大的困難,充分反映了該地層的工程特性和設計、施工難題。

碎屑流地層作為斷層破碎帶在含水的情況下的軟弱圍巖,變形控制和施工工法是隧道施工中的一大難題。祁連山隧道位于高寒含水地區(qū),容易引起凍融循環(huán)破壞,如何防止凍融循環(huán)破壞,也是該段設計的關鍵。

3 工程處理措施

如此大斷面、大規(guī)模穿越斷層破碎帶碎屑流地層,在隧道建設史上沒有遇到過,無成功經驗可供借鑒。如何安全快速穿越斷層破碎帶碎屑流地層是該隧道施工中的一大難題；地下水極其發(fā)育,巖體破碎且處于高寒地區(qū),如何解決隧道凍脹問題,將是本工程設計的又一難點。為確保安全通過斷層帶碎屑流地層,保證后期運營結構的安全,減少凍脹對結構的影響,設計中遵循以“預加固+雙層支護結構+隔熱保溫技術”為主的總體設計思路。

3.1 預加固措施

為保證掘進及后續(xù)支護工藝安全運作,斷層破碎帶碎屑流涌出地段拱墻采用φ89 mm管棚+φ42 mm小導管注水泥漿超前加固,同時在高位插設排水管,通過泄水釋能降壓,起到堵排結合的目的。

管棚采用長10 m、外徑89 mm、壁厚5 mm的鋼花管,外插角10°～15°。碎屑流地層成孔困難地段,采用跟管或套管跟進施作管棚。小導管根據碎屑流壓力大小,采用單排或雙排小導管,單排小導管長3.5 m、外徑42 mm,壁厚3.5 mm,外插角10°～15°,風槍鉆孔打入,或采用R32 mm邁式自進式錨桿；雙層小導管單根長4.0、3.5 m,外插角分別為10°、40°,相鄰兩環(huán)搭接長度不小于1.0 m。洞身段中管棚正面布置見圖3,中管棚+小導管超前支護縱向布置示意見圖4。

圖3 洞身段中管棚正面布置

圖4 中管棚+小導管超前支護縱向布置示意

對于周邊預注漿局部加固效果不好地段,開挖后采取徑向注漿加固。在隧道全斷面徑向布置φ42 mm小導管或R32 mm邁式自進式錨桿,長度4 m、間距1.2 m×1.2 m,梅花形布設,注水泥漿或雙液漿。

單液水泥漿配比水泥∶水=1∶1,注漿壓力不小于3 MPa；注漿有效擴散半徑不小于1.5 m；徑向注漿后加固有效半徑：隧道開挖輪廓外4 m。雙液漿配比水泥∶水=1∶1,水玻璃∶水泥漿=1∶1(質量比),注漿壓力一般為地下水靜水壓力的2～3倍,考慮到巖層裂隙阻力，該隧道富水斷層帶初始壓力0.5 MPa,終壓為2.5～4 MPa。單孔漿液擴散半徑2～3 m。

斷層破碎帶碎屑流段開挖后,掌子面自穩(wěn)能力差,為了穩(wěn)固掌子面,掌子面打設玻璃纖維錨桿注漿加固,每一循環(huán)長10 m,間距1.2 m×1.2 m,梅花形布設。開挖時,保證加固巖盤厚度不少于3～5 m,防止碎屑流沖破巖盤涌出。

3.2 雙層支護隔熱保溫體系

為防止圍巖凍融循環(huán)破壞襯砌結構,采用“初期支護+模筑支護+防水板+保溫層+防水板+二次襯砌”的復合防凍脹結構。二次襯砌在模筑支護完成至少1個寒期后再施工,并對初期支護背后進行壓漿處理,嚴防背后積水,防止凍害。雙層保溫襯砌斷面見圖5。

圖5 雙層保溫襯砌斷面(單位:cm)

隧道進口碎屑流地段圍巖極為破碎且含水量大,為防止圍巖凍融循環(huán)破壞襯砌結構,在模筑支護與二次襯砌之間設隔熱保溫層,隔熱保溫層厚5 cm,按“防水板+隔熱層+防水板”的結構形式沿隧道全斷面鋪設。

施工時,采用繃鐵線法無釘鋪設,即縱向每12 m一循環(huán),一端在已施工二襯、一端在模筑支護上打設膨脹螺栓,緊靠模筑支護混凝土面,用緊線器安裝鋼絲,拱部環(huán)向間距每50 cm 1根,邊墻環(huán)向間距每100 cm 1根作為保溫板安裝過程的縱向支撐,保溫板安裝一段,及時安裝環(huán)向鋼筋,作為保溫板的環(huán)向支撐,隨后安裝第2層土工布及防水板,采用防水板背后的吊帶將土工布、防水板綁扎在拉好的鋼絲上,實現無釘鋪設。

防水板采用滲膜熱合機雙焊縫焊接,保溫板采用5 cm厚的聚氨酯板,用聚氨酯粘合材料膠合連接。

4 施工工法的選擇

祁連山隧道斷面大、大規(guī)模穿越碎屑流地層,圍巖破碎且富水,如何選擇適宜圍巖情況的施工工法,并能及時根據圍巖變化情況很快調整、轉換,是快速通過碎屑流地層的關鍵。

開挖工法設計時采用雙側壁導坑法,但該工法施工速度較慢,成本較高,現場根據實際情況進行了調整。對地質相對較好、水量較小的地段采用三臺階七步法；巖體軟弱破碎、水量大的地段采用三臺階臨時仰拱法,支護鋼架全斷面采用H175型鋼,間距0.6 m,臨時支撐鋼架均采用I18輕型鋼架,每榀鋼架間距與主洞身間距一致,為0.6 m。三臺階臨時仰拱工法工序橫斷面見圖6,三臺階臨時仰拱工法工序縱斷面見圖7。

圖6 三臺階臨時仰拱工法工序橫斷面(單位：cm)

圖7 三臺階臨時仰拱工法工序縱斷面(單位：m)

5 結構數值模擬檢算

5.1 計算假定

計算軟件使用通用巖土有限元軟件Midas GTS、采用二維平面地層-結構模型進行建模計算,主要分析隧道采用三臺階臨時仰拱法開挖時洞周的收斂及支護受力,計算時做以下假定：

(1)巖層材料采用理想彈塑性模型,Mohr-Coulomb屈服準則,結構材料均采用線彈性本構模型；

(2)假定地表面和各土層均呈勻質水平層狀分布；

(3)不考慮巖體的構造應力場,只考慮自重應力場。

5.2 計算模型及材料參數

考慮到尺寸效應引起的計算誤差,計算邊界如下：左右邊界約為3倍隧道寬度,下邊界約為4倍隧道高度,上表面至地表。模型左右邊界約束其水平方向位移,模型底部邊界約束其垂直方向維系,頂部為自由邊界。圍巖采用平面應變單元；初支、臨時仰拱及二次支護采用梁單元,不考慮支護結構中的鋼架影響,其影響作為結構計算時的安全儲備；錨桿采用嵌入式桁架單元。材料物理力學參數如表1、表2所示,計算模型如圖8所示。

表1 地層參數

表2 支護參數

5.3 計算結果及分析

開挖按實際施工三臺階臨時仰拱法進行模擬,圖9及圖10為施作二次支護后模型豎向及水平位移云圖。圖11、圖12分別為關鍵部位不同施工步序豎向、水平位移變化曲線。

圖10 水平位移云圖

圖11 關鍵部位豎向位移變化曲線

圖12 關鍵部位水平位移變化曲線

隧道二次支護完成后,初支及二次支護的內力值對比見表3。

表3 初支及二次支護內力對比

從以上圖表可以看出,隧道采用三臺階臨時仰拱法開挖時,隨著開挖及支護的進行,位移變化曲線的斜率明顯較小,在施作完二次支護后,拱頂最大沉降為45.2 mm,仰拱隆起為37.25 mm；邊墻最大水平位移為29.62 mm；并且二次支護有效了分擔了由于圍巖開挖引起的相當一部分的荷載,因此此種開挖及支護方式對控制圍巖變形和保證隧道安全性能效果顯著。

6 圍巖變形

斷層破碎帶碎屑地層自穩(wěn)能力差,地層壓力及變形都較大,控制碎屑流地層圍巖的大變形是確保施工過程安全的關鍵。為了有效控制圍巖變形,在隧道開挖后及時施作第一層初期支護,架立型鋼鋼架,待變形基本穩(wěn)定后,施作第二層模筑支護,架立格柵鋼架。施工工法采用三臺階臨時仰拱封閉措施,對有效控制變形發(fā)展有明顯作用。

根據現場資料,隧道開挖后,圍巖初期變形較大,DK335+904處52 d拱頂下沉累計約197 mm,最大收斂值約15 mm,下沉速度最大約9 mm/d,平均下沉速度約3.8 mm/d,拱頂下沉和水平收斂監(jiān)測曲線如圖13、圖14所示。

圖13 DK335+904斷面拱頂下沉監(jiān)測曲線

圖14 DK335+904斷面水平收斂監(jiān)測曲線

通過現場實際監(jiān)測資料統(tǒng)計分析,第一層支護施工完后,最大變形約197 mm,變形基本穩(wěn)定,給二次模筑支護提供了施作時間,也保證了施工安全。

7 結語

目前祁連山隧道碎屑流地層已順利施工600多m,施工工法采用三臺階臨時仰拱法,施工中圍巖變形得到了有效控制,施工安全得到了保證,根據施工監(jiān)測資料,最大變形為197 mm,在設計容許范圍之內,設計及施工措施合理、可行。

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