高原隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)

劉萬(wàn)生

(中鐵十六局集團(tuán) 第一工程有限公司，北京 101300)

高原隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)

劉萬(wàn)生

(中鐵十六局集團(tuán) 第一工程有限公司，北京 101300)

詳細(xì)介紹了關(guān)角隧道穿越F2-1斷層破碎帶的施工技術(shù)，內(nèi)容包括斷層特征、施工難度、采取的措施(上下臺(tái)階、上臺(tái)階預(yù)留核心土、拱墻設(shè)置注漿導(dǎo)管等)、施工步驟以及關(guān)鍵工序控制。施工實(shí)踐表明，所介紹的施工方案合理可行，效果較好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

高原 隧道 斷層 施工方案

1 工程概況

青藏鐵路西格二線關(guān)角隧道為雙線雙洞隧道，全長(zhǎng)32.645 km，采用鉆爆法施工，隧道通過(guò)區(qū)屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，最大凍結(jié)深度299 cm，海拔高程3 400～4 500 m。

隧道洞身通過(guò)400 m的F2-1斷層破碎帶，組成物質(zhì)為碎裂巖、壓碎巖，原巖成分以志留系板巖、片巖為主，片層狀構(gòu)造，層厚1～2 cm，傾角陡傾且不規(guī)則，走向基本與線路一致，不規(guī)則夾有石英細(xì)脈;巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，擠壓構(gòu)造作用強(qiáng)烈，擠壓揉皺明顯，巖體破碎。開(kāi)挖后渣體基本呈碎屑、碎片狀，局部夾有斷層泥，局部有滲水，拱頂?shù)魤K、坍塌嚴(yán)重，初期支護(hù)極易發(fā)生變形。在實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)超前支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)等措施，取得的效果均較差。

2 施工技術(shù)措施

2.1 技術(shù)措施的主要思路

由于圍巖破碎，施作長(zhǎng)管棚鉆孔難度較大，經(jīng)過(guò)多方比選和施工軟弱圍巖隧道的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定了以下施工工藝技術(shù)思路。

采取上下臺(tái)階、上臺(tái)階預(yù)留核心土環(huán)形導(dǎo)坑開(kāi)挖，下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖。由于圍巖主要為片巖，巖質(zhì)較軟，可采用機(jī)械和人工配合的方法進(jìn)行環(huán)形導(dǎo)坑的開(kāi)挖，不僅對(duì)圍巖擾動(dòng)小，并且減小了上臺(tái)階的開(kāi)挖面積，及早施作了上臺(tái)階初期支護(hù)，較好地控制了圍巖的變形。下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)鋼架應(yīng)力影響明顯，因此下臺(tái)階分左右側(cè)開(kāi)挖，可避免兩側(cè)鋼架同時(shí)懸空，有利于控制鋼架的整體沉降。

拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置超前φ42徑向注漿小導(dǎo)管，導(dǎo)管長(zhǎng)度5 m，其余均設(shè)置φ42徑向注漿小導(dǎo)管代替砂漿錨桿，導(dǎo)管長(zhǎng)度4 m。目的是加固周邊圍巖，防止圍巖自身不穩(wěn)發(fā)生變形，確保開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定，改善隧道圍巖狀況，預(yù)防了隧道塌方。

采用超短臺(tái)階法開(kāi)挖，嚴(yán)格控制臺(tái)階長(zhǎng)度，人工配合機(jī)械開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，設(shè)置臨時(shí)橫向水平鋼支撐控制邊墻變形。由于斷面初期支護(hù)受壓不均勻，拱部及邊墻處偏壓較嚴(yán)重，為平衡洞內(nèi)變形，設(shè)置I16臨時(shí)橫撐輔助施工。同時(shí)關(guān)角隧道地處高原，施工人員多從內(nèi)地上場(chǎng)，高原缺氧條件下人員施工效率降低，采用超短臺(tái)階人工配合機(jī)械開(kāi)挖，可以降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

控制仰拱距掌子面距離不超過(guò)16 m，二襯距離掌子面不超過(guò)24 m，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

2.2 施工工序及關(guān)鍵工序控制

2.2.1 施工工序

超前導(dǎo)管施作及注漿→上臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù)→上臺(tái)階鎖腳錨管施作并注漿→下臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù)→下臺(tái)階鎖腳錨管施作并注漿→下臺(tái)階拱腳增設(shè)臨時(shí)水平支撐→拱墻施作徑向注漿管并注漿→仰拱開(kāi)挖及基底初期支護(hù)→仰拱填充及澆筑混凝土→施作防水板、澆拱圈混凝土。

2.2.2 超前導(dǎo)管支護(hù)

拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置φ42小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5 m，外插角5°～10°，環(huán)向間距40 cm，搭接長(zhǎng)度≥1 m。由于圍巖破碎，導(dǎo)管只在末端30 cm內(nèi)設(shè)置孔眼，避免安裝過(guò)程中破碎圍巖碎屑及滲水大量進(jìn)入導(dǎo)管，影響注漿效果。

2.2.3 開(kāi)挖支護(hù)

采用上下臺(tái)階、上臺(tái)階預(yù)留核心土導(dǎo)坑開(kāi)挖。上臺(tái)階長(zhǎng)度不超過(guò)4 m，初期支護(hù)參數(shù)除拱部120°范圍設(shè)超前導(dǎo)管注漿外，邊墻采用φ42小導(dǎo)管預(yù)注水泥漿加固地層(圖1)，擴(kuò)散半徑1.5 m，小導(dǎo)管長(zhǎng)4 m，外插角90°，環(huán)向間距100 cm，縱向間距100 cm，梅花形布設(shè)。全斷面設(shè)2榀/m的I20型鋼鋼架，各臺(tái)階鋼架底部設(shè)I16橫撐，施工中進(jìn)行倒用;拱墻設(shè) φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;全斷面噴混凝土厚30 cm。

圖1 隧道斷層破碎帶徑向注漿導(dǎo)管示意(單位:cm)

小導(dǎo)管施工采用風(fēng)鎬震動(dòng)打入圍巖，要嚴(yán)格控制環(huán)向間距和角度。開(kāi)挖過(guò)程中每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，要嚴(yán)格控制臺(tái)階長(zhǎng)度，規(guī)范臺(tái)階法施工工藝，要預(yù)留核心土，即先開(kāi)挖拱圈、邊墻，支護(hù)完成后再開(kāi)挖中間的核心土。鋼拱架架設(shè)完成并噴射混凝土后及時(shí)架立水平橫支撐，確保穩(wěn)定。

2.2.4 仰拱及二襯施工

初期支護(hù)仰拱每循環(huán)開(kāi)挖不超過(guò)3 m，架設(shè)棧橋平臺(tái)保證前方掌子面正常施工，初期支護(hù)每循環(huán)閉合成環(huán)后及時(shí)拆除下臺(tái)階的臨時(shí)水平橫撐。

隧道襯砌應(yīng)嚴(yán)格遵循“仰拱超前、拱墻整體襯砌”的原則。初期支護(hù)仰拱完成后，為有效地控制其變形，二襯仰拱盡量緊跟施工，即待初期支護(hù)仰拱完成6 m后，及時(shí)綁扎二襯仰拱鋼筋、澆筑混凝土施作二襯仰拱，并進(jìn)行全幅一次性施工。二襯仰拱施作完成后，利用多功能作業(yè)平臺(tái)人工鋪設(shè)防水板，綁扎鋼筋，采用液壓整體式襯砌臺(tái)車施作拱墻二次襯砌，采用一次性整體灌筑施工。

2.2.5 監(jiān)控量測(cè)

1)量測(cè)內(nèi)容及頻率

斷層破碎帶隧道監(jiān)控量測(cè)包括水平收斂量測(cè)和拱頂下沉量測(cè)。

洞內(nèi)觀察分為開(kāi)挖工作面觀察和初期支護(hù)狀況觀察兩部分。開(kāi)挖工作面觀察應(yīng)在每次開(kāi)挖后進(jìn)行，地質(zhì)情況基本無(wú)變化時(shí)，可每天進(jìn)行一次。對(duì)初期支護(hù)的觀察也應(yīng)每天至少進(jìn)行一次，觀察內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的狀況。

凈空水平收斂量測(cè)和拱頂下沉量測(cè)采用相同的量測(cè)頻率。量測(cè)頻率根據(jù)測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖面的距離及位移速度，按表1選擇較高的一個(gè)量測(cè)頻率。當(dāng)下沉量大時(shí)，除量測(cè)拱頂下沉，尚應(yīng)量測(cè)拱腰下沉及基底隆起量。

2)資料整理及效果分析

表1 監(jiān)控量測(cè)頻率

圖2 F2-1斷層破碎帶區(qū)段拱頂沉降曲線

量測(cè)資料應(yīng)及時(shí)整理，根據(jù)量測(cè)結(jié)果，繪制位移及位移速度隨時(shí)間變化的曲線、位移及位移速度與開(kāi)挖工作面距離的關(guān)系曲線，判斷隧道圍巖及初期支護(hù)的穩(wěn)定性，檢查支護(hù)效果，為施工提供信息，并根據(jù)量測(cè)反饋信息，及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)。

由F2-1斷層破碎帶區(qū)段拱頂沉降曲線(圖2)看出，采用原設(shè)計(jì)支護(hù)方案拱頂沉降在21 mm左右，在DYK283+940—DYK283+977段由于塌方影響，拱頂變形達(dá)到88 mm。采用加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)后，沉降基本穩(wěn)定在11.3 mm左右。說(shuō)明采用加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)后有效控制了洞室變形，且預(yù)防了塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

在關(guān)角隧道穿越斷層破碎帶施工過(guò)程中，通過(guò)拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置φ42超前注漿導(dǎo)管，拱墻設(shè)置 φ42徑向注漿小導(dǎo)管，采用上下短臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階預(yù)留核心土，嚴(yán)格控制臺(tái)階長(zhǎng)度，設(shè)置臨時(shí)橫向水平鋼支撐，并保證仰拱距掌子面距離不超過(guò)16 m，二襯距離掌子面不超過(guò)24 m的施工方法，保證了施工安全快速進(jìn)行。目前施工已基本順利通過(guò)斷層破碎段，得到了青藏公司、監(jiān)理及兄弟單位的一致好評(píng)。

［1］雷春潔．超前支護(hù)在淺埋及軟弱圍巖隧道施工中的運(yùn)用［J］．鐵道建筑，2009(5):37-39．

［2］謝文達(dá)，彭峰，單紅雨．?dāng)鄬訔l件下的隧道預(yù)支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［J］．鐵道建筑，2011(3):35-38．

［3］馮衛(wèi)星，吳康保．鐵路隧道設(shè)計(jì)［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，1998．

［4］馮衛(wèi)星，況勇，陳建軍．隧道坍方案例分析［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2002．

［5］鐵道部基本建設(shè)總局．鐵路隧道新奧法指南［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1988．

U455．49

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．23

1003-1995(2013)04-0074-03

2012-11-26;

2012-12-20

劉萬(wàn)生(1974— )，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)