張集鐵路舊堡隧道斷層破碎帶初期支護(hù)大變形原因分析及治理措施

李 翔，劉占峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 工程背景

新建張家口至集寧鐵路全長(zhǎng)178.01 km，是我國(guó)鐵路網(wǎng)京蘭通道的組成部分、一次性建成的復(fù)線工程，速度目標(biāo)值160 km/h。舊堡隧道是該線控制性工程，位于河北省張家口市西約40 km處的萬(wàn)全縣舊堡鎮(zhèn)與尚義縣土夭溝村之間，于外長(zhǎng)城下穿越東洋河與洗馬林河的分水嶺，地貌屬洋河斷陷盆地西緣之冀北低中山區(qū)，隧道全長(zhǎng)9 585 m，最大埋深493 m［9］，單洞雙線，斷面面積138 m2，洞身變質(zhì)巖構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，圍巖開(kāi)挖級(jí)別以Ⅳ～Ⅴ級(jí)為主，隧道采用新奧法原理組織施工，施工至斷層破碎帶DK29+376～406地段多次發(fā)生溜渣突泥突水并引起大變形等地質(zhì)災(zāi)害，處理塌方變形時(shí)間達(dá)6個(gè)月，造成工期嚴(yán)重滯后，成本增加，也給施工帶來(lái)較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

隧道范圍穿越地層較復(fù)雜，進(jìn)口附近為第四系上更新統(tǒng)坡洪積(Q3dl+pl)新黃土夾砂礫石，洞身范圍為太古界馬市口組(Arm)麻粒巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、磁鐵石英巖及太古界下白窯組(Arx)淺粒巖，局部可見(jiàn)基性輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。斷層破碎帶地段分布為構(gòu)造擠壓破碎巖與泥質(zhì)夾層。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶南部，中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山沉降帶與內(nèi)蒙古地軸分界處。北部屬內(nèi)蒙古地軸，南部屬燕山沉降帶。構(gòu)造形跡以斷裂為主，褶皺相對(duì)弱一些，巖漿活動(dòng)比較強(qiáng)烈。在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了三期較明顯的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，分別為前震旦紀(jì)、中生代及新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加造成地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜。

隧道區(qū)中生代構(gòu)造以一條北北東向逆沖斷裂(F3)為區(qū)內(nèi)構(gòu)造主線，與之配套的則為斷裂上下盤(pán)的一系列褶皺構(gòu)造。根據(jù)調(diào)查，在DK30+260附近處可見(jiàn)順片理穿插厚8.0～10.0 m花崗偉晶巖脈以及規(guī)模只有1.0～2.0 m厚的數(shù)條巖脈，該處巖層呈小背斜狀，東翼產(chǎn)狀120°∠49°，西翼產(chǎn)狀195°∠8°。分水嶺附近為復(fù)向斜的軸部，小里程端表現(xiàn)尤其明顯;此外，隧道區(qū)斷裂也較多，除大斷層F3外，還存在12條小斷裂［9］。

根據(jù)野外、洞內(nèi)地質(zhì)詳查和節(jié)理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)節(jié)理主要有4 組［10］，產(chǎn)狀分別為①130°～150°∠34°～55°，②200°～225°∠57°～84°，③280°～300°∠30°～45°，④40°～65°∠70°～82°。

2.3 地下水特征

舊堡隧道地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水及賦存于斷層及影響帶中呈帶狀的構(gòu)造裂隙水?；鶐r裂隙水，又分基巖裂隙潛水和承壓水兩類(lèi)?；鶐r裂隙潛水分布較廣，以淺部為主，含于基巖風(fēng)化帶、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中。而承壓水則是由于該隧道圍巖—太古界變質(zhì)巖受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，節(jié)理裂隙發(fā)育程度不同，且多期巖脈的侵入和斷裂的切割使軟弱構(gòu)造破碎帶中含有斷層泥或構(gòu)造夾泥層，對(duì)地下水運(yùn)移形成切割阻隔作用，形成了部分地段和層位含水、部分地段和層位隔水的構(gòu)造，形成了局部承壓含水體?？辈熨Y料中對(duì)隧道涌水量進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)［4］，隧道一般涌水量在16 013 m3/d左右，最大涌水量在61 157 m3/d左右，其中DK28+380～DK29+630段最大涌水量在17 688 m3/d左右［9］。

3 圍巖變形過(guò)程及原因分析

3.1 圍巖變形過(guò)程

隧道DK29+376～406段為F3斷層破碎帶，2010年 2月 26日施工至 DK29+406、仰拱至DK29+376，掌子面出現(xiàn)股狀涌水、溜渣，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)噴射混凝土封閉并開(kāi)始全斷面徑向注漿加固。3月4日對(duì)DK29+389～400段進(jìn)行套拱，3月6日套拱施作，拱架采用I20b型鋼，間距0.8 m，施作過(guò)程中水量突然加大，由日常50 m3/h持續(xù)增加到150 m3/h，最大達(dá)到200 m3/h，初支混凝土剝落，初期支護(hù)大面積開(kāi)裂脫落，鋼架扭曲變形，部分變形嚴(yán)重的鋼架銼斷并發(fā)生塌方，如圖1、圖2所示，右側(cè)初支收斂大的已沒(méi)有襯砌厚度，至3月底變形收斂趨于緩和，后期至8月底是加固換拱作業(yè)。

圖1 初期支護(hù)大面積開(kāi)裂脫落

圖2 初期支護(hù)變形開(kāi)裂鋼架彎折

3月份DK29+320～+450段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該段收斂變形最大處在DK29+390，至3月底其中導(dǎo)拱頂沉降位移最大值為46.7 cm，左側(cè)邊墻收斂46.3 cm，右側(cè)188.4 cm。收劍變形監(jiān)測(cè)結(jié)果［10］如圖3、圖4所示。

3.2 變形原因分析

3.2.1 巖性特點(diǎn)

圖3 DK29+320～DK29+450段圍巖收斂變形曲線

圖4 DK29+390斷面收斂變形－時(shí)間曲線

舊堡隧道研究段范圍內(nèi)出露地層巖性為太古界馬市口組(Arm)麻粒巖(或稱(chēng)二輝斜長(zhǎng)片麻巖)和黑云母斜長(zhǎng)片麻巖。這是一套深變質(zhì)、淺色麻粒巖相變質(zhì)巖建造，具花崗變晶結(jié)構(gòu)，弱片麻狀構(gòu)造。該套變質(zhì)巖系屬正片麻巖，即由中酸性淺層巖變質(zhì)而成的。試驗(yàn)測(cè)得天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為0.22 MPa，風(fēng)干狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa。構(gòu)造擠壓破碎帶的軟化系數(shù) Ks＜ 0.22/1.8=0.12［9］。可見(jiàn)構(gòu)造擠壓破碎巖不僅屬于極軟巖、弱膨脹巖，而且是易軟化巖石。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，易發(fā)生蝕變及形成構(gòu)造擠壓破碎巖與泥質(zhì)夾層。構(gòu)造擠壓破碎巖與泥質(zhì)夾層的黏土礦物主要以綠泥石和蒙脫石混層礦物為主，占黏土礦物總量的75% ～78%，其次是綠泥石、高嶺石等。構(gòu)造擠壓破碎巖及巖體內(nèi)極其發(fā)育的構(gòu)造泥質(zhì)夾層和斷層泥具有弱中膨脹性，天然含水量高并接近塑限，極易吸水軟化。

3.2.2 結(jié)構(gòu)面特征

根據(jù)詳細(xì)野外和洞內(nèi)地質(zhì)詳查，圍巖軟弱結(jié)構(gòu)面有節(jié)理、構(gòu)造擠壓破碎帶。通過(guò)節(jié)理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)節(jié)理主要有4組［6］，這幾組節(jié)理密度低形成節(jié)理密集帶，而且貫通性強(qiáng)，將巖體切割成菱形塊狀，節(jié)理面充填薄層黑色、墨綠色泥質(zhì)物，擦痕鏡面明顯。

構(gòu)造擠壓破碎帶非常發(fā)育，走向NWW，陡傾，與隧道軸線小角度相交。構(gòu)造擠壓破碎帶［1］由斷層泥或構(gòu)造泥質(zhì)夾層、壓碎巖構(gòu)成，斷層泥包裹著被壓碎的巖屑，中弱膨脹性，干燥時(shí)強(qiáng)度較高，遇水后迅速崩解。壓碎巖表現(xiàn)為灰白色透鏡狀麻粒巖碎裂巖塊，被暗綠色斷層泥或泥質(zhì)夾層分隔，結(jié)構(gòu)面上極發(fā)育擦痕及摩擦鏡面，表現(xiàn)出明顯的擠壓錯(cuò)動(dòng)痕跡;隧道開(kāi)挖卸荷后張開(kāi)性好。這種構(gòu)造擠壓破碎帶在隧道斷面內(nèi)分布廣泛，與節(jié)理化麻粒巖相間產(chǎn)出，成為研究段隧道控制性結(jié)構(gòu)面之一。

3.2.3 多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加

由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，斷裂構(gòu)造兼具壓扭性推覆構(gòu)造特征及張扭性斷裂特征［5］。早期該斷裂是北北東向斷裂構(gòu)造組合中的一條，為壓扭性推覆逆斷層，斷層帶中可見(jiàn)高嶺土化、褐鐵礦化變質(zhì)現(xiàn)象;后期發(fā)生脆性張扭性斷裂，表現(xiàn)為順斷層帶方向發(fā)育花崗偉晶巖脈，順應(yīng)力面片理、劈理發(fā)育，斷層帶附近巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，斷層角礫多呈棱角狀。

3.2.4 地下水共同作用

舊堡隧道地下水類(lèi)型主要為裂隙水，太古界麻粒巖受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層破碎帶常因張開(kāi)性好、構(gòu)造角礫膠結(jié)松散、孔隙較大而容易形成具有較大儲(chǔ)水空間［3］。隧道的施工開(kāi)挖又使破碎帶外側(cè)巖體構(gòu)造面尤其是密閉節(jié)理面張開(kāi)，基巖裂隙水與破碎帶中地下水連通性加強(qiáng)，造成裂隙間細(xì)粒流失［8］，加劇了構(gòu)造擠壓破碎巖浸水后呈不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生崩解、膨脹、軟化和沿裂隙面開(kāi)裂現(xiàn)象。

4 圍巖變形段治理措施

針對(duì)隧道DK29+376～406段塑性變形、塌方，經(jīng)過(guò)多次處理方案研究和召開(kāi)專(zhuān)家會(huì)議論證后，主要采取如下措施。

(1)加強(qiáng)錨桿及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)錨桿對(duì)控制圍巖大變形有很好的作用，要求加強(qiáng)錨桿的施作質(zhì)量。左側(cè)邊墻錨桿長(zhǎng)4.5 m，縱向間距0.8 m，環(huán)向間距1.0 m，右側(cè)拱部及邊墻采用長(zhǎng)8 m自進(jìn)式錨桿，縱向間距0.8 m，環(huán)向間距1.0 m。本段變形地段采用V級(jí)承壓斷面，邊墻仰拱厚度60 c m，仰拱65 cm。采用鋼筋混凝土襯砌，主筋φ25 mm，間距20 cm。初期支護(hù)采用H200型鋼鋼架，間距0.8 m，縱向連接采用I20b型鋼連接，間距1.0 m，單層φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm，預(yù)留變形量根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況預(yù)留 30 ～35 cm。［2］

(2)注漿加固

對(duì)DK29+376～DK29+406段松動(dòng)圍巖以及對(duì)右側(cè)臨擋護(hù)墻后松動(dòng)巖體進(jìn)行注漿加固，施工中采用外堵內(nèi)固注漿法設(shè)計(jì)理念［7］，對(duì)變形松動(dòng)圈以外巖體注漿形成止水帷幕封堵地下水，對(duì)已變形松動(dòng)巖體注漿加固，為防止水壓力過(guò)大，以減少地下水對(duì)初期支護(hù)的壓力，在兩端設(shè)置泄水孔。實(shí)施過(guò)程中采用φ42 mm小導(dǎo)管，長(zhǎng) 6.0 m，間距 1.5 m ×1.5 m;泄水孔間距 3 m×3 m，梅花形布置。注漿材料以硫鋁酸鹽水泥單液漿［水灰比(1～1.2)∶1］為主，普通水泥單液漿［水灰比0.8～1∶1］、普通水泥 -水玻璃雙液漿［水灰比(0.8～1)∶1］為輔。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以定量定壓相結(jié)合控制，即單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2倍(每延米1.2 m3)，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓 3.0 ～4.0 MPa并維持10 min以上可結(jié)束該孔。

(3)增設(shè)臨擋護(hù)墻

右側(cè)增設(shè)臨擋護(hù)墻進(jìn)行應(yīng)急處理。擋墻內(nèi)布設(shè)I16b型鋼，鋼架縱向間距1.2 m，擋墻每4 m澆筑一段。待加固完成穩(wěn)定后進(jìn)行拆除換拱處理。該段擋墻加固橫斷面見(jiàn)圖5［10］。增設(shè)臨擋護(hù)墻共有3個(gè)方案，方案優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

圖5 臨擋護(hù)墻加固橫斷面(單位:cm)

表1 臨擋護(hù)墻方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

綜合考慮各種因素，推薦采用方案二。

(4)加強(qiáng)初期后換拱

對(duì)DK29+376～DK29+391段止?jié){擋墻拆除后進(jìn)行換拱，并先采取掛板混凝土加強(qiáng)初期支護(hù)，混凝土厚30cm。對(duì)DK29+391～DK29+406段侵限的部位進(jìn)行換拱處理，初期支護(hù)先采用掛板混凝土加強(qiáng)支護(hù)，換拱結(jié)束后，抓緊施工二次襯砌。

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，通過(guò)全段注漿加固、加強(qiáng)錨桿和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、增設(shè)臨擋護(hù)墻、拆除后重新施作，通過(guò)有效的注漿、逐段拆除，最終使該段圍巖大變形得到控制，保證了施工質(zhì)量。舊堡隧道自2010年底貫通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

5 認(rèn)識(shí)及建議

(1)舊堡隧道發(fā)生斷層破碎帶塌方大變形原因主要是由于地質(zhì)復(fù)雜條件造成的，是太古界變質(zhì)巖的巖性結(jié)構(gòu)特征、多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加及地下水的共同作用，導(dǎo)致斷層破碎帶松弛的結(jié)果。只有對(duì)變質(zhì)巖巖性結(jié)構(gòu)特征和地下水對(duì)斷層破碎帶的影響進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，施工中處理好地下水，堵排結(jié)合，避免地下水聚集，減小地下水的連通性，同時(shí)盡快使初支封閉成環(huán)，抓緊施工二次襯砌，避免隧道開(kāi)挖卸荷后巖體構(gòu)造面尤其是密閉節(jié)理面張開(kāi)，才能避免塌方大變形事故的發(fā)生。

(2)對(duì)隧道塌方變形的處理應(yīng)在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)、注漿加固、排堵地下水幾個(gè)方面綜合考慮，單一的加強(qiáng)支護(hù)或盲目的排水、堵水均不利于塌方變形事故的處理。

(3)變形處理場(chǎng)地施作困難時(shí)，臨時(shí)增設(shè)擋墻作為止?jié){墻，先避開(kāi)變形段落繼續(xù)向前掘進(jìn)，然后迂回處理，通過(guò)選擇合適的管棚錨桿長(zhǎng)度和注漿參數(shù)，采用縱向側(cè)向注漿處理，待加固穩(wěn)定后逐段拆除換拱處理，既贏得了施工掘進(jìn)的時(shí)間又有較大的作業(yè)空間，同時(shí)也有利于安全救援。后期施工實(shí)踐證明，增設(shè)擋墻作為止?jié){墻方案是可取的。

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