大跨度特長(zhǎng)隧道穿越煤系地層的防侵陷處治研究

葉志華， 王　升， 王冬魁， 袁隆平， 袁永才

(1. 湖北省保宜高速公路建設(shè)指揮部， 湖北 宜昌　444200；　2. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南　250061)

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大跨度特長(zhǎng)隧道穿越煤系地層的防侵陷處治研究

葉志華1， 王升2， 王冬魁1， 袁隆平1， 袁永才2

(1. 湖北省保宜高速公路建設(shè)指揮部， 湖北 宜昌444200；2. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南250061)

[摘要]煤系地層軟弱破碎帶是隧道開(kāi)挖支護(hù)施工中風(fēng)險(xiǎn)較多、容易出現(xiàn)事故的地段之一。結(jié)合湖北省保宜高速公路紅巖寺隧道的實(shí)例，該隧道穿越軟弱破碎煤系地層，屬典型煤系地層隧道；鑒于煤系地層圍巖軟弱破碎的嚴(yán)重程度,為安全起見(jiàn),用精度較高、距離較短的地質(zhì)雷達(dá)對(duì)揭露煤層進(jìn)行了超前預(yù)報(bào)。首先對(duì)其施工過(guò)程中面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合分析,包括揭煤施工風(fēng)險(xiǎn)、瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)、采空區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)、圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)以及塌方風(fēng)險(xiǎn)等。進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)圍巖大變形提出了風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施,包括安全管理與地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)初期支護(hù)參數(shù)、超前小導(dǎo)管注漿加固、調(diào)整施工工法和安全步距、排水措施及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等。同時(shí)，對(duì)施工中收斂變形、拱頂下沉等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線分析，動(dòng)態(tài)反饋于施工過(guò)程中。該方法在隧道穿越煤層軟弱破碎帶施工指導(dǎo)中取得了令人滿意的結(jié)果。

[關(guān)鍵詞]煤系地層； 大變形； 地質(zhì)雷達(dá)； 超前小導(dǎo)管注漿

1緒論

隨著西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，公路山嶺隧道將越來(lái)越多，出現(xiàn)了一些隧道穿越煤層的現(xiàn)象。煤系地層軟弱破碎帶是隧道施工過(guò)程中危害最為嚴(yán)重的不良地質(zhì)之一，由于巖層的地質(zhì)成因復(fù)雜，施工事故具有突發(fā)性，所以處治不當(dāng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的災(zāi)害問(wèn)題，如瓦斯爆炸或燃燒風(fēng)險(xiǎn)、煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)以及煤系地層圍巖大變形甚至塌方風(fēng)險(xiǎn)。因此，僅靠常規(guī)的隧道施工技術(shù)和施工方法是很難克服隧道塌方、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害的。因此，施工過(guò)程中除了遵守一般技術(shù)要求外，還應(yīng)采取針對(duì)性較強(qiáng)的防御措施[1-4]。

曾治[5]以梅河高速公路葵崗隧道煤系地層的坍塌處理為例，分析了隧道煤系地層發(fā)生坍塌的原因及處理方案。喻軍[6]根據(jù)穿越軟弱煤系地層的蛟嶺隧道，重點(diǎn)研究了隧道瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定及通風(fēng)設(shè)計(jì)，煤與瓦斯的防突防爆及混凝土氣密性特性。李樹(shù)良[7]就神朔鐵路梁家山單線隧道和蛇口崩雙線隧道施工中遇到的水平煤系地層塌方成因及防治措施進(jìn)行了探討。黃躍[8]針對(duì)葵崗隧道掉塊、塌方情況，分析了塌方原因，提出了塌方發(fā)生后相應(yīng)的加固處理措施。楊治崗、夏承明[9，10]以常家山隧道、某大跨度淺埋煤系地層隧道為研究背景，在分析其塌方原因的基礎(chǔ)上提出了合理的處理方案。由現(xiàn)有的資料來(lái)看，對(duì)穿越煤系地層的公路山嶺隧道進(jìn)行系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)較少，缺乏對(duì)煤系地層變形、煤系地層瓦斯等病害綜合整治與對(duì)策、施工技術(shù)的綜合研究。

本文針對(duì)保宜高速公路紅巖寺隧道穿越煤系地層破碎帶力學(xué)特性進(jìn)行了介紹，并提出了行之有效的防治措施，以供同類工程參考。本文的研究對(duì)于豐富、深入認(rèn)識(shí)隧道特殊軟巖失穩(wěn)及控制手段等方面具有重要意義。

2工程概況

2.1工程概況

紅巖寺隧道是擬建的湖北省?？抵烈瞬咚俟废尻?yáng)段的一座分離式隧道，左線起訖樁號(hào)ZK14+962～ZK21+640，長(zhǎng)6678m，屬特長(zhǎng)隧道，最大埋深約655.6m，進(jìn)洞口走向方位角178°，出洞口走向方位角175°；右線起訖樁號(hào)YK14+915～YK21+661，長(zhǎng)6746m，屬特長(zhǎng)隧道，最大埋深約654.5m，進(jìn)洞口走向方位角178°，出洞口走向方位角175°。進(jìn)洞口洞門擬采用端墻式，出洞口洞門擬采用削竹式，單洞凈空(寬×高)： 10.25×5.0m。

2.2地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔等勘察手段得出，隧址區(qū)揭示出三疊系嘉陵江組(T1j)白云質(zhì)灰?guī)r、大冶組(T1d)灰?guī)r、二疊系龍?zhí)督M(P2l)頁(yè)巖、茅口組(P1m)灰?guī)r、棲霞組(P1q)灰?guī)r、志留系砂帽組(S2s)粉砂巖及羅惹坪組(S1lr)頁(yè)巖。巖性特征見(jiàn)表1。

表1 地層巖性特征表Table1 Stratigraphicandlithologiccharacteristics系統(tǒng)、組層號(hào)巖性特征描述揭露最大厚度/m第四系全新統(tǒng)①覆蓋層:工程性質(zhì)差17.5下統(tǒng)嘉陵江組②灰色中～厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主,夾微晶灰?guī)r地調(diào)可見(jiàn)下統(tǒng)大冶組③灰?guī)r:淺灰、肉紅色薄層灰?guī)r夾中厚層微晶灰?guī)r448.8,未揭穿三疊系④ 糜棱巖:淺灰色,糜棱結(jié)構(gòu),條帶狀構(gòu)造,成分為灰?guī)r,巖體受構(gòu)造影響、擠壓。巖質(zhì)軟,錘擊易沿裂隙面斷開(kāi),風(fēng)干易散23.5 上統(tǒng)龍?zhí)督M ⑤ 灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)粉砂巖、灰色厚層狀含鐵質(zhì)細(xì)粒石英砂巖夾中層灰?guī)r、透鏡狀灰?guī)r、煤層地調(diào)可見(jiàn) 二疊系下統(tǒng)茅口組⑥灰色、淺灰色厚層塊狀含燧石結(jié)核生物屑微晶灰?guī)r地調(diào)可見(jiàn)下統(tǒng)棲霞組⑦灰?guī)r:深灰～灰黑色厚層狀含燧石結(jié)核(或團(tuán)塊)生物屑泥晶灰?guī)r線路外鉆孔中統(tǒng)砂帽組⑧粉砂巖:粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)地調(diào)可見(jiàn)志留系 下統(tǒng)羅惹坪組 ⑨ 頁(yè)巖:灰褐色,主要成份為粘土礦物,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造,巖芯呈碎屑狀、碎塊狀及短柱狀258.3,未揭穿

2.3地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)

本隧道區(qū)域上位于聚龍山—肖家堰復(fù)向斜核部，并與通城河斷裂帶(F2)相交。

聚龍山—肖家堰復(fù)向斜區(qū)域上軸線呈近東西～北西西向，核部由三疊系組成，兩翼地層為二疊系及志留系，該向斜北翼局部呈倒轉(zhuǎn)狀。軸部地層陡立，傾角多在60°～85°，兩翼地層傾角多在30°～50°。本隧道軸線近南北走向，垂直穿越聚龍山—肖家堰復(fù)向斜軸部。

通城河斷裂始于后坪，經(jīng)馬良、通城河向南延出區(qū)外，基本與通城河相伴平行展布。系由一組寬約1～2 km的斷裂帶組成。斷裂切割二疊系、三疊系和白堊系，形成了控制遠(yuǎn)安地塹的西側(cè)斷裂帶。該斷裂呈北西向展布，為逆斷層，產(chǎn)狀60～90°∠50～80°。斷裂帶與復(fù)向斜平面上呈近正交，斷層兩盤地層在平面上錯(cuò)動(dòng)距離達(dá)1km以上。受斷層及復(fù)向斜影響，隧道沿線地層變化頻繁，斷裂帶附近有若干派生的分支斷層，在ZK19+200～ZK29+420附近呈現(xiàn)最為明顯。本隧道ZK14+962～ZK18+200段軸線與通城河斷裂帶走向近平行，平面相距700～900 m(地表)，于K19+200～K29+420(地表投影樁號(hào))呈大角度相交。

紅巖寺隧道所處位置區(qū)域范圍內(nèi)，進(jìn)口段有桂河經(jīng)過(guò)；山間溝谷有常流水，但無(wú)降雨時(shí)水量較小，與巖溶泉水相通；出口端通小河溝，匯入沮河。根據(jù)地表水文點(diǎn)觀察，結(jié)合地形地貌，巖性和構(gòu)造條件判斷，項(xiàng)目區(qū)匯水面積大，局部地表水排泄條件較差，地下水比較發(fā)育，以巖溶水及第四系孔隙水和基巖裂隙水為主。

3隧址區(qū)煤系地層圍巖揭露情況

紅巖寺隧道開(kāi)挖是從兩頭同時(shí)向中間掘進(jìn)，紅巖寺隧道進(jìn)口左線段到樁號(hào)ZK15+792附近，根據(jù)隧道左洞掌子面開(kāi)挖揭露圍巖情況，巖體主要為二疊系棲霞組(P1q)底部炭質(zhì)灰?guī)r含薄層煤層及二疊紀(jì)龍?zhí)督M(P2l)下部炭山灣段頁(yè)巖和炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤線或薄煤層，碳質(zhì)頁(yè)巖厚度較大，極松軟，巖相變化較大，地層軟硬相間，如圖1所示。此段樁號(hào)的隧道走向與巖層小角度相交，圍巖抗風(fēng)化能力較差，結(jié)構(gòu)面極發(fā)育，表面光滑，圍巖穩(wěn)定性差；圍巖遇水后強(qiáng)度急劇下降，呈泥狀；圍巖以 V 級(jí)為主，屬煤系地層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，隧址區(qū)部分地層存在小煤窯，但含碳量低，基本不具備商業(yè)開(kāi)采價(jià)值，已被廢棄，可能出現(xiàn)瓦斯溢出。

煤系地層圍巖的特點(diǎn)是： ①通過(guò)煤層厚度較大，傾角陡緩多變，預(yù)測(cè)煤儲(chǔ)量較大； ②煤層自穩(wěn)能力極差，強(qiáng)度低，多呈泥狀、碎塊狀、鯪片狀，堅(jiān)固性系數(shù)f值較小； ③軟弱的煤系地層極為濕潤(rùn)，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形大，開(kāi)挖易發(fā)生塌方，對(duì)施工非常不利； ④煤層中瓦斯含量高，瓦斯?jié)舛取⑼咚箟毫ψ兓欢ǎ?⑤高壓力瓦斯、高地應(yīng)力與低煤層強(qiáng)度三者結(jié)合，致使煤層在開(kāi)挖暴露后有發(fā)生“突出”災(zāi)害的危險(xiǎn)； ⑥煤系地層可能有采煤活動(dòng)，其中采空區(qū)對(duì)工程的影響較為嚴(yán)重，直接關(guān)系到施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 掌子面揭露煤系地層圍巖情況Figure1 Surroundingrockoftunnelfacethroughcoalstrata

煤系地層公路隧道在施工過(guò)程中遇到的主要風(fēng)險(xiǎn)是： ①揭煤施工風(fēng)險(xiǎn)； ②瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)； ③采空區(qū)施工風(fēng)險(xiǎn)； ④大變形風(fēng)險(xiǎn)； ⑤軟弱破碎圍巖塌方風(fēng)險(xiǎn)[11]。煤系地層是危害較為嚴(yán)重的軟弱圍巖，其強(qiáng)度低，節(jié)理、層理異常發(fā)育，節(jié)理面光滑，層間膠結(jié)力小[12]，大斷面公路隧道穿越煤系地層時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較難控制，支護(hù)參數(shù)選取不合理會(huì)導(dǎo)致圍巖大變形，變形得不到控制進(jìn)而破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)。綜合以上因素，開(kāi)展對(duì)穿越煤系地層的公路山嶺隧道設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)系統(tǒng)研究是非常有意義的。

4地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及成果分析

4.1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法的原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是目前分辨率最高的工程地球物理方法，它是近些年迅速發(fā)展起來(lái)的一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)和終端設(shè)備(計(jì)算機(jī))等組成，見(jiàn)圖2。

圖2　探地雷達(dá)基本原理圖Figure 2　Basic principle of ground penetrating radar

發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過(guò)程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會(huì)發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號(hào)并將其數(shù)字化，然后由計(jì)算機(jī)以反射波波形的形式記錄下來(lái)。對(duì)所采集的資料進(jìn)行相應(yīng)的處理后，可根據(jù)反射波的傳播時(shí)間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布。探地雷達(dá)是在對(duì)反射波形特性分析的基礎(chǔ)上來(lái)判斷地下目標(biāo)體的，所以其探測(cè)效果主要取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強(qiáng)弱等。其中，目標(biāo)體與介質(zhì)間的電性差異越大，二者的接口就越清晰，表現(xiàn)在雷達(dá)剖面圖上就是同相軸不連續(xù)?？梢哉f(shuō)，目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異是探地雷達(dá)探測(cè)的基本條件。

4.2地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：地質(zhì)雷達(dá)輕便、操作比較靈活、探測(cè)快速，根據(jù)具體情況布置一些測(cè)點(diǎn)、測(cè)線或網(wǎng)絡(luò)。在測(cè)線、網(wǎng)格上的點(diǎn)距可根據(jù)具體工程所要求的精度選定，一般為30m，還可根據(jù)具體情況和需要而靈活加密或變稀。數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高。

缺點(diǎn)： 在含水?dāng)鄬悠扑閹?nèi)，雷達(dá)信號(hào)衰減較大，對(duì)長(zhǎng)距離的斷層破碎帶穿透力較差，探測(cè)對(duì)于寬度超過(guò)30m的煤層破碎帶，雷達(dá)波只在30m內(nèi)較為精確，遠(yuǎn)處未能進(jìn)行有效探測(cè)。另外，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)存在探測(cè)“盲區(qū)”。

4.3地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果解析

鑒于煤系地層圍巖軟弱破碎的變形嚴(yán)重程度,為安全考慮,對(duì)紅巖寺隧道左洞掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),天線頻率為100 MHz，采集樣本點(diǎn)為512。雷達(dá)圖像的判讀除了在雷達(dá)剖面圖上發(fā)現(xiàn)明顯的信號(hào)異常之外，還要注意觀察掌子面施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況，結(jié)合地質(zhì)方面的知識(shí)加以綜合判斷，根據(jù)這一原則對(duì)探測(cè)結(jié)果的資料分析整理成果如下：

由圖3可知: 掌子面前方5～9 m段、11～13 m段、18～20 m段、24～28 m段圍巖的雷達(dá)反射信號(hào)較為強(qiáng)烈，雷達(dá)反射波相位錯(cuò)亂，表明巖體破碎; 局部區(qū)域雷達(dá)反射波波幅明顯增大，波長(zhǎng)增長(zhǎng)，表明此區(qū)域巖體軟弱松散。結(jié)合地質(zhì)資料與現(xiàn)場(chǎng)勘查綜合分析認(rèn)為，異常區(qū)為軟弱破碎的煤系地層[13]。

圖3 ZK15+792掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Figure3 DetectionresultsofgeologicalradarintunnelfaceonsectionZK15+792

5煤系地層圍巖防治研究

隧道穿越煤系地層段采用“強(qiáng)通風(fēng)，短進(jìn)尺，少擾動(dòng)，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)”的處治原則。在隧道穿越煤系地層軟弱破碎帶，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)可能出現(xiàn)的局部地段圍巖軟弱破碎引起失穩(wěn)、塌方和可能遭遇的斷層、涌沙、涌水及時(shí)預(yù)測(cè)，明確位置、樁號(hào)、規(guī)模及發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)提醒施工人員采取合理措施，預(yù)防塌方。

5.1設(shè)計(jì)初期支護(hù)參數(shù)

在該段施工過(guò)程中，為避免產(chǎn)生較大變形，應(yīng)暫時(shí)停止開(kāi)挖，噴射混凝土盡快封閉工作面，以阻止對(duì)圍巖的進(jìn)一步擾動(dòng)，維持圍巖應(yīng)力在一定的水平保持不變，減小圍巖的塑性變形速率。I20a鋼拱架加密至50 cm一榀，設(shè)雙層Φ8鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm，增設(shè)鎖腳錨桿鎖腳，噴C25 早強(qiáng)混凝土封閉，預(yù)留變形量130 mm。如果某段圍巖變形較大，可將鎖腳錨桿改為長(zhǎng)6.0～8.0 m，錨桿尾端與鋼支撐焊接在一起，在鋼支撐基腳加墊縱向槽鋼[15];兩榀鋼拱架之間設(shè)置縱向連接筋，以增強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向整體剛度，提高拱腳承載力，從而將上覆松弛荷載傳遞向拱腳圍巖深部，有利于控制初期支護(hù)大變形。對(duì)煤層已開(kāi)挖段進(jìn)行徑向注漿加固，注漿小導(dǎo)管采用Φ42 mm×4 mm熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)4.5 m，每排小導(dǎo)管間距@60 cm×120 cm，注漿漿液與超前小導(dǎo)管注漿一致，如圖4所示。

圖4　徑向注漿示意圖Figure 4　Schematic showing radial grouting

本隧道主要承受松散荷載，開(kāi)挖后圍巖卸荷時(shí)間相對(duì)較快，這就要求初支在施作完成后第一時(shí)間內(nèi)有一定的強(qiáng)度和剛度。之所以選用鋼拱架：軟弱圍巖中，鋼筋格柵的應(yīng)力分布變異較大，局部易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而鋼拱架的應(yīng)力分布較均勻且隨時(shí)間變化較平穩(wěn)[14]。

5.2超前小導(dǎo)管注漿加固

采用Φ42 mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前預(yù)加固處理，注漿小導(dǎo)管選用Φ42 mm×4 mm熱軋無(wú)縫鋼管，外插角控制在10°～15°左右，單根長(zhǎng)度4.5 m，每排小導(dǎo)管間距@60 cm×120 cm，梅花樁布置，注漿液選用水泥砂漿(水灰比W/C=0.5～1，注漿壓力0.5～1 MPa)，當(dāng)需要加固底板地層時(shí)，采用純水泥漿，地下水較大時(shí)選用水泥-水玻璃雙液注漿(壓力3.5 MPa)。帷幕注漿應(yīng)遵循的原則：先仰拱，后邊墻，隔孔跳排注漿。見(jiàn)圖5。

圖5　掌子面超前小導(dǎo)管注漿示意圖Figure 5　Schematic showing advance small pipe grouting in 　tunnal face

由于煤系地層自穩(wěn)時(shí)間短，需采用強(qiáng)有力的超前支護(hù)以確保掌子面拱頂及其前方的穩(wěn)定性，故采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)。小導(dǎo)管長(zhǎng)4.5 m，縱向排距為1.5 m。

5.3合理調(diào)整施工工法和安全步距

將上下臺(tái)階法改為三臺(tái)階法[16]或預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法，并明確施工中的關(guān)鍵工序。實(shí)際施工過(guò)程中，軟弱圍巖段臺(tái)階之間距離過(guò)長(zhǎng)或者上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)長(zhǎng)，掌子面距離仰拱閉合斷面距離較遠(yuǎn)，初期支護(hù)未閉合段范圍較大，則初期支護(hù)將承受較大的圍巖壓力，易造成圍巖與支護(hù)體系大變形侵限或掌子面失穩(wěn)。若臺(tái)階之間步距較長(zhǎng)，則下臺(tái)階開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致支護(hù)體系穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化，面臨變形侵限或塌方等施工風(fēng)險(xiǎn)。所以上下臺(tái)階應(yīng)控制在1～1.5倍洞跨范圍內(nèi)，并根據(jù)初始施工階段幾個(gè)循環(huán)作業(yè)后的監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整各工序間的步距。

由于仰拱未施作段的初期支護(hù)拱腳基礎(chǔ)承載能力往往不足，隨著掌子面推進(jìn)，沉降變形必將隨之增加，不利于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)及時(shí)施作仰拱，使初期支護(hù)盡快閉合成環(huán)，從而增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，充分發(fā)揮閉合段和掌子面的縱向支撐作用。當(dāng)初期支護(hù)變形量較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌，進(jìn)一步加強(qiáng)前方開(kāi)挖段的縱向時(shí)空效應(yīng)。

5.4采取有效的排水措施

在距掌子面5 m處，離拱腳1.2 m較低處設(shè)置一積水溝，將掌子面滲水引流至積水溝中，采用10 m揚(yáng)程65LYZ-280型立式泥水排污泵引到洞內(nèi)襯砌水溝內(nèi)；掌子面涌水處采用打入小導(dǎo)管將水引出，用PVC管直接引到洞內(nèi)襯砌水溝內(nèi)，避免直接浸泡掌子面圍巖及初期支護(hù)拱腳。

5.5重視監(jiān)控量測(cè)信息反饋?zhàn)饔?/p>

施工過(guò)程中需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，必要時(shí)候應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)反饋信息，掌握初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。當(dāng)短時(shí)間發(fā)現(xiàn)內(nèi)某斷面拱頂下沉速率和變形量較大，初期支護(hù)混凝土發(fā)生開(kāi)裂等問(wèn)題時(shí)，應(yīng)立即停止掌子面開(kāi)挖，并及時(shí)采取加固措施，如對(duì)開(kāi)挖范圍邊墻增設(shè)注漿錨管，設(shè)置內(nèi)側(cè)鋼拱架和二襯及時(shí)跟進(jìn)等。

6煤系地層防治效果評(píng)價(jià)

在隧道穿越煤層軟弱破碎帶的施工過(guò)程中，實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括洞內(nèi)水平收斂、拱頂沉降、圍巖應(yīng)力、鋼拱架受力等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)掌握圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)變形信息，可以及時(shí)調(diào)整和修正施工工藝、預(yù)留變形量、開(kāi)挖進(jìn)尺、支護(hù)參數(shù)等，保證圍巖穩(wěn)定、施工安全及確定二次襯砌施作時(shí)間。

為及時(shí)掌握煤系地層段隧道變形的信息情況和評(píng)估防治措施的效果，增加監(jiān)控量測(cè)新斷面，加大量測(cè)頻率的措施。每隔5 m在拱頂、拱肩、拱腰處布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，加強(qiáng)洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查、支護(hù)狀態(tài)觀察、拱頂下沉和周邊收斂等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)頻率。測(cè)點(diǎn)在噴錨支護(hù)施作結(jié)束后2 h內(nèi)埋設(shè)，并進(jìn)行第1次監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采集。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)合進(jìn)行綜合分析研究，準(zhǔn)確掌握圍巖變形情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，保證了隧道煤層破碎帶的施工安全和工程質(zhì)量。

圖6　量測(cè)測(cè)線布置圖Figure 6　Measurement line layout chart

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，ZK15+785斷面、ZK15+790斷面累計(jì)水平收斂、累計(jì)拱頂沉降分別為41.81、34.95、42.41、38.86 mm，累計(jì)水平收斂與累計(jì)拱頂沉降值已經(jīng)趨于穩(wěn)定，速率均已趨近于0，各項(xiàng)量測(cè)結(jié)果均滿足施工需要和規(guī)范要求，該隧道順利通過(guò)該煤系地層段，說(shuō)明該處理方案防治效果較為理想，如見(jiàn)圖7和圖8所示。

圖7　ZK15+785斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析Figure 7　Data analysis of site monitoring on section 　ZK15+785

圖8　ZK15+790斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析Figure 8　Data analysis of site monitoring on section 　ZK15+790

7結(jié)論

本文針對(duì)紅巖寺隧道穿越煤系地層的軟弱破碎程度，主要對(duì)大變形控制技術(shù)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

① 紅巖寺隧道穿越聚龍山脈，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隧道進(jìn)口左線ZK15+792附近揭露的煤系地層屬典型軟弱圍巖，節(jié)理、層理異常發(fā)育，強(qiáng)度低，遇水軟化、膨脹嚴(yán)重，加之支護(hù)施作滯后、開(kāi)挖段面大等原因，導(dǎo)致初期支護(hù)發(fā)生大變形事故。

② 隧道穿越煤系地層段通過(guò)及時(shí)封閉掌子面、加強(qiáng)初期支護(hù)、施作帷幕注漿和超前預(yù)注漿等手段加固軟弱圍巖，選擇合理施工工法，控制各工序間的安全步距，及時(shí)施作仰拱及二襯襯砌，在控制變形方面取得了較理想的防治效果?？蔀轭愃频刭|(zhì)條件類似隧道工程提供借鑒。

③ 地質(zhì)雷達(dá)對(duì)破碎帶、水、溶洞的探測(cè)較為準(zhǔn)確，但在對(duì)地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行解譯時(shí)，必須結(jié)合掌子面揭露圍巖及勘察資料進(jìn)行綜合分析，在存在多解性的情況下，應(yīng)采用超前鉆孔探測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而降低災(zāi)害事故發(fā)生的概率。

④ 煤系地層大斷面隧道施工中，鑒于監(jiān)控量測(cè)對(duì)指導(dǎo)和優(yōu)化施工有重要的作用，應(yīng)做好監(jiān)控量測(cè)工作，及時(shí)反饋圍巖變形信息，避免侵限等大變形的發(fā)生。

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Treatment Study of Depression Through the Coal Strata in Large Span Long Tunnel

YE Zhihua1, WANG Sheng2, WANG Dongkui1, YUAN Longping1, YUAN Yongcai2

(1. Baoyi Expressway Construction Headquarters of Hubei Province,Yichang, Hubei 444200, China;2.Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University,Jinan, Shandong 250061,China)

[Abstract]The fault and crush zone through coal strata is very dangerous and catastrophic sector of the tunnel during the course of excavation and support. As a typical coal formation tunnel, Hongyansi Tunnel would traverse the soft and weak coal formation surrounding rock. Given the weak and crushing severity of surrounding rock, the highly accurate and short-distance geology prediction were conducted with geological radar. Firstly, the risks in the tunnel construction progress are analyzed, including seam opening construction risk, gas ejection risk, construction risk in mined-out area, large deformation risk of surrounding rock, collaTPe risk, and the side, etc. And then, some relevant risk averse methods about surrounding rock deformation are presented, such as closing working face as soon as possible, safety management and geological advance prediction, parameter design of preliminary support, advanced small pipe grouting, adjusting the construction technology and safety distance, drainage and site monitoring, etc. At the same time，the analysis results of measured data such as convergence and subsidence of crown are dynamically fed back to the construction. These processes are called the information construction of the tunnel in a fault and crush zone，which is applied to the tunneling through coal strata and gives a satisfying effect.

[Key words]coal strata; large deformation; geological radar; advanced small pipe grouting

[中圖分類號(hào)]U 457+.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0125-06

[作者簡(jiǎn)介]葉志華(1965-)，男，湖北仙桃人，教授級(jí)高工，主要從事高速公路技術(shù)管理、復(fù)雜地質(zhì)區(qū)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與綜合治理技術(shù)方面的研究與管理工作。

[基金項(xiàng)目]湖北省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目(BYXYKY2012-003)

[收稿日期]2014-05-22