隧道通過(guò)巖層接觸帶及斷層段施工方案探討

劉寶江

【摘要】本文對(duì)隧道通過(guò)斷層的施工進(jìn)行分析，分析這類隧道的施工方案。

【關(guān)鍵詞】斷層；接觸帶；開(kāi)挖方法

某輸水工程，其地形比較復(fù)雜，而且地層多，巖層的性質(zhì)非常的復(fù)雜，而且形成了斷裂構(gòu)造發(fā)育的特征。隧道經(jīng)過(guò)了斷層破碎帶，在施工的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)塌方的問(wèn)題，所以，在施工的過(guò)程中必須對(duì)地質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，分析前方的地質(zhì)情況，完善支護(hù)的方案，在開(kāi)挖的過(guò)程中應(yīng)該采用合適的方法，才能防止各類風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，降低風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)，確保施工中的安全性。

1、工程概況

本次研究分析的某輸水工程，其全長(zhǎng)為280公里，其中SD21+031.16-SD21+885.16段的隧道穿過(guò)斷層帶，該段沿線地形平緩，而且斷層在區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出逆斷層的現(xiàn)象，隧道與斷層呈現(xiàn)垂直相交的情況，斷層破碎帶的寬度為90米，斷層的周圍受到嚴(yán)重的損壞，而且呈現(xiàn)裂隙的發(fā)育，巖體整體上非常的破碎。隧道的整體在灰?guī)r和玄武巖的接觸帶，其中玄武巖中夾雜著大量的凝灰?guī)r，呈現(xiàn)灰色和灰褐色，呈現(xiàn)出塊狀的構(gòu)造。凝灰?guī)r呈現(xiàn)出灰白色，而且一般是凝灰質(zhì)構(gòu)造，少數(shù)呈現(xiàn)出塊狀的構(gòu)造，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)形成了層理，風(fēng)化作用非常強(qiáng)，而且?guī)r體呈現(xiàn)嚴(yán)重的破碎?；?guī)r呈現(xiàn)出灰色，而且厚度較大，展現(xiàn)出節(jié)理裂隙發(fā)育，而且整個(gè)巖體比較破碎，呈現(xiàn)出塊石。斷層和接觸帶的設(shè)計(jì)方案如下圖所示，其中39-1代表的是玄武巖結(jié)扎凝灰?guī)r，39-3道標(biāo)斷層角粒，40-1代表的是灰?guī)r。沿線的地形比較平緩，地表的洪積物的厚度一般不超過(guò)1米，洞頂上巖體的厚度為194米。SD21+031.16-SD21+256.16段為卡拉麥里斷裂影響帶，SD21+256.16-SD21+406.16和SD21+845.16-SD21+865.16段分別是f14和f90斷層破碎帶。

隧道不僅僅通過(guò)了斷層和接觸帶，而且也通過(guò)了溶蝕洼地。漏斗和落水洞等，一般通過(guò)大氣降水補(bǔ)給。

2、施工方案

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)指的是在不同的巖性和接觸帶的位置上，通過(guò)對(duì)巖體的破碎程度和地下水的情況的分析，可以確定破碎帶的主要位置，對(duì)溶巖的發(fā)育程度進(jìn)行分析，在隧道內(nèi)部歲溶巖的破碎等級(jí)確定。通過(guò)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況的分析，可以通過(guò)完善現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的方式，防止在隧道開(kāi)挖中各類風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析結(jié)論

運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方式，通過(guò)對(duì)預(yù)報(bào)的結(jié)論進(jìn)行分析，可以看出隧道的主體在玄武巖和灰?guī)r接觸的地帶內(nèi)，巖體已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的破碎狀態(tài)，而且圍巖中含有一定的裂隙水，圍巖的周圍受到斷層帶的影響，導(dǎo)致玄武巖的節(jié)理發(fā)育出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象。在斷層破碎帶出現(xiàn)了大量的圍巖破碎帶額情況，而且圍巖的整體結(jié)構(gòu)存在缺陷，沒(méi)有較為完善的自穩(wěn)能力，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，在斷層帶和斷層角粒中夾雜著大量的斷層泥，而且有少量的水，圍巖的整體的穩(wěn)定性非常差，而且灰?guī)r的溶蝕明顯，其中有大量的裂隙發(fā)育，巖體呈現(xiàn)破碎的狀態(tài)。

2.3 開(kāi)挖方法

通過(guò)對(duì)超前預(yù)警地質(zhì)的分析，對(duì)圍巖的情況有充分的了解后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的施工人員通過(guò)對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)的分析，找出施工的方法，確定在隧道的主體部位采用三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工，在上臺(tái)階預(yù)留大量的核心土，在中臺(tái)階和下臺(tái)階上會(huì)進(jìn)行測(cè)錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖的方式。在施工的過(guò)程中，不可以采用二臺(tái)階的方式，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的空鄰面，如果一次性挖掘的尺寸比較大，初期的支護(hù)不能充分的發(fā)揮作用，導(dǎo)致塌方等風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。在開(kāi)挖的過(guò)程中，也可以充分的采用有限差分程序的方式，對(duì)斷層處的巖體采用模擬開(kāi)挖的方式，對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為隧道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。中隔壁法和上下臺(tái)階法的示意圖如圖2所示。

在采用中隔壁法進(jìn)行施工中，要先對(duì)上部的坑道進(jìn)行挖掘，然后再對(duì)上部進(jìn)行初期的支護(hù)，再對(duì)坑道的下部進(jìn)行開(kāi)挖。上下臺(tái)階法施工過(guò)程中，首先是對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖，然后再對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行初期的支護(hù)工作，完善下臺(tái)階的開(kāi)挖工作，再進(jìn)行下臺(tái)階左側(cè)的支護(hù)工作。最后進(jìn)行灌注工作和二次襯砌工作。

2.4 超前支護(hù)

在隧道的主體部分采用超前支護(hù)的方式，采用拱部中管棚的方式，間距控制在40厘米，并且管棚每根長(zhǎng)度控制在8米，每環(huán)有50根。

2.5 初期支護(hù)

在隧道的初期支護(hù)，一般是采用全環(huán)的120b型的鋼架進(jìn)行，并且間距控制在0.5米，混凝土采用噴射的方式，厚度設(shè)置為28厘米。在隧道的核心部分在初期支護(hù)的過(guò)程中，全環(huán)設(shè)計(jì)成122a型，并且采用剛性支架進(jìn)行支護(hù)，間距控制在0.5米，采用混凝土噴射的方式，控制設(shè)置成28米。

2.6 計(jì)算模型

在對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)該先確定好模型的上下邊界，然后分析隧道的縱向距離，確定好斷層的長(zhǎng)度。由于斷層和隧道呈現(xiàn)垂直分布的形式，因此，要對(duì)斷層的上盤和斷層帶進(jìn)行分析，在模型規(guī)整后，采用Fish語(yǔ)言建立節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)建立垂直的模型，從而實(shí)現(xiàn)斷層和隧道的分析。運(yùn)用interface單元對(duì)斷層之間的聯(lián)系進(jìn)行模擬，通過(guò)分析斷層帶之間的破碎的圍巖，分析接觸面的粘結(jié)力。

2.7 參數(shù)確定

在對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，應(yīng)該運(yùn)用錨桿的方式，提高隧道的穩(wěn)定性，初襯一般采用的是shell單元進(jìn)行分析，二襯采用的是彈性模擬的方式。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的模擬和測(cè)試，確定圍巖的物理學(xué)性質(zhì)和隧道支護(hù)中所需要的參數(shù)。隧道支護(hù)的參數(shù)如表1和表2所示。

2.8 開(kāi)挖模擬

在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，在開(kāi)挖到斷層之前，應(yīng)該采用上下臺(tái)階法進(jìn)行首次開(kāi)挖，在進(jìn)行開(kāi)挖之前，應(yīng)該對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理，然后每間隔5米就要結(jié)合不同的開(kāi)挖方法，由于斷層與隧道是垂直分布，所以，斷層對(duì)隧道的影響范圍比較大，其可以達(dá)到17米，因此中隔壁法可以分成不同的步驟，對(duì)斷層部分分別進(jìn)行模擬。

3、隧道周邊隱伏巖溶探查

當(dāng)隧道經(jīng)過(guò)灰?guī)r地段的過(guò)程中，要對(duì)隧道的隱伏巖溶進(jìn)行勘探工作，隧道的每個(gè)斷面都要布置探孔，每次布置10個(gè)探孔，在拱頂和拱架處設(shè)計(jì)探孔，分別位于隧道的左右線的中心和隧道的底部。探孔的深度設(shè)計(jì)成5米，斷面環(huán)向間距控制在5米，如果巖溶在隧道施工中出現(xiàn)了異常的情況，應(yīng)該進(jìn)行加深處理。在探孔的過(guò)程中，應(yīng)該做好相關(guān)的記錄工作，確保每個(gè)孔的里程位置的準(zhǔn)確性，對(duì)每個(gè)孔的填充物質(zhì)的厚度進(jìn)行詳細(xì)的記錄，并且分析其成分和軟硬程度。

在隧道的底部，如果埋深比較淺，應(yīng)該在探查后再進(jìn)行施工，對(duì)隧道底部的物質(zhì)進(jìn)行分析，如果隧道的底部隱伏較深，應(yīng)該采用鉆探結(jié)合其他的方式，對(duì)巖溶的空間形態(tài)進(jìn)行分析。

4、結(jié)果對(duì)比分析

4.1 主應(yīng)力和剪應(yīng)變分析

通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力的變化進(jìn)行分析，最大的主應(yīng)力會(huì)隨著開(kāi)挖的進(jìn)度而逐漸的增大，在斷層的下盤的隧道處可以形成一個(gè)最大的主應(yīng)力，在采用中隔壁法過(guò)程中，最大主應(yīng)力為20.16MPA，采用上下臺(tái)階法的過(guò)程中，最大主應(yīng)力為62.7MPA。在隧道的右側(cè)會(huì)形成更加的主應(yīng)力。隨著開(kāi)挖深度的增加，最大主應(yīng)力的變化速度會(huì)逐漸的減小，最后其變化速率會(huì)逐漸趨近于零。中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力不會(huì)呈現(xiàn)太大的變化，而且會(huì)在固定的范圍內(nèi)波動(dòng)。中隔壁法的中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的范圍分別是4.87MPA和2.08MPA。所以，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，斷層帶的圍巖開(kāi)挖主要對(duì)最大主應(yīng)力進(jìn)行控制。

在對(duì)剪應(yīng)力變量進(jìn)行分析的過(guò)程中，在所有的斷層破碎的地帶，都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的剪應(yīng)變，在這個(gè)情況下，要通過(guò)對(duì)隧道縱向的應(yīng)力分析的方式。斷層處的隧道最測(cè)容易發(fā)生塌方的問(wèn)題，所以，在灌漿的過(guò)程中，應(yīng)該增加壓力。

4.2 拱頂下沉及周邊收斂分析

拱頂?shù)南鲁量梢詫?duì)圍巖的位移進(jìn)行分析，而且可以分析圍巖的穩(wěn)定性，斷層的各個(gè)部位會(huì)出現(xiàn)不同的下沉，在隧道沒(méi)有穿過(guò)斷層之前，拱頂下沉采用中隔壁法是最大臺(tái)階法的50%。通過(guò)對(duì)拱頂下沉和周邊收斂情況分析，中隔壁法的優(yōu)勢(shì)非常的明顯。上下臺(tái)階法會(huì)產(chǎn)生很大的位移，所以，在進(jìn)行混凝土噴射的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的剝離問(wèn)題，而且支護(hù)會(huì)出現(xiàn)破裂的情況。而且圍巖的流變性質(zhì)比較明顯，在長(zhǎng)期的壓力作用下，很容易出現(xiàn)坍塌的情況，所以，此時(shí)運(yùn)用上下臺(tái)階法的危險(xiǎn)性比較大。

結(jié)語(yǔ)

隧道在建設(shè)的過(guò)程中容易遇到斷層地帶，給施工造成了很大的困難，并且會(huì)發(fā)生各類安全隱患，所以，在接觸帶和斷層段施工的過(guò)程中，應(yīng)該采用相應(yīng)的技術(shù)，提高施工的效果。

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