某隧道F10斷層開(kāi)挖方案研究

□文/馬軍秋 于勇

某隧道F10斷層開(kāi)挖方案研究

□文/馬軍秋 于勇

結(jié)合某隧道F10斷層影響帶涌水量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，段內(nèi)圍巖強(qiáng)度高、完整性較好等特點(diǎn)，提出了“先泄后挖、徑向堵水、加強(qiáng)支護(hù)、限量排放”的綜合治理原則，擬定了超前泄水減壓、帶水開(kāi)挖通過(guò)、后續(xù)注漿堵水的處理方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，順利安全地通過(guò)了該斷層。

斷層；突涌水；超前泄水；減壓；帶水開(kāi)挖；隧道

隨著我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和高速鐵路投入的增加，越來(lái)越多的山嶺隧道被修建，往往會(huì)遇到富水?dāng)鄬悠扑閹1]。近年來(lái)，我國(guó)隧道工程界針對(duì)隧道穿越斷層破碎帶的加固和涌水處治等方面開(kāi)展了大量的施工嘗試，在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，運(yùn)用信息化設(shè)計(jì)和施工技術(shù)開(kāi)展隧道穿越斷層破碎帶的設(shè)計(jì)施工方面積累了較為豐富的工程經(jīng)驗(yàn)[2～6]。由于每座隧道的工程地質(zhì)存在較大差異，應(yīng)對(duì)斷層破碎帶和斷層涌水的工程措施差別很大，必須針對(duì)具體的隧道工程研究和實(shí)施穿越斷層區(qū)的相關(guān)設(shè)計(jì)施工技術(shù)方案。

1　工程概況

某隧道全長(zhǎng)12.03 km，為單洞雙線(xiàn)隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h。隧道地處浙南山地，屬構(gòu)造剝蝕山區(qū)，區(qū)內(nèi)山勢(shì)連綿起伏，峰巒疊嶂，植被發(fā)育，灌木雜草叢生。隧道通過(guò)地段以硬質(zhì)巖為主，巖性較單一，主要地層為侏羅系上統(tǒng)西山頭組（J3x）。隧址區(qū)內(nèi)在大地構(gòu)造上屬華南褶皺系，浙東南褶皺帶的臨海—溫州拗陷，泰順—溫州斷拗的北西側(cè)。隧址范圍斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造帶內(nèi)巖體破碎，多為良好儲(chǔ)水或?qū)畼?gòu)造，隧道通過(guò)發(fā)育斷裂構(gòu)造的溝谷時(shí)發(fā)生突水、涌水的可能性較大。

2　涌水過(guò)程

在DK165+052處掌子面開(kāi)挖前施作加深炮孔時(shí)，線(xiàn)路右側(cè)拱腰位置炮孔開(kāi)始出水且水壓較大。后多個(gè)位置打孔發(fā)現(xiàn)出水部位系全斷面，水量水壓均較大。涌水2 d后，在隧道中線(xiàn)隧底往上2 m處施作超前水平鉆孔，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到6.7 m時(shí)開(kāi)始出水。鉆孔過(guò)程中，水壓逐漸變強(qiáng)，涌水量變大。經(jīng)過(guò)3 d的觀察，掌子面涌水量無(wú)明顯減小，涌水量達(dá)220 m3/h。一周后，開(kāi)始進(jìn)行全斷面帷幕注漿施工，注漿范圍為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5 m。經(jīng)過(guò)24 d的注漿作業(yè)，掌子面右側(cè)涌水基本堵住，左側(cè)由于水壓過(guò)大，施工難度大，無(wú)法形成有效注漿，遂停止注漿，經(jīng)測(cè)算，掌子面涌水量減小至140 m3/h，隧道主要涌水部位為掌子面左側(cè)半斷面。

3　工程地質(zhì)情況

DK165+052段屬于F10斷層影響帶，距離設(shè)計(jì)F10斷層48 m，距斷層中心里程105 m。此段洞身埋深350 m左右，地面位于山坡處，涌水處距澤雅水庫(kù)水平距離980 m。

施工過(guò)程中進(jìn)行了物探與鉆探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和涌水水源調(diào)查分析等一系列綜合手段，見(jiàn)圖1。

圖1　掌子面前方綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果推測(cè)

隧道內(nèi)DK165+052段涌水與水庫(kù)沒(méi)有直接水力聯(lián)系；DK165+052處掌子面巖層為凝灰?guī)r，呈青灰色，弱風(fēng)化，巖石強(qiáng)度高，為硬質(zhì)巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體較完整，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)；DK165+052前方25 m范圍內(nèi)為流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r，青灰色，晶屑凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)硬，巖體較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)；地下水不發(fā)育，存在股狀出水；其中DK165+047～DK165+046.5、DK165+044.7～DK165+044、DK165+033.7～DK165+033局部為弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r，青灰色，晶屑凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)硬，巖石破碎，巖芯成碎塊狀，RQD=10%。

4　技術(shù)處理措施

4.1應(yīng)急處理

1）停止掌子面開(kāi)挖施工并做好掌子面附件圍巖和初支的監(jiān)控量測(cè)工作。

2）加強(qiáng)隧道掌子面后方10 m范圍內(nèi)（DK165+062～DK165+052）初支，加快已開(kāi)挖段二次襯砌的施工，確保掌子面安全。

3）增加排水設(shè)施，防止掌子面積水，加快隧道往出口位置施工，以便形成順坡通暢的排水途徑。

4.2綜合治理

經(jīng)過(guò)近3月的涌水觀測(cè)，掌子面涌水量基本趨于穩(wěn)定，保持在98 m3/h。根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)成果，鑒于隧道圍巖條件較好，涌水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響不大，在隧道出口段貫通已形成順暢排水路徑情況下，提出了“先泄后挖、徑向堵水、加強(qiáng)支護(hù)、限量排放”的綜合治理原則，現(xiàn)場(chǎng)擬定了超前泄水減壓、帶水開(kāi)挖通過(guò)、后續(xù)注漿堵水的處理方案。

4.2.1超前泄水減壓

為減少涌水對(duì)施工的影響，采取開(kāi)挖前在隧道掌子面鉆設(shè)超前泄水管，確保拱頂出水不影響施工安全。泄水管泄水范圍開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外6 m，間距3.0 m，超前泄水長(zhǎng)度30 m，泄水管管徑100 mm。針對(duì)涌水特征，泄水孔布置于隧道掌子面左側(cè)，見(jiàn)圖2和圖3。

圖2　泄水管橫斷面布置

圖3　泄水管縱斷面布置

4.2.2臺(tái)階法施工

按照臺(tái)階法進(jìn)行施工，嚴(yán)格控制開(kāi)挖步長(zhǎng)，嚴(yán)禁采用全斷面開(kāi)挖，初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)；對(duì)超前水平取芯鉆發(fā)現(xiàn)的巖層局部破碎段，開(kāi)挖前施做4.5 m長(zhǎng)的超前小導(dǎo)管，確保局部破碎段的施工安全。

4.2.3注漿堵水

隧道開(kāi)挖完成后，對(duì)圍巖表面裂隙線(xiàn)狀出水或者面狀淋滲水處進(jìn)行局部注漿堵水。注漿參數(shù)：

1）孔口間距1～1.5 m，注漿孔孔徑為50 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可適當(dāng)調(diào)整；

2）單孔擴(kuò)散半徑2 m，注漿孔與出水裂隙面盡量大角度相交；

3）注漿壓力＜0.5 MPa，注漿材料為水泥漿(水灰比1∶1)或者水泥-水玻璃雙液漿，具體配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)止水效果確定。

初支完成后二次徑向堵水。隧道初期支護(hù)初噴混凝土后，對(duì)仍存的滲漏點(diǎn)進(jìn)行二次徑向注漿堵水，注漿范圍為開(kāi)挖面以外≮7 m，間距為1.0 m×1.0 m，呈梅花形布置。注漿材料為水泥漿(水灰比1∶1)，水泥-水玻璃雙液漿，具體參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿止水效果確定，保證初支表面無(wú)股狀出水和滴水。

4.2.4加強(qiáng)支護(hù)

此段原設(shè)計(jì)按Ⅲ級(jí)圍巖主要采用全斷面法施工通過(guò)；初支支護(hù)為12 cm厚C25噴射混凝土，拱墻布置直徑6 mm鋼筋網(wǎng)片和系統(tǒng)錨桿，二襯為40 cm厚C30素混凝土結(jié)構(gòu)。為確保涌水段施工和運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)安全，隧道初期支護(hù)加強(qiáng)為初支鋼架采用160 mm格柵鋼架，間距1.0 m，采用C30（拱墻）和C25（仰拱）噴射纖維混凝土，厚度25 cm；二次襯砌采用C35防水鋼筋混凝土，拱墻處厚度40 cm，仰拱45 cm。

4.2.5加強(qiáng)防排水設(shè)施

為確保運(yùn)營(yíng)期間排水通道通暢，此段加密設(shè)置環(huán)向排水板，間距為4～5 m一道，部分出水較多地段并排設(shè)置2道防水板，與縱向盲管連接；加強(qiáng)此段襯砌防水措施與施工質(zhì)量，在拱墻襯砌施工縫增設(shè)縱橫向橡膠止水條，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4　縱向施工縫防水

圖5　拱墻環(huán)向施工縫防水

4.2.6量測(cè)

監(jiān)測(cè)掌子面附近圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中的變形情況及引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以確定結(jié)構(gòu)是否安全并可及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

5　現(xiàn)場(chǎng)施工情況

從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，通過(guò)超前泄水減壓和臺(tái)階法短進(jìn)尺開(kāi)挖，極大減小了掌子面涌水量和涌水水壓，增強(qiáng)了掌子面圍巖的整體穩(wěn)定性，順利、安全、快速地通過(guò)了該涌水段，避免了采用施工工藝復(fù)雜繁瑣、造價(jià)高昂的超前帷幕注漿止水加固措施，縮短工期近2月，節(jié)約造價(jià)100多萬(wàn)元。

6　結(jié)論與體會(huì)

1）通過(guò)隧道斷層及斷層影響帶時(shí)，掌子面開(kāi)挖前應(yīng)進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)探明前方地質(zhì)條件，可避免施工突發(fā)災(zāi)害的發(fā)生，不能盲目冒進(jìn)。

2）在對(duì)前方地質(zhì)情況進(jìn)行分析后，采用超前泄水減壓、加強(qiáng)初期支護(hù)剛度并及時(shí)封閉成環(huán)等措施，對(duì)于硬質(zhì)、節(jié)理較發(fā)育巖層及小壓力斷層裂隙水等涌水段帶水開(kāi)挖通過(guò)是有效可行的。

3）隧道突涌水發(fā)生后，必須首先及時(shí)采取加強(qiáng)掌子面后方初支剛度、加快緊跟后方二襯施工等穩(wěn)定掌子面圍巖的應(yīng)急處理措施，為后續(xù)治水處理提供安全保證。

4）為確保涌水段運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)安全，需加強(qiáng)二次襯砌，同時(shí)加密排水板等排水設(shè)施，確保排水通暢。

5）處理涌水段時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道內(nèi)的監(jiān)控量測(cè)，以確保施工安全。

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□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.018

□于勇/中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司。

□U455.49

□C

□1008-3197（2016）05-53-03

□2016-07-27

□馬軍秋/男，1985年出生，工程師，中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)工作。