隧道穿越軟弱破碎帶信息化施工方法*

趙 軍 周躍峰

(1.安陽(yáng)工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，455000，安陽(yáng)； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

隧道穿越軟弱破碎帶時(shí)極易發(fā)生塌方和突水等突發(fā)性災(zāi)害。一旦施工方法不當(dāng)，造成的損失不可想象[1-3]。隧道穿越軟弱破碎帶時(shí)，采取常用開(kāi)挖支護(hù)方式很難避免塌方及涌水等風(fēng)險(xiǎn)。因此，施工中除了按照一般工程施工技術(shù)要求外，還要采取針對(duì)性較強(qiáng)的輔助方法——信息化施工方法[4-6]。

20世紀(jì)40年代后期，土力學(xué)理論問(wèn)世。此后，信息化施工方法隨之逐步形成[7]。該方法的特點(diǎn)：評(píng)價(jià)、修正、再評(píng)價(jià)，在確保安全的前提下，進(jìn)行下一道工序。20世紀(jì)60年代，奧地利學(xué)者拉布西維茲(L.V. Rabcewicz)教授在從事隧道施工實(shí)踐和理論研究的基礎(chǔ)上，提出了著名的“新奧法”施工模式。后來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，巖土力學(xué)參數(shù)的反分析及計(jì)算理論的研究取得了較多的成果[8]。文獻(xiàn)[9]基于位移-應(yīng)變反饋的基礎(chǔ)上，提出了確定初始地應(yīng)力與地層彈性參數(shù)值有限元法。文獻(xiàn)[10]提出了同時(shí)確定初始地應(yīng)力和地層特性參數(shù)的優(yōu)化反演理論。至20世紀(jì)90年代，隨著信息化量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理技術(shù)手段的不斷更新，信息化方法也得到了極大地發(fā)展。Palph Peck等在《施工反思》中寫(xiě)到：“信息化方法具有天生解決存在問(wèn)題的能力……”國(guó)際隧協(xié)前主席Eisenstein曾指出：“信息化方法特別適于隧道工程?！笨梢?jiàn)，采用信息化方法施工形成了施工監(jiān)控、及時(shí)反饋的連續(xù)性動(dòng)態(tài)體系，可以預(yù)見(jiàn)險(xiǎn)情，便于施工方及時(shí)采取措施，能修正指導(dǎo)施工，可為確保隧道安全通過(guò)軟弱破碎帶提供可靠信息，特別適用于隧道穿越軟弱破碎帶的施工過(guò)程。

本文以某隧道為例，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，旨在為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 軟弱破碎帶隧道基礎(chǔ)資料收集

1.1 工程概況

某隧道全長(zhǎng)2 131 m，其進(jìn)口段(DK 462+235—+390)為4.4‰的上坡，出口段(DK 462+390—DK 464+366)為3‰的下坡。該隧道采用信息化施工方法順利地穿越了長(zhǎng)達(dá)322 m的軟弱破碎帶。

該施工區(qū)段地表覆土較厚，相對(duì)高差為50～200 m。地表呈波狀起伏，丘形與山脊多呈圓形及長(zhǎng)條狀等。丘間槽地相對(duì)平坦，植被較發(fā)育。

1.2 隧道軟弱破碎帶概況

隧道軟弱破碎帶所處里程為DK 462+850—DK 463+172，屬逆斷層。隧道與斷層夾角約70°，走向約北西310°，軟弱破碎帶寬度為5～20 m，且含水量較大。為了加快施工進(jìn)度，設(shè)計(jì)上采用進(jìn)出口雙向開(kāi)挖方式。在施工過(guò)程中，進(jìn)口端圍巖出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，而出口端也由于隧道涌沙，導(dǎo)致隧道堵塞。

2 隧道軟弱破碎帶信息化監(jiān)控量測(cè)

由于隧道處于軟弱破碎帶地段，故應(yīng)在相關(guān)規(guī)范的指導(dǎo)下，并結(jié)合具體實(shí)際情況布設(shè)測(cè)線(xiàn)。隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：

(1) 1月25日～31日，在里程DK 462+515—+528段，襯砌出現(xiàn)了寬度在1～3 mm之間的縱向裂紋；在里程DK 462+530—DK 462+560段，地表出現(xiàn)了最大裂縫寬度為15 cm的環(huán)狀裂縫。

(2) 5月7日，里程DK 463+200位置的隧道左側(cè)拱腰處，在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)1個(gè)溶洞。該溶洞寬約1 m，高約2 m。

(3) 5月24日～27日，上述溶洞突然塌陷，同時(shí)出現(xiàn)涌水、涌沙現(xiàn)象，致使初期支護(hù)失效。

DK 462+500—DK 463+200段經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員測(cè)繪及建議，補(bǔ)充了9個(gè)勘探孔。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步勘探分析，該隧道處在巖漿擠壓破碎帶強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，且節(jié)理裂隙及地下水發(fā)育；而DK 462+900—DK 463+050段正上方為1所小學(xué)及近100家住戶(hù)。隧道在此軟弱破碎帶開(kāi)挖，可能會(huì)給房屋帶來(lái)安全隱患。

3 軟弱破碎帶隧道信息化施工

3.1 信息化施工

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)獲得的監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)準(zhǔn)確地反饋給施工現(xiàn)場(chǎng)；使施工一線(xiàn)的技術(shù)人員能及時(shí)調(diào)整和確定合理的圍巖動(dòng)態(tài)支護(hù)參數(shù)。這個(gè)過(guò)程即為軟弱破碎帶隧道信息化施工[11-15]。圖1為軟弱破碎帶隧道信息化施工流程。

圖1 軟弱破碎帶隧道信息化施工流程

3.2 治理措施

針對(duì)案例隧道圍巖破碎帶信息化監(jiān)測(cè)結(jié)果，指揮部專(zhuān)項(xiàng)研究小組最終決定采用超前注漿的方法加固圍巖，以強(qiáng)化支護(hù)，并對(duì)該隧道支護(hù)及襯砌等進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

3.2.1 DK 462+635—DK 462+850段

(1) 拱部采用每環(huán)15根、長(zhǎng)為8 m，φ75的超前注漿管棚。該注漿管棚縱向間距為3 m，環(huán)向間距為0.6 m，漿液采用單液水泥漿。

(2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)采用全環(huán)I18型、榀間距為0.6 m的鋼架，同時(shí)加設(shè)網(wǎng)格間距為25 cm×25 cm的φ8鋼筋網(wǎng)，混凝土噴層厚度為25 cm。此外，為補(bǔ)充注漿，還在拱墻上布置了長(zhǎng)為3 m、間距為1 m的φ42預(yù)留錨管。

3.2.2 DK 462+850—DK 463+172段

為了防止地下水涌入，采用水泥-水玻璃雙液漿超前帷幕進(jìn)行加固。加固范圍為：拱部開(kāi)挖輪廓線(xiàn)以外5 m以?xún)?nèi)，邊墻開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外3 m以?xún)?nèi)。注漿帷幕布置見(jiàn)圖2。具體技術(shù)要求如下：

(1) 水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶0.8，其中水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃濃度為40 Be，水玻璃模數(shù)為2.4～2.8。Na2HPO4為緩凝劑，其摻入的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的2%。

a) 注漿縱斷面布置

b) A-A斷面

c) B-B斷面

(2) 拱部采用8 m長(zhǎng)、間距為30～40 cm的φ75超前管棚預(yù)支護(hù)，并配合采用榀間距為0.6 m的I18型鋼架支護(hù)。

(3) 加設(shè)網(wǎng)格間距為25 cm×25 cm的φ8鋼筋網(wǎng)，混凝土噴層厚度為25 cm。此外，為補(bǔ)充注漿，還在拱墻上布置了長(zhǎng)為5 m、間距為1 m的φ52預(yù)留錨管。

(4) 在可能出現(xiàn)流沙的掌子面地段，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)噴射厚度為10 cm的混凝土面層，以及時(shí)封閉流沙。

(5) 采用臺(tái)階法開(kāi)挖，在拱腳處設(shè)鎖腳錨管，以防止拱腳收縮和掉拱，同時(shí)還設(shè)置了臨時(shí)仰拱。

3.3 施工效果

針對(duì)案例隧道開(kāi)挖過(guò)程中遭遇復(fù)雜的地質(zhì)條件(如巖體破碎、含水量大，小溶洞塌陷等)，采取了超前注漿帷幕加固及現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)測(cè)等措施，確保了隧道安全順利地通過(guò)此次破碎帶。

對(duì)DK 462+632里程處斷面起拱點(diǎn)的水平凈空收斂測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。起拱點(diǎn)的收斂-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

表1 隧道水平凈空收斂觀測(cè)記錄

圖3 水平凈空收斂-時(shí)間曲線(xiàn)

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)某隧道實(shí)施信息化施工方法，準(zhǔn)確及時(shí)地反饋了施工信息，從而有效地指導(dǎo)和確保隧道得以安全順利進(jìn)行穿越300 m以上的破碎帶，既避免發(fā)生事故后再處理，節(jié)省工程投資，又保證施工進(jìn)度。

(2) 在隧道軟弱破碎帶施工中，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工程地質(zhì)條件，對(duì)圍巖的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)和嚴(yán)格控制，便于在施工中第一時(shí)間掌握突發(fā)情況，能迅速調(diào)整施工方案，使現(xiàn)場(chǎng)施工安全始終可控。

[1] 楊會(huì)軍, 胡春林, 諶文武, 等. 斷層及其破碎帶隧道信息化施工[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(22): 3917.

[2] 肖林萍, 趙玉光, 李永樹(shù). 單拱大跨隧道信息化施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2005, 18(4): 62.

[3] 劉志剛, 趙勇. 隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2001.

[4] 譚忠盛, 任少?gòu)?qiáng), 張彌. 風(fēng)火山多年凍土隧道信息化施工[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(1): 99.

[5] 曲海鋒, 劉志剛, 朱合華. 隧道信息化施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(6): 1246.

[6] 張桂生, 劉新榮, 胡元鑫. 隧道信息化施工監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目化管理實(shí)踐與思考[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2009, 5(1): 175.

[7] 陳勇. 灰色理論在隧道信息化施工中的應(yīng)用及施工數(shù)值分析[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2008.

[8] 龔立強(qiáng). 水布埡導(dǎo)流大跨度隧道信息化施工及有限元數(shù)值分析[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2007.

[9] Sakurai S, Takeuchi K B. Anlysis of measured displacement of tunnel[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 1983, 16(3): 173.

[10] 古德曼R E. 巖石力學(xué)原理及其應(yīng)用[M]. 北京: 水利電力出版社, 1990.

[11] 中國(guó)公路學(xué)報(bào)編輯部. 中國(guó)隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2015, 28(5): 1.

[12] 羅興虎. 港珠澳大橋珠海連接線(xiàn)拱北隧道信息化檢測(cè)分析[J]. 鐵道建筑, 2015(5): 86.

[13] 雷軍, 白明洲, 許兆義, 等. 地鐵隧道施工期凍結(jié)法穿越斷層破碎帶施工效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(7): 1492.

[14] 徐福田. 大跨度平頂直墻暗挖通道穿越高危風(fēng)險(xiǎn)源施工技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2015, 44(6): 108.

[15] 沙愛(ài)敏, 呂凡任, 邵紅才, 等. 某商業(yè)中心深基坑變形檢測(cè)與分析[J]. 施工技術(shù), 2014, 43(4): 101.