特長大跨山嶺隧道穿越富水斷層技術對策

吳金剛 宋艷彬 畢強 馬杰

(北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082)

1 工程概況

北京興延高速公路工程起于六環(huán)路，南接規(guī)劃上莊快速路，路線途徑昌平區(qū)、延慶縣，上跨京藏高速公路營城子立交后設置收費主站終止，路線全長約42.204km，如圖1 所示。 本項目承擔2019 年世園會對外交通銜接功能，是2022 年北京冬奧會重點配套交通基礎設施。

全線共設隧道5 處10 座(其中特長隧道5 座，長隧5 座)，單洞累計全長33.0km(其中進京線16.3km，出京線16.7km)，全線隧道比 39%，如圖 2 所示。 其中石峽隧道左線 5746m，右線5877m，建成后將成為北京地區(qū)最長的公路隧道。

圖1 項目地理位置Fig.1 Project location map

隧道主洞斷面按遠期預留三車道進行設計(圖3)。 近期主洞建筑限界全寬14.25m，其中包括0.75(左側檢修道) +0.75(左側向寬度) +2×3.75(車行道) +4.5(連續(xù)停車帶) +0.75(右側檢修道) = 全寬 14.25m，高度 5.0m。 遠期將4.5m 連續(xù)停車帶變更為3.75(車行道) +0.75m(右側向寬度)，標準三車道。

圖3 主洞建筑限界(單位：cm)Fig.3 Building limit of the tunnel(unit：cm)

2 隧道穿越富水斷層技術措施

本項目隧道工程設計過程中，特別重視特長大跨山嶺隧道與復雜地質條件的關系。 隧道穿越富水斷層破碎帶，突水突泥是隧道修建過程中最具危害性的地質災害之一[1，2]。 突水突泥同時易誘發(fā)圍巖強烈失穩(wěn)塌方、地表塌陷、地下水枯竭等次生災害[3，4]。

2.1 突水突泥概況

本工程石峽隧道共穿越32 條斷層，其中F7斷層及其次生斷層處，圍巖破碎，地下水發(fā)育，如表1 所示。 施工過程中發(fā)生多次突水突泥。

表1 F7 斷層概況Tab.1 Overview of fault F7

1.超前地質預報

石峽隧道左線南洞口開挖至ZK31 +573 處時，第三方超前地質預報成果顯示(圖4)，ZK31 +590 ～613 段發(fā)育斷層，圍巖破碎，地下水發(fā)育。

圖4 超前地質預報成果Fig.4 Advanced geological prediction results

根據(jù)施工期地質追蹤的情況，里程ZK31 +576 ～595 段位于斷層的復合延伸交錯帶內。 受斷層的拖拽作用，左洞左導坑掌子面圍巖軟弱，糜棱化、泥化現(xiàn)象強烈，巖體擠壓破碎，結構面產(chǎn)狀紊亂。 依據(jù)T76S 型自進式管棚超前鉆探情況(圖5)與超前地質預報成果(TRT6000)預判，掌子面前方至里程ZK31 +603 ～ZK31 +613 段仍處于上述斷層復合延伸交錯帶內，圍巖狀態(tài)(強度、完整性、穩(wěn)定性)很差，且富水； 里程 ZK31 +603 ～ZK31 +613 段過后圍巖狀態(tài)將變好。

圖5 超前鉆探鉆孔影像Fig.5 Advanced drilling image

2.突水突泥情況

石峽隧道左線南洞口開挖至ZK31 +595 處，發(fā)生突水突泥(圖6)，水量較大，并伴隨大量碎石及泥質充填物涌流至隧道內，涌泥量約1000m3，持續(xù)水流量約 1200m3/d，掌子面后方15m 拱架環(huán)向及中隔壁連接板縱向開裂，實時觀測拱頂沉降1cm/h，人員設備全部撤離。

圖6 突水突泥現(xiàn)場Fig.6 Water and mud inrush site

2.2 技術對策

(1)結合超前地質預報成果，現(xiàn)場會商后確定，穿越斷層段采用V 級加強型襯砌(C25 噴射混凝土31cm，內嵌 I25b 型鋼拱架，縱向間距60cm，二襯采用 C30 鋼筋混凝土，厚度 60cm，鎖腳錨管采用4φ42 ×4 注漿錨管+1R51 自進式錨管)進行支護，防排水措施進行加強。

(2)掌子面后方初支變形及開裂段采用型鋼內支撐、徑向注漿，現(xiàn)場施工情況見圖7、圖8。

圖7 施作臨時型鋼橫撐Fig.7 Temporary steel cross brace

圖8 徑向注漿Fig.8 Radial grouting

(3)掌子面前方穿越富水、夾泥斷層段采用帷幕注漿加固，并采用T76S 型自進式管棚進行支護。

洞周帷幕注漿加固總體方案：掌子面施作止?jié){墻(厚2m)，本循環(huán)注漿設計加固長度30m(根據(jù)現(xiàn)場探孔進行調整)，注漿加固范圍為開挖輪廓線外5m，周邊至拱腳，掌子面至拱頂以下 8.5m，如圖9、圖10 所示。 使用普通硅酸鹽水泥單液漿及普通硅酸鹽水泥、水玻璃雙液漿注漿材料進行注漿止水和加固，注漿參數(shù)見表2。

圖9 超前帷幕注漿加固縱斷面(單位：cm)Fig.9 Longitudinal section of advanced curtain grouting(unit：cm)

圖10 30m 斷面超前帷幕注漿加固橫斷面(單位：cm)Fig.10 30m section of advanced curtain grouting(unit：cm)

注漿順序：注漿順序按照先周邊后中間，先淺孔后深孔的順序，跳孔作業(yè)。 共設A 序注漿孔15 孔、B 序注漿孔 12 孔、C 序注漿孔 12 孔、D 序注漿孔：14 孔、φ76 管棚孔 40 孔，合計：93 孔。

表2 注漿參數(shù)Tab.2 Grouting parameter

T76S 型自進式管棚組件如圖11 所示，設計方案：(1)環(huán)向間距40cm，外插角1° ～3°，沿隧道軸線對稱分布于拱頂約120°范圍。 (2)根據(jù)超前地質預報探測情況，自進式管棚縱向支護長度30m。 (3)注漿采用42.5 級水泥凈漿，水灰比0.5 ～1.0，注漿壓力不小于 2.0MPa。 (4)掌子面打設鋼花管排水，前方30m 采用超前水平鉆探明圍巖狀態(tài)及地下水分布情況。 (5)加大監(jiān)控量測頻率，根據(jù)量測結果及時采取相應措施。

圖11 T76S 型自進式管棚組件Fig.11 T76S self-propelled pipe shed

2.3 處理效果

(1)V 級加強型襯砌有效地控制了襯砌變形、開裂等問題。

(2)帷幕注漿與T76S 型自進式管棚，有效地控制了突水突泥并確保了掌子面前方圍巖的穩(wěn)定，帷幕注漿止?jié){墻如圖12 所示。

圖12 止?jié){墻Fig.12 Slurry wall

(3)TRT 超前探測技術與超前水平鉆探相結合，有效地對前方圍巖及地下水情況進行了較準確的預測，并為后期的處理措施提供了支持。

3 結論

1.石峽隧道穿越富水斷層破碎帶，帷幕注漿與T76S 型自進式管棚，有效地控制了突水突泥并確保了掌子面前方圍巖的穩(wěn)定。

2.長短結合的超前地質預報工作，較好地反映了掌子面前方圍巖的特性并為圍巖預處理設計提供了依據(jù)。