天河山隧道安全進洞施工關(guān)鍵處理技術(shù)研究

1.天河山隧道工程概況

1.1 工程概況

天河山隧道呈東西走向，位于山西省左權(quán)縣和河北省邢臺市交界處，穿越太行山山脈，隧道進口位于左權(quán)縣拐兒鎮(zhèn)駱駝村北側(cè)的山坡上，出口位于邢臺縣白岸鄉(xiāng)水村西側(cè)的山坡上。太行山脈總體為南北走向，地勢北高南低、中間高兩邊低，全長11695m。隧道一般埋深100m ～300m，最大埋深615m，該隧道為單面坡、單洞單線隧道。

天河山隧道所穿越的太行山山體地層自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)沖洪積粗角礫土和碎石土，第四系上更新統(tǒng)坡、洪積粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土和粗角礫土，寒武系上統(tǒng)頁巖石灰?guī)r互層，寒武系中統(tǒng)頁巖石灰?guī)r互層，寒武系下統(tǒng)頁巖石灰?guī)r互層，震旦系下統(tǒng)串嶺溝組砂巖和常州溝組砂巖。

該段線路位于太行山區(qū)，由于該段區(qū)域太行山山系龐大，地下水蘊含能力較強。地下水的形成受地形地貌、巖性、構(gòu)造、降水等多種因素的影響，區(qū)內(nèi)地下水主要為巖溶裂隙水、構(gòu)造裂隙水及砂巖層間水，巖溶裂隙水與砂巖的層間水多層狀分布，且通過構(gòu)造帶實現(xiàn)由上向下的聯(lián)通，形成補給和排泄關(guān)系。本文結(jié)合天河山隧道正洞進口工程地質(zhì)及水文條件，詳細(xì)介紹天河山隧道超前地質(zhì)預(yù)報處理技術(shù)，對正洞進洞施工方法進行分析，監(jiān)控量測布置及數(shù)據(jù)分析。

1.2 主要工程地質(zhì)問題

該段路線的工程地質(zhì)問題主要包括：一是隧道突水、涌水涌泥；二是巖爆；三是高地溫、軟弱圍巖塌方變形、緩傾巖層的塌方掉塊[1]-[3]。

2.超前地質(zhì)預(yù)報

結(jié)合隧道的地質(zhì)條件，超前地質(zhì)預(yù)報采用地質(zhì)雷達(dá)與紅外探水相結(jié)合的方法，確保預(yù)報的準(zhǔn)確性[4]-[5]。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

2.1.1 測線布置

由于掌子面凹凸不平，為了提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，保證隧道超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性，此次采用測點方式采集數(shù)據(jù)，在距掌子面底部0.5m和2m處分別布設(shè)一條測線，共計2條測線，測點間距0.1m。測線布置如圖1所示。

2.1.2 地質(zhì)雷達(dá)成果

運用Gredwin2軟件對采集原始數(shù)據(jù)進行處理，分別對原始數(shù)據(jù)進行時間距離歸一、背景去噪、水平帶通濾波（時間域）、道間能量平均、垂直帶通濾波（時間域和頻率域）等處理，最終得到地質(zhì)雷達(dá)解釋圖，如圖2所示。

圖1 測線布置示意圖

圖2 LO1雷達(dá)測線成果圖與LO2雷達(dá)測線成果圖

圖3 掌子面測點數(shù)值

圖4 紅外探水成果圖

圖5 鋼花管構(gòu)造圖

2.2 紅外線探水法

采用HW-305T紅外探測儀對掌子面往大里程方向30m、往小里程方向60m地質(zhì)情況進行探測，分析如下：

2.2.1 掌子面測點數(shù)值

掌子面上24個測點的數(shù)值如圖3所示,其中最大值為171、最小值為155，差值為16，大于所取安全值10。因此推斷掌子面前方30m范圍內(nèi)紅外輻射場異常，可能出現(xiàn)滴滲-線狀出水情況。

2.2.2 紅外探水成果

根據(jù)探測區(qū)域（從掌子面往已開挖段每隔5m布置一個測點），繪制曲線圖如圖4所示?？梢钥闯鲈摱温浼t外輻射場正常，數(shù)據(jù)上下波動較小，結(jié)合現(xiàn)場開挖的地質(zhì)條件，綜合分析推測該段落內(nèi)具有含水構(gòu)造的可能性小。

2.3 結(jié)果分析

掌子面圍巖為砂巖，弱風(fēng)化、紅褐色，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，拱部無支護時可能產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動過大易塌，需加強支護，掌子面圍巖等級為Ⅲ級。

掌子面前方0-30m段內(nèi)推斷圍巖發(fā)育情況如下：圍巖巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育；局部圍巖較破碎，開挖過程匯總可能出現(xiàn)滴滲-線狀出水現(xiàn)象；拱部易掉塊，需加強支護和做好防水措施。

掌子面后方60m范圍內(nèi)可以看出該段落紅外輻射正常，出現(xiàn)含水構(gòu)造可能性小，建議在施工過程中加強對含水構(gòu)造觀測，定制防水措施，避免不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3.進洞施工處理

3.1 進洞超前長管棚施工

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報情況，進洞采用長管棚施工，對隧道待開挖巖體形成了超前加固效應(yīng)，可提前預(yù)防隧道洞身軟弱破碎圍巖坍塌、下沉或松弛，平穩(wěn)進洞。

管棚設(shè)置于隧道拱頂范圍內(nèi)，10m每環(huán)，管棚單根長度10m，環(huán)與環(huán)搭接不小于3m。鋼管與鋼花管交替分布，奇數(shù)號用鋼花管，偶數(shù)號用鋼管，管口環(huán)向間距中至中為40cm，外插角為3°- 8°，如圖5所示。管棚選用φ108×5mm的鋼管加工而成，用每節(jié)長4m-6m的熱軋無縫鋼管以絲扣連接而成。為保證同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不得超過鋼管總數(shù)量的50%，每環(huán)長管棚（長10m）。奇數(shù)號鋼花管按照梅花型布設(shè)，每根鋼花管預(yù)留孔徑為10mm-16mm、孔間距為15cm的注漿孔，鋼花管結(jié)構(gòu)如圖5所示。洞口段管棚設(shè)置1m厚導(dǎo)向墻，采用C20混凝土，導(dǎo)向墻設(shè)2榀I 18工字鋼架。同時，為防止注漿壓力對隧道掌子面及洞壁的影響，可對周圍一定范圍內(nèi)及待開挖面進行噴射混凝土，防止掌子面塌方。

注漿前須進行試驗，確定注漿施工參數(shù)；注漿結(jié)束后采用M10水泥砂漿充填鋼管，以增強管棚剛度。注漿采用隔孔灌注。注漿壓力為0.5Mpa-2Mpa，并按照實際現(xiàn)場情況及時結(jié)束注漿（①單孔注漿量達(dá)到設(shè)計注漿量的1-1.2倍；②單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計注漿壓力并穩(wěn)定10min）。鋼管和巖體周邊空隙應(yīng)充滿漿液，注漿量及止?jié){應(yīng)滿足設(shè)計要求。嚴(yán)格按照規(guī)程施工作業(yè)，防止爆管、爆漿。注漿應(yīng)交錯進行，從低到高、從下而上。

3.2 正洞開挖

正洞開挖時，必須保證超前預(yù)支護效果，判斷補漿與否，確定無需注漿后方可開挖。根據(jù)工程地質(zhì)及水文情況選擇施工方法，并根據(jù)地層條件變化及時調(diào)整施工方案。進口段嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行開挖，采用全斷面法施工，開挖后及時施工做初期支護。

Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖，開挖示意圖如圖6所示。循環(huán)進尺4.5m，為了保證開挖輪廓圓順、準(zhǔn)確，維護圍巖自身承載能力，減少對圍巖的擾動，拱部及邊墻采用光面爆破。

4.監(jiān)控量測

4.1 監(jiān)控量測布設(shè)

采用全斷面法施工時，每個斷面設(shè)置一個拱頂沉降監(jiān)測點，設(shè)置一條水平向收斂監(jiān)測點（圖7）。

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1 拱頂沉降數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工規(guī)范，選取雙曲函數(shù)u=t/(a+bt)建立累計沉降量（u)隨時間（t)發(fā)展的時態(tài)函數(shù)，繪制實測數(shù)據(jù)與時間關(guān)系曲線和回歸方程曲線，兩條曲線吻合度高，表明施工安全，如圖8所示。從圖中可以看出，第20天沉降值為6.60mm，沉降率為91.21%；第40天沉降值為6.90mm，沉降率為95.40%；第60天沉降量為7.01mm，沉降率為96.88%。曲線趨于穩(wěn)定，根據(jù)以上推算可知最終沉降量為7.23mm，管理等級為Ⅲ級，滿足設(shè)計要求，可以繼續(xù)施工。

圖6 Ⅲ級圍巖開挖示意圖

4.2.2 水平收斂數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工規(guī)范，采用回歸方程y=x/(1.7409+0.7511*x)建立時態(tài)函數(shù)，繪制實測數(shù)據(jù)與時間關(guān)系曲線和和回歸方程曲線，如圖9所示，累計值與回歸值近似，說明施工安全。從圖中可知，水平收斂累計收斂量為5.8mm，根據(jù)曲線預(yù)測最終收斂量為6.78mm，最大沉降速率為1.5mm/d，管理等級為Ⅲ級，滿足設(shè)計要求，可以繼續(xù)施工。

4.2.3 地表沉降數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工規(guī)范，采用回歸方程y=x/(1.7409+0.7511*x)建立時態(tài)函數(shù)，繪制實測數(shù)據(jù)與時間關(guān)系曲線和和回歸方程曲線，如圖10所示，累計值與回歸值趨向一致，說明施工安全。當(dāng)前沉降量為1.3mm，根據(jù)曲線預(yù)測最終收斂量為1.31mm，最大沉降速率為0.4mm/d，管理等級為Ⅲ級，滿足設(shè)計要求，建議繼續(xù)施工。

圖7 全斷面法施工測線布置示意圖

圖8 拱頂沉降數(shù)據(jù)回歸分析圖

圖9 水平收斂數(shù)據(jù)回歸分析圖

圖10 地表沉降數(shù)據(jù)回歸分析圖

5.結(jié)語

通過以上對天河山隧道進洞施工的調(diào)查、施工設(shè)計、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析表明：掌子面圍巖等級為Ⅲ級，為砂巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，拱部無支護時可能產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動過大易塌，需加強支護；掌子面前方0-30m段開挖過程匯總可能出現(xiàn)滴滲-線狀出水現(xiàn)象，拱部易掉塊，需加強支護和做好防水措施；掌子面后方60m范圍內(nèi)可以看出該段落紅外輻射正常，出現(xiàn)含水構(gòu)造可能性小，建議在施工過程中加強對含水構(gòu)造觀測，定制防水措施，避免不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；進洞采用管棚支護，全斷面法施工，并結(jié)合實際情況確定循環(huán)進尺長度為4.5m；通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，拱頂沉降、水平收斂、地表沉降，均屬于Ⅲ級管理基準(zhǔn)，變形量在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，施工安全，可以繼續(xù)施工。