緩傾斜巖層隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 磊

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

水工隧洞工程，是在巖(土)體中修建隧洞,主要用于完成引水、泄水和導(dǎo)流等任務(wù),目前我國已建成的各類水工隧洞總長超過1萬km，在建總長超過3000km[1-5]。相對于其他露天開挖工程而言,緩傾斜巖層隧洞施工具有施工范圍狹小、工序復(fù)雜、干擾因素多、施工條件差、投入成本高、安全風(fēng)險高等特點,其施工方法取決于工程所在地的地質(zhì)狀況、斷面設(shè)計、施工器械、工期要求和技術(shù)水平等[6-8]。作為水利工程建設(shè)的重要組成部分,隧洞工程的施工質(zhì)量直接影響到水利工程的整體質(zhì)量[9-12],因此,應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇施工技術(shù)和施工工藝,嚴把工程建設(shè)質(zhì)量關(guān),提高隧洞的安全性和穩(wěn)定性,從而促進水利事業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

香爐山隧洞洞線長63.43km，布置多條施工支洞進行施工，施工支洞主要解決香爐山隧洞不良地質(zhì)處理、施工運輸、通風(fēng)、排水問題，并兼顧相應(yīng)段地質(zhì)勘探工作的需要，在運行期還作為檢修通道或補氣通道。

香爐山2號施工斜井進口位于白漢場壩子西側(cè)對民房影響較小的吾都克溝邊，洞底與主洞(香爐山隧洞，下同)交接處位于龍蟠—喬后斷裂(F10)上游處，且與斷層走向成較大夾角。2號施工斜井進口高程2372.00m，中心點坐標(X=2960240.0717，Y=498153.9101)；洞底高程2020.90m，中心點坐標(X=2961363.3404，Y=498507.5059)。2號施工斜井與主洞水平投影夾角36.77°，在距主洞45m處布置一條施工岔洞通向引水斜井下游，交主洞中心點坐標(X=2961315.7090，Y=498524.1791)。

1.1 水文氣象條件

香爐山隧洞2號施工斜井所在沖溝為吾都克溝(洞口斷面的各頻率設(shè)計洪峰成果見表1，設(shè)計洪水位成果見表2)。

表1 2號施工斜井洞口段面設(shè)計洪水成果

表2 2號施工斜井洞口段面設(shè)計洪水位成果

香爐山隧洞地處低緯度、高海拔區(qū)，夏秋季濕度大，降水多而集中(香爐山隧洞2號施工斜井附近的氣象站氣象要素見表3)。

表3 香爐山隧洞2號施工斜井附近的氣象站氣象要素統(tǒng)計

1.2 地形地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

2號施工斜井布置在白漢場—九河線狀斷層槽谷西側(cè)山體內(nèi)，洞軸向為N17°E。白漢場槽谷南北長大于10km，東西寬200～700m，地面高程從北往南呈2430～2300m降低，斜井部位東側(cè)槽谷地面高程一般2360～2340m；西側(cè)山體高程一般2650～2800m，坡角一般20°左右，局部稍陡達30°；東側(cè)山體高程一般3000m，最高3350m，坡角一般30°。斜井進口位于槽谷西側(cè)吾都克溝溝口，其走向與槽谷成小銳角相交，沿線地面高程2350～2508m，高差約132m，地形坡角9°～34°，地形較連續(xù)。吾都克溝常年流水，由西向東流向白漢場大溝。

1.2.2 地層巖性

1.2.3 主要工程地質(zhì)條件

2號施工斜井末端穿越龍蟠—喬后F10-1斷裂帶，存在工程抗震及抗剪斷問題，據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所最新鑒定研究成果，斷裂帶100年位移設(shè)防水平向量值為1.90m，垂直向量值為0.33m，最大突發(fā)地震地表變形帶寬度300～500m，需要進行工程抗剪斷設(shè)計。

斜井進口邊坡自然坡角一般34°～57°，為下陡上緩的橫向坡，自然邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，斜井施工如需開挖人工邊坡，巖體破碎，存在人工邊坡的穩(wěn)定問題。斜井Ⅴ類圍巖長255.5m，占比20.4%，Ⅳ類圍巖長620m，占比49.4%，Ⅲ類圍巖長380m，占比30.3%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖累計約占69.8%，洞室圍巖特別是穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定問題突出。

斜井末端存在沿斷層破碎帶的高外水壓力與洞室涌水問題。斜井軟巖大變形問題總體上不突出，但在樁號K1+050～1+227.52段穿越F10破裂巖、角礫巖時，會發(fā)生中等擠壓變形，局部穿越F10-1主斷帶的碎粉巖時，疊加相對豐富的地下水影響，洞室圍巖有產(chǎn)生較大變形的可能性。

2 緩傾巖層洞段施工破壞規(guī)律

緩傾斜巖層常呈軟硬巖層相間的互層型式(其破會力學(xué)模型見圖1)，破壞規(guī)律一般如下：隧洞開挖后，邊墻部位圍巖基本穩(wěn)定，但拱部則不穩(wěn)定，薄層狀巖體的隧洞拱部90°～120°范圍內(nèi)易出現(xiàn)塌落現(xiàn)象；新暴露以薄層為主，伴隨著巖體軟化、剝落、掉塊現(xiàn)象,致使拱頂圍巖斷裂失穩(wěn)。

圖1 緩傾斜巖層隧洞變形破壞力學(xué)模型

3 緩傾斜巖層隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超前支護

首先判定巖性，然后超前支護。緩傾斜層結(jié)構(gòu)爆破后易造成結(jié)構(gòu)性超挖,拱部出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，需要根據(jù)圍巖情況局部或拱頂部位施作超前錨桿或小導(dǎo)管,有效控制超挖和坍塌。

3.2 重視初噴和初期支護

對于強度不太高、層厚不大、節(jié)理發(fā)育的巖層，由于爆破震動擾動后圍巖結(jié)構(gòu)受到破壞,易掉塊,對施工安全威脅很大，必須安排專人找頂,消除威脅。重視初噴和初期支護，使緩傾斜層圍巖地段收斂變形盡快趨于穩(wěn)定。

3.3 錨桿施工

錨固及時,方向正確,保證長度,嚴格按設(shè)計施作到位。平層結(jié)構(gòu)的特殊性,要求錨桿沿垂直圍巖結(jié)構(gòu)面的方向(施工困難時至少保持60°以上)打入,才能起到應(yīng)有的作用,否則會更加破壞圍巖的結(jié)構(gòu)。由于存在多層結(jié)構(gòu),錨桿的錨固深度如果不夠,提供的拉力則不足以抵抗巖石的自重和地層應(yīng)力。因此,錨固深度必須滿足要求。開挖后在圍巖岀現(xiàn)塑形變形前及時施作錨桿,能很好地起到加固地層的作用,既充分利用圍巖的自穩(wěn)性能,又能保證施工安全。

4 軟巖大變形施工技術(shù)

4.1 軟巖段概況

隧洞段擠壓變形總長約867m，占本段隧洞總長4.1%。其中極嚴重擠壓變形洞段158m，占變形段長度18.2%，占本段隧洞總長0.75%；嚴重變形洞段124m，占變形段長度14.3%，占本段隧洞總長0.59%；中等擠壓變形洞段129m，占變形段長度14.9%，占本段隧洞總長0.61%；輕微變形洞段456m，占變形段長度的52.6%，占本段隧洞總長2.15%，工程圍巖變形主要原因為深埋和構(gòu)造應(yīng)力作用下軟巖產(chǎn)生的大變形問題(見表4)。

表4 軟巖大變形段落統(tǒng)計

4.2 斷層破碎帶及輕微擠壓變形段施工方案

針對斷層破碎帶及輕微擠壓變形段軟巖變形的問題,采取“加固圍巖、支護加強、變形留夠、底部加強”的整治原則。具體為加強支護結(jié)構(gòu)的剛度：軟巖段根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及時調(diào)整支護參數(shù)，確保初期支護結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。建議Ⅴ類軟巖段采用I20a鋼架@50cm，鎖腳錨桿采用L=5.0mΦ48×3.5注漿錨管。調(diào)整預(yù)留變形量。Ⅴ類軟巖段預(yù)留變形20～25cm。

4.3 高地應(yīng)力段軟巖隧洞支護預(yù)案

系統(tǒng)錨桿施作讓壓錨桿，軟巖大變形段系統(tǒng)錨桿采用讓壓錨桿，長度6m(間距和數(shù)量見圖2)。

圖2 讓壓錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

為適應(yīng)軟巖變形支護特點，初期支護擬采用可限制支護阻力、控制圍巖壓力釋放的“限阻器”結(jié)構(gòu)(見圖3、圖4)。限阻器用于與隧洞初期支護的環(huán)向連接，其設(shè)計原則為：限阻器峰值須大于仰拱閉合前結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并小于結(jié)構(gòu)極限抗壓強度，保證初期支護的施工期安全穩(wěn)定與后期限阻變形。

5 施工進度保障措施

為確保工程盡快投入施工，確保施工進度滿足工期要求，進場后及時進行地材調(diào)查、配比試驗、人員進場、技術(shù)方案、施組的制定和優(yōu)化等相關(guān)施工準備工作。做好技術(shù)準備，熟悉設(shè)計文件，領(lǐng)會設(shè)計意圖，辦理交接樁，做好復(fù)測和材料取樣鑒定，編制好實施性施工組織設(shè)計，做好技術(shù)交底。

圖3 軟巖變形段支護“限阻器”設(shè)置示意圖

圖4 軟巖支護“限阻器”設(shè)置工程案例照片

對各分項工程施工全過程進行進度監(jiān)控管理，監(jiān)控的原則為：目標明確，事先預(yù)控，措施有效，履行合同，并根據(jù)監(jiān)控情況進行調(diào)整，制定進度風(fēng)險管理措施及保證工期的經(jīng)濟措施(見表5、表6)。

表5 進度風(fēng)險管理措施

表6 保證工期的經(jīng)濟措施

6 結(jié) 論

緩傾斜巖層隧道施工中需要充分了解緩傾斜巖體結(jié)構(gòu)的具體破碎狀況，同時，采取有效處理措施，防止在施工過程中出現(xiàn)安全隱患。同時，對隧洞巖溶地質(zhì)處理技術(shù)的使用，可有效保證隧洞頂部區(qū)域貫穿巖溶隧道工程的整體施工效率和質(zhì)量，從根本上提高整個隧洞工程的施工效率和穩(wěn)定性。