隧道斷層破碎帶加強(qiáng)初期支護(hù)研究與應(yīng)用

李曉宏

（山西二建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

保障交通、提高交通運(yùn)行效率對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展來說具有重要意義，隨著我國交通工程建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，隧道工程的建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。但隧道工程施工中需要面對的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，如何提高隧道工程的施工質(zhì)量和施工安全早已成為眾多工程建設(shè)人員思考的重要問題，以實(shí)際工程經(jīng)驗為例探討工程技術(shù)，對提高我國隧道工程施工技術(shù)水平具有積極促進(jìn)作用。

1 工程概況

本文以太行山一號國家觀光旅游路平定段建設(shè)項目為例，娘子關(guān)—固關(guān)環(huán)線（程家—槐樹鋪）段第四合同段，太行山一號國家觀光旅游路平定段建設(shè)項目娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線（程家—槐樹鋪）段第四合同段位于平定縣娘子關(guān)鎮(zhèn)程家村東石太鐵路橋下，與鄉(xiāng)道033相接，路線向南沿白蹄溝布線，穿越1座隧道后，經(jīng)過嶺后村、槐樹鋪村，下穿太舊高速公路后至本項目終點(diǎn)，路線終點(diǎn)位于平定縣柏井鎮(zhèn)槐樹鋪村東南，與國道307相交，路線全長13.286456km。

全線采用四級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度20km/h，路基寬度4.5m，隧道凈寬采用8.5m。本標(biāo)段線路全長全長1.3km，起終點(diǎn)樁號為K9+320~K10+620，包括路基土石方、涵洞、漿砌擋墻防護(hù)、混凝土擋墻防護(hù)、排水溝及急流槽、路面結(jié)構(gòu)層為水穩(wěn)層（20cm+20cm）+中粒式瀝青5cm、蓋板涵洞3道、青龍山隧道長218m，凈空8.5m×5m，明洞11m、V級圍巖109m、Ⅳ級圍巖98m；波形護(hù)欄734m，交通標(biāo)識牌14處；綠化面積1157m2。本文以此為例，對隧道斷層破碎帶加強(qiáng)初期支護(hù)進(jìn)行深入研究。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

平定段建設(shè)項目所在區(qū)域中地層巖性非常復(fù)雜，進(jìn)口附近為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dl+pl）新黃土夾砂礫石，洞身范圍為太古界馬市口組（Arm）麻粒巖、黑云母斜長片麻巖、磁鐵石英巖及太古界下白窯組（Arm）淺粒巖，局部可見基性輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。斷層破碎帶地段分布為構(gòu)造擠壓破碎巖與泥質(zhì)夾層。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道洞身穿越地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜程度較高[1]。地質(zhì)構(gòu)造行跡的變化主要受前震旦紀(jì)、中生代和新生代構(gòu)造運(yùn)動的影響，三期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動分別對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，最終構(gòu)成以斷裂為主、存在小規(guī)模褶皺，巖漿活躍度高的地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)。

2.3 地下水特征

娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道地區(qū)地下水以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主[2]。其中基巖裂隙水主要賦存在節(jié)理、構(gòu)造裂隙、斷裂破碎帶中，并可進(jìn)一步劃分為基巖裂隙潛水和承壓水，基巖裂隙潛水通常廣泛分布在較淺地層中；該段承壓水的產(chǎn)生原因主要是因為多期構(gòu)造運(yùn)動造成隧道圍巖節(jié)理以不同趨勢發(fā)育，軟弱破碎帶因受到不同時期構(gòu)造運(yùn)動的影響，內(nèi)部被沿脈切割和侵入，導(dǎo)致軟弱破碎帶中的出現(xiàn)大量斷層泥或構(gòu)造夾泥層，隔斷地下水的正常流動，進(jìn)而發(fā)展成層位隔水和層位含水穿插存在的地下水構(gòu)造區(qū)域，地層局部含有承壓水。在工程建設(shè)前期地質(zhì)勘察階段，結(jié)合地質(zhì)勘察報告計算出隧道用水量數(shù)值，隧道涌水值范圍在16013~61157m3/d范圍內(nèi)，其中塌方段最大涌水量約為17688m3/d。

3 隧道斷層破碎帶變形問題分析

3.1 圍巖變形過程

娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道工程施工至DK29+376～406段后，掌子面出現(xiàn)涌水和溜渣現(xiàn)象，施工隊伍立即采用混凝土噴射方式對掌子面進(jìn)行處理和加固。工程繼續(xù)推進(jìn)，10d后在施工人員套拱施作時，涌水量突然增大，造成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，部分位置嚴(yán)重變形伴隨塌方現(xiàn)象。直到20d后，涌水量有所緩和，施工人員開始逐步實(shí)施加固換拱作業(yè)。

3.2 變形原因

通過多方驗證，認(rèn)為隧道施工中出現(xiàn)變形主要是在巖性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)面特征、多期構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響和地下水流動幾項因素共同作用的下引發(fā)的[3]。娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道工程所帶區(qū)域巖系主要是從中酸性淺層巖變質(zhì)所得，通過檢測發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下變質(zhì)巖單軸抗壓強(qiáng)度為0.22MPa，風(fēng)干狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為1.8MPa。構(gòu)造擠壓破碎帶的軟化系數(shù)Ks＜0.22/1.8=0.12。不僅自身強(qiáng)度低，而且工程性較差，同時多期構(gòu)造運(yùn)動造成巖體內(nèi)泥質(zhì)夾層和斷層泥含水量高，容易發(fā)生塑性變形。結(jié)構(gòu)面中含有發(fā)育水平很高的擠壓破碎帶，擠壓破碎帶中含有斷層泥及構(gòu)造泥質(zhì)夾層、壓碎巖等多種結(jié)構(gòu)，雖然干燥時具有較高強(qiáng)度，但遇水后會快速崩解，隧道開挖過程中使結(jié)構(gòu)面中含水量發(fā)生變化，造成涌水量突然增大的情況[4]。

4 隧道斷層破碎帶加強(qiáng)初期支護(hù)應(yīng)用

4.1 錨桿及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)處理

錨桿設(shè)計是經(jīng)過大量工程驗證對隧道工程具有良好支護(hù)效果的受拉構(gòu)件，強(qiáng)化錨桿質(zhì)量，提高錨桿施作質(zhì)量，能有效改善圍巖變形情況[5]。

4.2 注漿加固處理

娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道塌方路段主要表現(xiàn)為右側(cè)臨時擋墻后松動巖體塌方，經(jīng)專家商議后，決定采用外堵內(nèi)固注漿方法加固巖體，通過連續(xù)注漿建造止水帷幕，攔截地下水，避免巖體在地下水的沖刷下再次發(fā)生松動或塌方，止水帷幕的建造能有效提高初期支護(hù)的穩(wěn)定性，并在兩端設(shè)置泄水孔，及時排出積水。泄水孔的建造材料采用φ42mm、長為6m的小導(dǎo)管，導(dǎo)水管設(shè)置間距為1.5m×1.5m，泄水孔設(shè)置間距為3m×1.5m。止水帷幕注漿材料是由多種材料共同構(gòu)成，主體材料為硫鋁酸鹽水泥單液漿，同時配合少量普通水泥[6]。

4.3 增設(shè)臨時擋護(hù)墻

在塌方路段右側(cè)增設(shè)臨時擋護(hù)墻，以保障隧道工程和施工人員的安全性。擋護(hù)墻材料選用I16b型鋼，鋼架安裝間距設(shè)為1.2m，澆筑作業(yè)間隔為4m，待臨時擋護(hù)墻混凝土澆筑結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除和更換發(fā)生破損的仰拱。共設(shè)計三種臨時擋護(hù)墻施工方案，各施工方案優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 臨時擋護(hù)墻施工方案對比

全面考慮各施工因素的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選用第二種施工方案。

4.4 加強(qiáng)初期后換拱

拆除塌方段段止?jié){墻后進(jìn)行換拱作業(yè)，并利用掛板混凝土對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化，混凝土注漿厚度為30cm。再對塌方段進(jìn)行換拱處理，利用掛板混凝土進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，完成換拱后，須立即開展二次襯砌施工。

結(jié)合科學(xué)的施工方案，對塌方路段全段進(jìn)行注漿加固、提高錨桿和支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、增設(shè)臨時擋護(hù)墻、拆除后重新施作，再重新注漿塌方路段、逐段拆除，最終完成控制該段圍巖大變形的施工目的。娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道自完成施工通車后，始終處于良好狀態(tài)。

5 工程經(jīng)驗總結(jié)

（1）娘子關(guān)固關(guān)環(huán)線隧道斷層破碎帶在施工過程中出現(xiàn)大面積塌方和變形的原因較多，主要是因為隧道工程所處位置地質(zhì)環(huán)境和地下水分布情況復(fù)雜程度較高，圍巖在巖性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)面特征、多期構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響和地下水流動幾項因素共同作用下出現(xiàn)松弛和破裂，最終出現(xiàn)塌方和變形情況[7]。由此可知，在實(shí)際隧道工程施工中，必須預(yù)先對工程建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)條件、地層結(jié)構(gòu)、巖性結(jié)構(gòu)、地下水分布情況等進(jìn)行充分地勘察，使工程設(shè)計人員能全面地掌握工程建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)，在施工過程中采取科學(xué)的方式封堵和排出地下水，降低地下水對隧道工程結(jié)構(gòu)的影響，避免其產(chǎn)生聯(lián)通，并盡快使初期支護(hù)封閉成環(huán)，縮短二次襯砌間隔時間，規(guī)避隧道開挖面中巖體出現(xiàn)力學(xué)上的變化，保證巖體始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，才能最大限度減少隧道塌方事故的出現(xiàn)概率。

（2）當(dāng)隧道工程在施工過程中出現(xiàn)塌方變形情況后，應(yīng)綜合性考慮強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)、排堵地下水和注漿加固等因素，避免采用難以全面應(yīng)對塌方事故的單一應(yīng)對措施[8]。

（3）隧道工程發(fā)生塌方或變形情況后，應(yīng)增設(shè)必要的臨時擋護(hù)墻結(jié)構(gòu)，既能有效減少地下水繼續(xù)發(fā)展影響后續(xù)施工，又能為施工人員提供安全的施工作業(yè)環(huán)境。先利用臨時擋護(hù)墻對變形塌方路段進(jìn)行隔離，繼續(xù)隧道掘進(jìn)作業(yè)，在整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后對塌方變形段盡心迂回處理。迂回處理作業(yè)中，使用針對性較強(qiáng)的注漿作業(yè)方式，待注漿部分達(dá)到工程設(shè)計強(qiáng)度后，再以分段拆除換拱的方式進(jìn)行處理，既能減少對隧道工程正常施工的影響，保證隧道工程在計劃施工周期內(nèi)完成施工，保證工程建設(shè)成本，又能通過繼續(xù)掘進(jìn)作業(yè)為處理塌方變形段提供更加寬闊的作業(yè)空間，同時提高塌方處理的安全性。