大型斷裂融合帶特長(zhǎng)鐵路隧道修建關(guān)鍵技術(shù)探討

朱麟晨

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031)

云南地區(qū)因地處區(qū)域性大斷裂發(fā)育地質(zhì)環(huán)境，會(huì)加大施工難度。目前已有學(xué)者對(duì)隧道穿越大型斷裂時(shí)的受力機(jī)理和控制措施進(jìn)行研究。程國(guó)然[1]以在建麗香鐵路為依托研究地震高烈度區(qū)隧道穩(wěn)定性的影響因素；劉愷[2]、孫風(fēng)伯[3]、許丁予[4]等分析了穿越活動(dòng)斷裂帶隧道的錯(cuò)動(dòng)破壞機(jī)理和抗錯(cuò)動(dòng)措施；黃勝[5]、方林[6]、張?jiān)迄i[7]等采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方式，分析隧道在穿越復(fù)雜地層斷裂帶下的地震響應(yīng)特性，并提出相應(yīng)的抗震設(shè)防措施；余莉[8]、宋晃[9]等依托實(shí)例介紹了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在斷裂帶隧道中的應(yīng)用；王芳[10]通過建立理想模型對(duì)位于陡傾斷裂帶中的深埋隧道涌水影響因素進(jìn)行了研究。

以上研究多是從單條斷裂帶對(duì)于隧道影響的某一個(gè)方面進(jìn)行，關(guān)于區(qū)域性大型斷裂帶對(duì)隧道的系統(tǒng)性影響及處置措施研究較少，且關(guān)于在多條區(qū)域性大斷裂影響下的融合地段修建特長(zhǎng)隧道的關(guān)鍵技術(shù)更鮮有系統(tǒng)性的報(bào)道[11]。本文依托廣大鐵路祥和隧道的修建，研究總結(jié)在大型斷裂融合帶處修建特長(zhǎng)隧道的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

祥和隧道全長(zhǎng)10 220 m，為雙線隧道，最大埋深為720 m，線路縱坡設(shè)計(jì)為人字坡，坡度分別為+0.5%和-0.48%，考慮工期、通風(fēng)、排水，以及防災(zāi)救援等因素，于線路右側(cè)設(shè)置貫通平導(dǎo)，長(zhǎng)度為10 076 m。祥和隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 祥和隧道地質(zhì)縱斷面簡(jiǎn)圖

該隧道為I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，同時(shí)也是廣大線頭號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道穿越9條大斷層，為國(guó)內(nèi)首座位于2條區(qū)域大型活動(dòng)斷裂融合帶的復(fù)雜多變地質(zhì)特長(zhǎng)隧道。

隧道處于川滇南北向構(gòu)造帶和青藏滇緬歹字形構(gòu)造帶之間，該復(fù)合地帶為2個(gè)區(qū)域性大構(gòu)造帶斜交產(chǎn)生，東側(cè)是程?！e川大斷裂，西側(cè)是洱海深大斷裂，隧道被這2個(gè)大型區(qū)域性活動(dòng)斷裂所夾持，構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，巖體十分破碎，該區(qū)域內(nèi)侵入巖活動(dòng)劇烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖脈、巖株、巖墻等形態(tài)不規(guī)則地侵入?yún)^(qū)內(nèi)各地層。隧道特點(diǎn)：①2條區(qū)域性活動(dòng)大斷裂融合帶，9條大斷層，地質(zhì)極其復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)受力環(huán)境差；②整個(gè)隧道均位于軟弱破碎地質(zhì)環(huán)境中，施工極其困難，安全風(fēng)險(xiǎn)高；③圍巖穩(wěn)定性差，支護(hù)變形普遍，工期風(fēng)險(xiǎn)大；④復(fù)雜環(huán)境地應(yīng)力大、地下水發(fā)育，隧底及無砟軌道動(dòng)力穩(wěn)定問題突出。

2 開挖支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)措施

廣大鐵路祥和隧道受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，范圍內(nèi)發(fā)育蕎麥地-馬鞍山斷裂、蕎麥地-架子山斷裂、三家村等9條斷裂構(gòu)造，總長(zhǎng)2 150 m，典型斷層破碎帶基巖裂隙水見圖2。

圖2 斷層破碎帶基巖裂隙水發(fā)育

此外，構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，巖體十分破碎，該區(qū)域內(nèi)侵入巖活動(dòng)劇烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖脈、巖株、巖墻等形態(tài)不規(guī)則的侵入?yún)^(qū)內(nèi)各地層，侵入巖段落總長(zhǎng)2 916 m，典型花崗斑巖、輝綠巖蝕變帶見圖3。

圖3 花崗斑巖、輝綠巖蝕變帶

同時(shí)，砂巖夾頁巖、板巖及灰?guī)r受構(gòu)造及侵入巖影響，巖體極為破碎，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，部分巖體呈壓碎狀，軟弱圍巖段落總長(zhǎng)2 914 m；隧道可溶巖段長(zhǎng)約4 285 m，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，最大涌水量超過11×104m3/d。

全隧III級(jí)圍巖長(zhǎng)度為550 m，占隧道長(zhǎng)度的5.39%；IV圍巖長(zhǎng)度為3 640 m，占隧道長(zhǎng)度的35.67%；V圍巖長(zhǎng)度為6 030 m，占隧道長(zhǎng)度的58.94%。

本隧道開挖支護(hù)的難點(diǎn)主要為巖質(zhì)軟硬不均，巖性復(fù)雜，易坍塌。受斷層構(gòu)造帶影響，圍巖穩(wěn)定性差，易突水、突泥。地下水滯后對(duì)炭質(zhì)頁巖產(chǎn)生軟化、泥化作用，致使隧道圍巖容重增加，導(dǎo)致圍巖體進(jìn)一步軟化，圍巖自穩(wěn)能力變差，易變形。因此，設(shè)計(jì)針對(duì)大型斷裂融合帶復(fù)雜地質(zhì)特長(zhǎng)隧道的高風(fēng)險(xiǎn)性和不確定性，采用“加強(qiáng)預(yù)報(bào)、平導(dǎo)超前、支護(hù)加強(qiáng)、調(diào)整工法、創(chuàng)新注漿、圓形襯砌”等綜合措施。

2.1 圓形襯砌活動(dòng)斷裂帶支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

祥和隧道D1K151+180-D1K151+670段(490 m)穿越上泥哨斷裂和蕎麥地-馬鞍山活動(dòng)斷裂帶，晚更新世以來該活動(dòng)斷裂帶平均左旋走滑速率2.5～3.0 mm/年，平均垂直位速率2 mm/年。

為避免隧道襯砌受斷層剪切和地震破壞，設(shè)計(jì)時(shí)按照“避讓、補(bǔ)強(qiáng)、抗斷”的設(shè)計(jì)理念，采用圓形斷面復(fù)合鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足開挖及正常運(yùn)營(yíng)要求，以具備較強(qiáng)的抗震能力。

圓形襯砌設(shè)計(jì)斷面及其現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖4和圖5。

圖4 典型圓形襯砌設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

圖5 典型圓形襯砌施工斷面

2.2 以控制變形為主的軟弱圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

多條構(gòu)造影響范圍內(nèi)多種巖性混雜，各種不利結(jié)構(gòu)面交錯(cuò)發(fā)育，巖質(zhì)較軟，特別是在輝綠巖、花崗斑巖、斷層角礫及炭質(zhì)頁巖等軟質(zhì)巖地段，風(fēng)化程度不均勻，巖體強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，孔隙較大，且地下水具有明顯的遲滯性，使得結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生大規(guī)模的剪切破壞，致使圍巖發(fā)生較大變形。設(shè)計(jì)采用以下措施解決軟弱圍巖段變形突出的問題。

1) 加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)素描、綜合物探和超前鉆探相結(jié)合的方案，其中以綜合物探為主，局部段落采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)地下水豐富地段采用了激發(fā)極化法。

2) 引排地下水。通過超前物探結(jié)果顯示的異常區(qū)域，對(duì)該區(qū)域內(nèi)掌子面進(jìn)行超前水平鉆孔，除了可以驗(yàn)證掌子面前方地質(zhì)情況，還可以起到超前排放地下水的作用。對(duì)部分已施作初支但涌水量仍較大的區(qū)域，采用局部鉆孔的方法引排洞周地下水，并在出水孔位置增設(shè)環(huán)向盲管引排地下水至側(cè)溝。

3) 提高圍巖強(qiáng)度。為了保證隧道開挖的安全，在富水軟質(zhì)圍巖段落，采用對(duì)上臺(tái)階圍巖進(jìn)行超前局部注漿加固，下臺(tái)階圍巖進(jìn)行鉆孔排水的方法，效果明顯。超前注漿材料采用硫鋁酸鹽或普通水泥單液漿。

4) 加強(qiáng)初期支護(hù)。隧道初噴混凝土采用C30早強(qiáng)混凝土；初支鋼架通常采用I22型鋼鋼架，局部地段采用HW175型鋼鋼架；在鋼架臺(tái)階接頭及墻腳的位置設(shè)置鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用“U形”連接的方式或?qū)@孔鋼板直接焊接在鋼架上，使鎖腳錨管穿過孔洞并連接在鋼板上；開挖后使初支及時(shí)成環(huán)。

針對(duì)軟弱圍巖段具有變形大、地下水滯后的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“探、排、護(hù)”三位一體的處理方案，成功解決了本隧道軟弱圍巖段穩(wěn)定性差，支護(hù)變形普遍，施工易變形造成坍塌的嚴(yán)重后果，保證了隧道施工安全。

2.3 應(yīng)用新型注漿工法的涌水處理設(shè)計(jì)技術(shù)

隧道斷層、軟弱破碎帶、侵入巖蝕變帶等不良地質(zhì)段落占全隧比例約60%，因此研究大型斷裂融合帶復(fù)雜地質(zhì)特長(zhǎng)隧道涌水涌泥機(jī)理及采用注漿治理的技術(shù)尤為重要。本隧道在采用注漿治理富水?dāng)鄬拥囟斡克磕酁?zāi)害成功的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際及相關(guān)理論經(jīng)驗(yàn)，建立了一整套集綜合預(yù)報(bào)、注漿設(shè)計(jì)、注漿實(shí)施及效果評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)體系，并通過現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)對(duì)比，創(chuàng)造性地提出并采用前承后繼注漿工法，提高了開挖支護(hù)的安全性，有效地縮短了工期，且合理降低了施工成本。

前承后繼注漿工法分為“前承”和“后繼”2個(gè)部分，其中“前承”的第一步是在上臺(tái)階周邊輪廓采用長(zhǎng)5 m的鋼花管淺孔低壓注漿；第二步是頂入自進(jìn)式管棚，每根長(zhǎng)12～15 m，角度向上5～8°，設(shè)置于拱部，打入管棚后先不注漿；第三步是采用8～10 m長(zhǎng)鋼花管注漿，同時(shí)對(duì)管棚注漿，注漿壓力3 MPa左右。“后繼”是施做完初支鋼架后，在拱腰至拱腳分別施做2組單根5 m左右的鎖腳錨管，拱部范圍采用徑向注漿。

3 工期控制關(guān)鍵技術(shù)措施

祥和隧道穿越橫斷山脈，受地形地質(zhì)條件限制，輔助坑道選擇受限，因此貫通平導(dǎo)能否按期順利掘進(jìn)關(guān)乎整個(gè)隧道的工期，同時(shí)對(duì)全線總工期產(chǎn)生影響。祥和隧道是云南地區(qū)第一座利用貫通平導(dǎo)多掌子面超前正洞施工，實(shí)現(xiàn)全線工期的特長(zhǎng)隧道，為類似工程在輔助坑道選擇及平導(dǎo)快速施工方面提供較大借鑒。

3.1 加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)保障平導(dǎo)施工

由于云南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造異常發(fā)育、地質(zhì)條件較差、巖性復(fù)雜多變, 因此做好隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是保障平導(dǎo)及引入正洞安全、快速施工的關(guān)鍵, 根據(jù)圍巖及地下水的不同，選擇合適的開挖方法和支護(hù)措施。采用地質(zhì)素描、綜合物探和超前鉆探相結(jié)合的綜合方法對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，其中以綜合物探為主，局部鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 調(diào)整開挖方式提高掘進(jìn)效率

云南地區(qū)隧道以軟弱圍巖為主，從開工以來的爆破情況看，開挖后的超欠挖均較難控制，為改善開挖效果，提高施工進(jìn)度，設(shè)計(jì)中利用單臂掘進(jìn)開挖方法工效較高，開挖輪廓好的特點(diǎn)進(jìn)行輔助開挖，最大限度控制超欠挖的發(fā)生，減少噴混凝土的超耗，在開挖的同時(shí)可以出渣，節(jié)省出渣時(shí)間，減少掌子面施工人員，提高掘進(jìn)效率。

3.3 優(yōu)化平導(dǎo)輪廓改善受力條件

在深埋V級(jí)圍巖及斷層破碎帶地段，由于豐富的地下水、較高的地應(yīng)力，以及較強(qiáng)的構(gòu)造擠壓作用影響，常導(dǎo)致初期支護(hù)發(fā)生變形開裂。通過調(diào)整平導(dǎo)邊墻曲率，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力條件，取得了較好的效果。平導(dǎo)曲墻式二次襯砌見圖6。

圖6 平導(dǎo)曲墻式二次襯砌

3.4 多工作面引入正洞施工

為加快施工進(jìn)度兼顧施工通風(fēng)和排水的需要，共設(shè)置22處橫通道。平導(dǎo)超前后利用橫通道多次引入正洞開辟工作面施工(施工中成功實(shí)現(xiàn)于1個(gè)主攻方向3次引入正洞施工)，將巷道內(nèi)的新鮮空氣，壓入各工作面，成功解決隧道開辟工作面困難的問題，還改善了隧道通風(fēng)條件。平導(dǎo)多掌子面引入正洞施工示意圖見圖7。

4 隧底穩(wěn)定性控制技術(shù)措施

為解決復(fù)雜環(huán)境下地應(yīng)力大和地下水發(fā)育造成隧底及無砟軌道動(dòng)力穩(wěn)定控制難題，設(shè)計(jì)采用“排水減壓、錨桿鎖定、注漿補(bǔ)強(qiáng)”等措施，有效應(yīng)對(duì)了雙線無砟軌道隧道運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生上鼓、下沉和翻漿冒泥等病害發(fā)生，保證了隧道運(yùn)營(yíng)安全。

圖7 平導(dǎo)多掌子面引入正洞示意圖

4.1 隧底排水降壓

于隧道中線左、右側(cè)80 cm處鉆設(shè)排水降壓孔，排水降壓孔按縱向間距8 m交錯(cuò)布置，排水降壓孔內(nèi)設(shè)直徑100 mm PVC管，并于仰拱填充內(nèi)排水降壓孔頂端至中心水溝間鑿槽，于鑿槽內(nèi)埋設(shè)圓形截面PVC彎管，將排水降壓孔內(nèi)涌水直接引入中心溝。增設(shè)降壓泄水孔施工見圖8。

圖8 增設(shè)降壓泄水孔施工

4.2 錨桿鎖定

于隧道軌道板兩側(cè)增設(shè)壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿加固，錨桿縱向間距3 m。錨桿由錨固段(長(zhǎng)2～3m)和自由段(不小于5 m)組成。錨桿端頭設(shè)置承載體和錨固段。錨固劑固化完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行張拉，單孔張拉力設(shè)計(jì)值200 kN，張拉完畢，經(jīng)驗(yàn)收合格后自由段套管與巖壁間空隙采用M35水泥砂漿注漿。錨桿鎖定封錨見圖9。

圖9 錨桿鎖定封錨

4.3 隧底注漿加固

洞身穿越斷層破碎帶、物探異常和基底不密實(shí)段落，采用直徑42 mm鋼管進(jìn)行隧底充填注漿加固。注漿加固孔設(shè)置于軌道板兩側(cè)，縱向間距2 m，嵌入開挖輪廓線外基巖2.5 m。

5 結(jié)語

大型斷裂融合帶地質(zhì)極其復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)受力環(huán)境差；整個(gè)隧道均位于軟弱破碎地質(zhì)環(huán)境中，導(dǎo)致施工極其困難，安全風(fēng)險(xiǎn)高；圍巖穩(wěn)定性差，支護(hù)變形普遍，工期風(fēng)險(xiǎn)大；復(fù)雜環(huán)境地應(yīng)力大、地下水發(fā)育，隧底及無砟軌道動(dòng)力穩(wěn)定問題突出。

設(shè)計(jì)針對(duì)大型斷裂融合帶復(fù)雜地質(zhì)特長(zhǎng)隧道的高風(fēng)險(xiǎn)性和不確定性采用“加強(qiáng)預(yù)報(bào)、平導(dǎo)超前、支護(hù)加強(qiáng)、調(diào)整工法、創(chuàng)新注漿、圓形襯砌”等措施，取得了較好的效果。祥和隧道是云南地區(qū)第一座利用貫通平導(dǎo)多掌子面超前正洞施工，實(shí)現(xiàn)全線工期的特長(zhǎng)隧道，為類似工程在輔助坑道選擇及平導(dǎo)快速施工提供較好借鑒。

上述實(shí)踐表明，采用“排水減壓、錨桿鎖定、注漿補(bǔ)強(qiáng)”等措施，能有效解決復(fù)雜環(huán)境下地應(yīng)力大和地下水發(fā)育造成隧底及無砟軌道動(dòng)力穩(wěn)定控制難題。