隧道穿越斷層帶施工技術(shù)研究

劉小飛

（中鐵二十局集團市政工程有限公司，甘肅蘭州 748399）

0 引言

在不同地質(zhì)的作用下，斷裂巖層因受力復(fù)雜，巖體的自穩(wěn)能力相對較差，在隧道穿越斷層裂縫帶時，容易發(fā)生坍塌或塌陷等不穩(wěn)定性破壞。因此，在隧道工程建設(shè)中，為保證隧道初期支護系統(tǒng)的安全運行，往往需要采取多種措施，如剪切面法、階梯法、CD法、CRD 法等，進行開挖施工。國內(nèi)外諸多學(xué)者分別從理論分析、數(shù)值模擬和實測分析的角度，對隧道穿越斷層斷裂帶施工技術(shù)進行了大量研究，更好地避免隧道穿越斷層帶施工過程中的坍塌等問題。

1 工程概況

新建隴西至漳縣高速公路隧道位于定西市漳縣武陽鎮(zhèn)。隧道為左、右分離式雙洞長隧道，左線起訖里程為ZK26+240～ZK28+927.5，全長2687.5m；右線起訖里程為YK26+210～YK28+936，全長2726m，左、右線均為變更調(diào)整后里程。隧道入口端位于S209 隴西至漳縣公路附近，隧址區(qū)有縣道S209 與之相連，交通較為便利。由于隧道洞身穿越斷層角礫巖，受F4漳縣—康勿里斷層影響較大，該段最大埋深為245m，最小埋深為194.5m，根據(jù)地質(zhì)勘探1鉆樣取芯樣本揭示，離地表223m 位置巖體主要為強風化灰?guī)r伴有部分泥質(zhì)砂巖，具有一定的強度，巖體整體呈碎狀結(jié)構(gòu)，完整性較差；離地表238m 位置2鉆孔樣本主要為風化泥巖，整體呈角礫狀，根據(jù)現(xiàn)場勘測，該類圍巖失水后極易崩解，呈碎屑狀，完整性較差，強度極低，基本無自穩(wěn)能力。其中，隧址F4 斷層帶地表位于山體沖溝段，橫跨線路方向，溝深最高位置約10m，最低位置約5m，沖溝整體呈V 字形，坡口最寬位置約16m，最窄位置約10m。根據(jù)現(xiàn)場地形地貌調(diào)查，沖溝上游至下游200m 段高差在20m 左右，調(diào)繪期間，在ZK26+470 地表沖溝有少量水滲出。

2 隧道穿越斷層帶施工MIDAS 有限元分析

在巖土工程中，彈性有限元是隧道工程中常用的分析模型。由于彈性元件的單元和結(jié)構(gòu)在受力時很少發(fā)生大變形，因此彈性和線彈性材料的特點規(guī)律才成為模擬中建立隧道模型問題的分析和控制重點。并且兩者之間存在線性關(guān)系，既滿足廣義胡克定律，又能節(jié)省計算時間。

在計算之前，根據(jù)選擇的位移方式，可以使用相應(yīng)的公式計算關(guān)鍵節(jié)點的位移，用于替換單元內(nèi)的所有單位點位移。形成一個對應(yīng)的關(guān)系式，其矩陣形式是：

式（1）中：{} 為每個單獨的離散單元某一節(jié)點（或單元）的位移對應(yīng)的矩陣；[]為節(jié)點的坐標，在前處理時確定；{}為相鄰單元之間交點的位移矩陣。

然后利用虛功原理，得出位移與變形之間的關(guān)系，劃分出有限元的剛度矩陣，具體見公式（2）。

式（2）中：{} 為有限元內(nèi)的任意點的位移矩陣；[]為單元應(yīng)變或變形矩陣。

根據(jù)位移方程，得到公式（3）。

式（3）中：{} 為單元內(nèi)任意節(jié)點（或單元）的位移列陣；[] 為單元的彈性矩陣，該矩陣與單元材料緊密相關(guān)。

通過節(jié)點整合，最終得到整體計算公式（4）。

式（4）中：[]為整體分析時，經(jīng)過整合的節(jié)點剛度矩陣；{} 為整體分析時，經(jīng)過整合的節(jié)點位移列陣；{}為整體分析時，經(jīng)過整合的節(jié)點所受到的外來荷載列陣。

最后在計算有限元變形與位移時，將參數(shù)代入公式進行計算即可。

3 隧道穿越斷層帶施工技術(shù)

3.1 開挖支護

以圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場支護參數(shù)，調(diào)整和上、中、下臺階及仰拱步距。若監(jiān)控量測數(shù)據(jù)正常，采用SVd 支護；若監(jiān)控量測數(shù)據(jù)異常，如圍巖突發(fā)異常，變形量在30～60cm 時，采用SVrⅠ襯砌類型支護，變形量在60～100cm 時，則采用SVrⅡ襯砌類型支護。施工過程中應(yīng)及時對已完成初支段落進行圍巖監(jiān)控量測，按照監(jiān)控得到的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)留方案進行變形量和支護參數(shù)的調(diào)整，避免在施工前期出現(xiàn)侵限現(xiàn)象，導(dǎo)致后期施工困難?？傊?，前期需要加強對參數(shù)的監(jiān)控和調(diào)整，為后期支護施工提供數(shù)據(jù)支持。

3.1.1 SVd 型開挖支護

在資料分級中，F(xiàn)4 斷層的圍巖等級被確認為V級，針對該等級的土層開挖方式，一般采用三臺階法（見圖1），并主要以機械的方式開挖，不采用人工開挖，若出現(xiàn)大塊孤石等情況，可用破碎錘對孤石進行破除分解，但嚴禁采用爆破開挖方式。三臺階法開挖方式的具體流程如下：一是開挖上臺階環(huán)形導(dǎo)坑，即先開挖圖1 中的①部分，這部分施工完成后，需要及時進行支護處理，并施作下循環(huán)徑向注漿管，完成徑向注漿；二是開挖圖1 中中臺階②-1 部分側(cè)導(dǎo)坑，然后進行初期支護和注漿操作；三是完成圖1 中中臺階②-2 部分側(cè)導(dǎo)坑的開挖，跟進圖1 中中臺階2-③核心土的開挖，根據(jù)該過程中墻體的變形情況，選擇是否設(shè)置臨時仰拱，以保證這一部分的穩(wěn)定性，并在開挖完成后及時進行支護及注漿操作；三是進行下臺階的施工，即開挖圖1 中③-1、③-2 部分側(cè)導(dǎo)坑及③-3 核心土，完成之后，進行初期支護與注漿操作；四是開挖基底，這部分施工結(jié)束后會形成一個完整的閉環(huán)，再利用材料進行填充，保證支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 三臺階預(yù)留核心土分部開挖示意圖

3.1.2 SVr 型開挖支護

SVrⅠ型襯砌結(jié)構(gòu)采用非爆法開挖方式，施工流程與SVd 型開挖支護一致。

SVrⅡ型襯砌結(jié)構(gòu)的施工流程與上述兩種結(jié)構(gòu)的施工流程有些許差異，具體施工步驟如下：第一，進行左側(cè)的上臺階開挖、支護及注漿，完成之后進行左側(cè)的下臺階開挖、支護及注漿；第二，進行右側(cè)的上臺階開挖、支護及注漿，完成之后進行右側(cè)下部臺階開挖、支護及注漿；最后完成開挖之后，進行邊墻的開挖與支護，SVrⅡ型襯砌結(jié)構(gòu)完成（此種開挖方法為兩臺階開挖，無中臺階）。

3.2 注漿施工

該工程中采用的是小導(dǎo)管注漿方式，采用的小導(dǎo)管型號為Φ42×4mm，按照2 榀一環(huán)的施工要求，保證每環(huán)的間距為100cm，25 根500cm 的小導(dǎo)管。注漿時，將注漿端加工成10cm 長的錐形，便于小導(dǎo)管注漿施工，設(shè)置8 個注漿孔，間隔為15cm，注漿孔的排列形式為梅花形，注漿孔的孔徑為8mm。為確保注漿效果，防止?jié){液外漏，注漿管尾部50cm 不設(shè)置注漿孔，尾部安裝注漿和止?jié){閥。環(huán)向小導(dǎo)管斜插角45。為保證注漿順利進行，在注漿過程中要嚴格控制注漿壓力，最好保持在0.5～2.5MPa，在1∶1 配置的水泥漿中加入濃度為35 波美度的水玻璃，并按照水泥漿質(zhì)量的5%加入，其中的模數(shù)具體參數(shù)控制為2∶4，調(diào)配完成后方可進行注漿操作。

自進式管棚鉆桿采用Φ76×9.5mm 管棚，管棚長度擬定15m（3×4m，3m），環(huán)向間距40cm，35 根/環(huán)，仰角2左右，連接套采用Φ92×150mm 連接套，注漿漿液采用1∶1 水泥漿液。根據(jù)自進式管棚直徑和長度，結(jié)合鉆進情況，選擇合適的鉆進機，該工程主要采用的鉆進機型號為ZGYX420S，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，分別選擇奇數(shù)孔鉆進注漿或者偶數(shù)孔鉆進注漿，最終完成注漿操作。

根據(jù)漳縣隧道斷層帶地質(zhì)情況，該工程最終選擇帷幕注漿方式，在開挖輪廓線6m 以外的區(qū)域進行注漿操作，注漿過程分三個環(huán)節(jié)操作，三個環(huán)節(jié)的注漿孔個數(shù)分別設(shè)置為20 個、20 個以及18 個，注漿孔的深度逐步增加，從一環(huán)到3 環(huán)的孔深分別設(shè)置為12m、20m、30m，其中全斷面鉆孔58 個。具體開孔布置方案見圖2。

圖2 帷幕注漿開孔布置圖

3.3 監(jiān)控量測

布置觀測點時需要遵照平行原則，原則上需要在同個斷面上布置沉降、凈空收斂兩個觀測點，起拱線和邊墻左、右側(cè)各布置一道收斂點，每個監(jiān)控斷面布置5 個觀測點，原則上對稱布置。觀測點的沉降位移小于3mm/d，屬于正常范圍；大于3mm/d 時，需要采取報警機制，增加對初支斷面的監(jiān)測頻率，并根據(jù)每日的沉降數(shù)據(jù)，適時加強初支支護參數(shù)，監(jiān)測頻率見表1。

表1 按照沉降收斂大小布置監(jiān)測頻率

4 結(jié)語

通過對相關(guān)工程的研究，明確了SVd 型開挖支護、SVr 型開挖支護和帷幕注漿技術(shù)在隧道穿越斷層帶施工中的重要性，利用科學(xué)的管理手段，結(jié)合“質(zhì)量第一”的施工理念，能夠有效避免隧道施工過程中容易出現(xiàn)的問題，可減少質(zhì)量通病，為建成高質(zhì)量、高標準的高速公路奠定基礎(chǔ)，也可為同類項目工程提供參考。