某國外鐵路隧道穿越斷層破碎帶施工研究

陳 彬

(中鐵十八局集團國際公司，天津 300222)

隨著“一帶一路”倡議的提出及貫徹實施，我國與其他發(fā)展中國家的聯(lián)系更加密切，在基礎設施建設上的合作越來越多。在鐵路隧道項目中會遇到各種各樣復雜的地質(zhì)條件，其中斷層破碎帶是鐵路隧道工程施工中的一大難題[1]。因為受地質(zhì)活動的影響，斷層破碎帶段的圍巖通常比較破碎且屬節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水富集，若穿越施工中方法不當或控制不到位，容易引發(fā)涌水、塌方及大變形等安全事故，從而會延誤整個項目的工期，甚至危及人身安全，造成不可挽回的重大經(jīng)濟損失[2]。因此，針對斷層破碎帶穿越施工加大研究有著重要的意義。

1 工程概況

某國外鐵路隧道項目全長11.65 km，設計行車速度為120 km/h，結構形式為單洞雙線形式，隧道擬建地點地質(zhì)條件復雜，以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，地形陡峻，有多處斷層破碎帶，最大埋深約520 m。該隧道項目的建設標準及技術措施均是采用中國的隧道建設標準、技術措施及設備，是至今我國鐵建在某國建設的最長隧道。

經(jīng)勘測，該隧道施工中會經(jīng)過多個斷層破碎帶，以其中的穿越F2斷層破碎帶施工為例展開分析，F(xiàn)2斷層破碎帶(具體地質(zhì)情況見圖1)和線路DK24+887～DK24+937段相交，夾角是80°。此斷層破碎帶巖性以片巖、砂巖及夾薄層泥灰?guī)r為主，節(jié)理、層理及裂隙發(fā)育，不僅風化嚴重，而且層面交錯，呈壓碎狀態(tài)，圍巖的穩(wěn)定性差，發(fā)生坍塌的概率比較大。

圖1 DK24+887～DK25+937里程段縱剖面圖

2 工程重點、難點分析

1)因為F2斷層破碎帶段的圍巖破碎嚴重，所以穿越施工中掌子面穩(wěn)定性比較差，易因外界因素影響而產(chǎn)生大的變形、坍塌等事故，對施工人員及設備的安全有很大威脅。所以穿越施工的安全控制是重點。

2)超前鉆孔的過程中，涌水量比較大，且易受到水壓沖力作用而發(fā)生卡鉆，地下水富集嚴重，增大了穿越施工的難度。

3)巖體風化嚴重，在安裝鋼拱架時，易引起掌子面的滑塌，施工難度大[3]。

3 穿越斷層破碎帶綜合施工分析

3.1 開挖施工

因為斷層破碎帶處的圍巖破碎比較嚴重，所以結合現(xiàn)場條件綜合考慮后，決定采取三臺階臨時仰拱的方法進行斷層破碎帶穿越施工，具體如圖2所示。

圖2 三臺階臨時仰拱施工示意圖

具體施工方法如下：

1)對區(qū)域①進行弱爆破開挖，并做初期支護，即，先進行初期支護，并噴上一層混凝土，再將鋼筋網(wǎng)及臨時仰拱鋼架安裝好，并進行封閉。接下來，順著徑向往鉆孔中安裝錨桿和鎖腳錨管，接著按設計要求進行混凝土噴射，直至達到設計厚度后，再往底部噴射厚度10 cm的混凝土進行封底。接著按同樣的方法對區(qū)域②和區(qū)域③進行弱爆破開挖施工及初期支護施工。且待區(qū)域③混凝土噴射達到設計厚度要求后，對Ⅳ段進行仰拱灌筑，并等混凝土初凝之后，對Ⅴ段進行灌筑填充，直至達到設計高度[4]。弱爆破施工設計參數(shù)見表1。

表1 弱爆破施工設計參數(shù)

2)使用襯砌模板臺車對Ⅲ段進行二次襯砌灌筑，且拱墻襯砌施工要一次成型。

3)施工中要注意對Ⅴ段的拱頂變化及凈空變化等情況實施監(jiān)測，以便優(yōu)化支護及二次襯砌施工。

4)穿越斷層破碎帶施工中采取VC型復合襯砌方式進行隧道支護，且嚴格控制Ⅴ斷圍巖開挖速度，上臺階處每次開挖進尺需≤1榀鋼架間距，邊墻處每次開挖支護進尺需≤2榀鋼架間距。同時，要在做完鋼架鎖腳后再進行仰拱開挖施工[5]。

3.2 超前注漿預加固施工

因為斷層破碎帶中的巖體完整性及穩(wěn)定性均比較差，易產(chǎn)生坍塌等事故。而為了避免事故發(fā)生，決定采取超前注漿預加固措施進行加固，具體做法如下：

1)綜合使用地質(zhì)雷達、瞬態(tài)電磁及掌子面地質(zhì)素描等技術來實時監(jiān)測及超前預報現(xiàn)場地質(zhì)情況，確?？梢蕴崆傲私獠蚀_掌握掌子面前面的圍巖性質(zhì)及富水情況[6]。

2)利用Ⅰ型的小導管按軸向順著隧道輪廓線以輻射狀對F2斷層破碎帶5 m范圍內(nèi)進行帷幕注漿，待漿液與破碎巖體牢固粘結形成一層堵水帷幕后，實現(xiàn)超前支護，以提高斷層破碎帶巖體的穩(wěn)定性，減小出現(xiàn)坍塌及涌水等事故的概率，確保施工過程足夠安全[7]。5 m超前帷幕注漿設計參數(shù)如表2所示。

表2 5 m超前帷幕注漿設計參數(shù)

3)做好超前帷幕注漿支護施工之后，要及時打檢查孔檢查其施工質(zhì)量。各個循環(huán)均打5個檢查孔(拱部2個、底部1、兩邊邊墻各1個)，孔徑是110 mm，長度與注漿孔長度一致，為30 m，并控制平均出水量在0.2 L/min以內(nèi)[8]。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 建立數(shù)值計算模型

根據(jù)設計方案和地質(zhì)勘測結果，利用有限差分法構建了相應的數(shù)值計算模型(見圖3)，模型共計劃分有11 963個節(jié)點、62 896個單元，且在X軸方向取長度196.30 m，在Y軸方向取長度310.00 m，在Z軸方向取長度97.86 m。在對各個面的位移約束條件進行計算的過程中，為了加快計算效率且確保計算結果準確又可靠，按“內(nèi)密外稀”的方式進行圍巖網(wǎng)格布置，簡而言之就是離隧道越近，圍巖網(wǎng)格布置得越密集，反之，則布置得越稀疏[9]。數(shù)值計算中所有的參數(shù)都與現(xiàn)場施工保持一致，并將鋼拱架及鋼筋網(wǎng)作為安全系數(shù)折算到了初襯中，具體參數(shù)取值見表3。

圖3 數(shù)值計算模型圖

表3 計算參數(shù)

4.2 未做超前注漿預加固措施的穩(wěn)定性分析

為了了解和掌握隧道穿越F2斷層破碎帶的穩(wěn)定性情況，在斷層破碎帶的兩邊每間隔5 m布置1個監(jiān)測點，共計監(jiān)測斷面8個，監(jiān)測點40個，具體監(jiān)測點布置情況如圖4所示。8個斷面的樁號分別是：DK24+998、DK25+005、DK25+015、DK25+028、DK25+046、DK25+058、DK25+069、DK25+075。

圖4 監(jiān)測點布置示意圖

此次數(shù)值計算中未考慮超前支護作用，而是直接根據(jù)圖4監(jiān)測點布置情況，借助Historywrite命令把測點1的拱頂沉降變化量、測線S2的周邊收斂位移變化量導進Origin系統(tǒng)中，并做了全面、細致的分析[10]，具體結果見圖5。

由圖5可知：1)穿越斷層破碎帶施工中，拱頂沉降的最大值是138.60 mm，發(fā)生在斷面DK25+075；2)周邊收斂位移的最大值是202.94 mm，發(fā)生在斷面DK25+069，此時，水平收斂方向也出現(xiàn)最大變形量19.40 cm。

由設計方案可知，VC型復合襯砌的預留變形量是8.00～12.00 cm，而計算得出未做超前支護時隧道的最大變形量達到了19.40 cm(出現(xiàn)在DK25+069處)，明顯大于預留變形量的最大限值12.00 cm，這種情況下，再加上地質(zhì)作用及開挖施工的擾動，極易引發(fā)坍塌等事故[11]。

(a)拱頂沉降

4.3 超前注漿預加固后的穩(wěn)定性分析

按同樣的方法及模型對超前注漿預加固后的穩(wěn)定性進行分析，并通過提高圍巖的彈性模量、剪切模量及內(nèi)聚力等參數(shù)，來對超前帷幕注漿預加固進行模擬，且加固后F2斷層破碎帶的Ⅴ級圍巖參數(shù)見表3。同時，加固后8個斷面的拱頂沉降及周邊收斂位移也發(fā)生了變化，具體情如圖6所示。

由圖6可知：1)拱頂沉降的最大值是42.03 mm，發(fā)生在斷面DK25+085；2)周邊收斂位移的最大值是64.98 mm，發(fā)生在斷面DK25+069；3)最大變形量出現(xiàn)水平收斂方向，值為64.98 mm；4)對比加固前后情況可知，經(jīng)加固處理后斷層破碎帶處圍巖的變形量由202.94 mm減小為64.98 mm，滿足了設計中8.00～12.00 cm預留變形量的要求[12]。這說明對穿越F2斷層破碎帶施工中采用三臺階臨時仰拱+超前注漿預加固的綜合方法具有良好的可行性。

(a)拱頂沉降

5 監(jiān)控量測驗證

目前，該國外鐵路隧道已施工到DK25+069段，同時DK25+005斷面監(jiān)測也已經(jīng)穩(wěn)定，因此，選擇DK25+005斷面作為數(shù)值計算及現(xiàn)場實測對比斷面。根據(jù)數(shù)值計算模型中的監(jiān)測點布置方式對現(xiàn)場監(jiān)測點進行布置，并使用高精度全站儀及數(shù)顯收斂監(jiān)測設備對穿越施工過程中的拱頂沉降變化及水平收斂變化等情況進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率是1次/d(位移≥0.60 mm)，0.3次/d(位移<0.60 mm)，整個監(jiān)測過程歷時40 d，最終現(xiàn)場監(jiān)測結果與數(shù)值計算結果見圖7。

由圖7可知：1)現(xiàn)場實際測得的拱頂沉降變化曲線跟數(shù)值計算得出的變化曲線走勢基本相一致，現(xiàn)場實際量測和數(shù)值計算得出的拱頂沉降最終穩(wěn)定值分別是20.98，13.96 mm；2)現(xiàn)場實際量測得到的水平收斂變化曲線和數(shù)值計算得出的水平收斂變化曲線走勢基本相一致，現(xiàn)場實際量測和數(shù)值計算得出的水平收斂最終穩(wěn)定值分別是24.10，15.30 mm；3)相對于數(shù)值計算來說，現(xiàn)場施工過程中不可避免地會有爆破擾動及開挖擾動等擾動因素，這就會使現(xiàn)場施工過程中圍巖的變形量會略大于數(shù)值計算值。

(a)拱頂沉降對比

6 結論

通過上文對國外某鐵路隧道項目穿越F2斷層破碎帶施工過程進行分析，得出結論如下：

1)在穿越斷層破碎帶施工中，采取三臺階臨時仰拱+超前注漿預加固方式進行施工，并輔以早封閉、勤量測，將圍巖的最大變形量從202.94 mm減小為64.98 mm，滿足了設計預留變形量(8.00～12.00 cm)的要求，同時，通過現(xiàn)場監(jiān)測也表明拱頂沉降及水平收斂跟數(shù)值計算結果及發(fā)展趨勢基本相一致，促使穿越F2斷層破碎帶施工高效、安全、優(yōu)質(zhì)完工，表明此次穿越斷層破碎帶施工提出的綜合施工方法具有良好的可行性。

2)由于斷層破碎帶地質(zhì)條件復雜，巖體破碎，且地下水富集，施工中若處理不當極易引發(fā)坍塌、涌水等事故，威脅人身及工程安全。因此，在鐵路隧道穿越斷層破碎帶施工過程中，必須提前勘測清楚斷層破碎帶地質(zhì)構造情況，制定針對性穿越施工方案，確保隧道穿越斷層破碎帶施工順利完工，為整個鐵路隧道項目如期優(yōu)質(zhì)完成建設奠定基礎。