隧道斷層破碎帶涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害處治技術(shù)研究

鐘黎陽(yáng)

摘要：針對(duì)隧道斷層破碎帶涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，進(jìn)行災(zāi)害處治技術(shù)的研究。在明確工程概況與涌水突泥災(zāi)害過(guò)程后，通過(guò)管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管棚施工、徑向注漿加固，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害處治。通過(guò)支護(hù)加固后的沉降分析可知，應(yīng)用新的處治技術(shù)，能夠有效避免破碎帶涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，滿足工程施工需求，對(duì)類似工程項(xiàng)目具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：破碎帶；地質(zhì)災(zāi)害；突泥；涌水；斷層

0? ?引言

隧道工程是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，施工過(guò)程中極易出現(xiàn)涌水突泥災(zāi)害，從而給隧道施工帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因受地質(zhì)作用的綜合影響，隧道斷層破碎帶會(huì)產(chǎn)生地質(zhì)遷移，其中可能存在著一些軟弱的夾層。如果在這一區(qū)域內(nèi)降水較多，或地下水十分豐富，那么此在該區(qū)域開(kāi)展隧道挖掘施工，就很容易發(fā)生涌水、突泥等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害[2]。

隧道斷層破碎帶破裂引發(fā)的災(zāi)害很難精確預(yù)報(bào)。針對(duì)此災(zāi)害，如果未能及時(shí)采取措施進(jìn)行災(zāi)害處理，可能影響到隧道的正常運(yùn)營(yíng)，給周圍群眾的生產(chǎn)和生活造成不利影響[3]。以日本惠納山公路隧道為例，由于斷層破碎帶的存在，使得隧道在使用中發(fā)生了很大變形，嚴(yán)重影響了隧道的正常使用[4]。本文以某隧道工程為例，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的處治展開(kāi)設(shè)計(jì)與研究。

1? ?工程涌水突泥災(zāi)害狀況

某隧道工程項(xiàng)目基本情況如表1所示。對(duì)此隧道從進(jìn)口方向開(kāi)始施工，施工過(guò)程中，隧道標(biāo)高號(hào)EK18+215位置出現(xiàn)異常爆破事故，隨即出現(xiàn)了大規(guī)模的隧道涌水突泥事故[5]。大量的淤泥從出土路左邊斜坡上的一個(gè)臨時(shí)排水渠，流入到出土路排水渠中，淤泥在出土路約1m厚，從出土路上冒出超過(guò)15000m3。隨著時(shí)間的推進(jìn)，施工中的一些機(jī)械設(shè)備、材料被泥漿浸泡[6]，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)狀況見(jiàn)圖1。

發(fā)生此災(zāi)害后，第2日上午安排技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)隧道邊坡位置已經(jīng)出現(xiàn)了漏斗狀的塌陷，錯(cuò)臺(tái)結(jié)構(gòu)、過(guò)道位置已經(jīng)出現(xiàn)了裂紋，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)反饋的各種災(zāi)害事故圖像進(jìn)行匯總，如圖2所示。

2? ?隧道斷層破碎帶涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害處治

2.1? ?管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免隧道斷層破碎帶發(fā)生涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，引入管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行處治。對(duì)于管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定鋼管的長(zhǎng)度、管徑、鋼管配置間距、水平搭接長(zhǎng)度等參數(shù)[7]。隨著支護(hù)長(zhǎng)度的增大，管棚施工的輔助時(shí)間逐漸減少。若使用隧道式鉆機(jī)進(jìn)行管棚施工，則會(huì)受到鉆孔工藝、鉆機(jī)設(shè)備等因素的限制。

若管棚支護(hù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則會(huì)使鋼管產(chǎn)生撓曲，進(jìn)而影響管棚施工質(zhì)量[8]。同時(shí)，管棚支護(hù)長(zhǎng)度不宜太短，否則將導(dǎo)致每次施工都要重新布置一個(gè)管棚工作室，從而增加造價(jià)，并影響工程進(jìn)度。一般情況下，管棚的支護(hù)長(zhǎng)度應(yīng)控制在10～40m范圍內(nèi)，管棚鋼管的橫截面直徑應(yīng)當(dāng)控制在40～180mm范圍內(nèi)。

2.2? ?管棚施工

2.2.1? ?注漿準(zhǔn)備

在完成對(duì)管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并確定各項(xiàng)參數(shù)后，開(kāi)始進(jìn)行管棚施工。在斷裂帶地質(zhì)情況下，隧道內(nèi)管棚施工前必須先對(duì)掌子面進(jìn)行注漿，以保證施工面的穩(wěn)定性。在工作面后方一定距離處設(shè)置管棚施工工作室，管棚施工工作室區(qū)域的開(kāi)挖半徑應(yīng)大于正常開(kāi)挖半徑1m。

使用水平注漿方式，注漿材料取水灰比0.6：1～3：1（質(zhì)量比），注漿壓力為0.5～1.0MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定漿液配合比和注漿壓力。將套拱作為施作管棚的固定端，套拱采用C25混凝土，必要時(shí)可適當(dāng)加入早強(qiáng)劑。為了保證管棚施工過(guò)程中套拱的穩(wěn)定性，需要增加一些臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。

2.2.2? ?鉆孔

在施工過(guò)程中，將平臺(tái)的支撐點(diǎn)安裝到地面上，并確保其連接牢固、穩(wěn)固，以避免施鉆時(shí)出現(xiàn)不均勻沉陷、搖擺、偏移等現(xiàn)象，從而影響到鉆孔的質(zhì)量。調(diào)整井架高度，使井架與井架方向平行。采用鉆桿導(dǎo)向、經(jīng)緯儀與吊繩相結(jié)合的方法，對(duì)鉆桿進(jìn)行持續(xù)地調(diào)節(jié)，以確保鉆孔管徑與鉆桿直徑相一致。

將鉆具置于導(dǎo)向筒內(nèi)，使鉆桿、固定轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)軸與導(dǎo)向筒處于一條直線上。初鉆時(shí)鉆頭為止水式，待鉆深到一定程度后，切斷水壓，拔出鉆頭，再接上鉆頭繼續(xù)鉆。鉆孔時(shí)，要定時(shí)測(cè)量鉆孔位置，通過(guò)鉆進(jìn)情況來(lái)判斷成孔質(zhì)量。每鉆進(jìn)5m，要復(fù)查鉆孔角度，保證鉆孔方向正確。如果井眼向下傾斜過(guò)大，可以用水泥砂漿對(duì)傾斜部位進(jìn)行填實(shí)，然后在傾斜部位重新鉆孔；如果是朝上傾斜，可以更換特制的合金鉆頭進(jìn)行二次鉆孔。

2.2.3? ?下管并注漿

下管時(shí)，相同斷面位置上接頭的數(shù)目不能超過(guò)50%，一孔鉆完后就頂進(jìn)一根大管棚?？刹捎娩摶ü芨M(jìn)的方法，一段一段地跟進(jìn)到設(shè)計(jì)深度。用絲扣將每節(jié)管棚連接起來(lái)，確保相鄰接頭錯(cuò)開(kāi)，搭接長(zhǎng)度不能超過(guò)1m。在導(dǎo)向管與管棚間用CS灰漿堵好。注漿時(shí)，應(yīng)從兩端管棚鋼管進(jìn)行跳孔灌漿，先采用較低的漿液濃度，再逐步增加到設(shè)計(jì)濃度。為了確保注水壓力、注水效果、注水體積、注水流量，需要進(jìn)行注水試驗(yàn)。

2.3? ?徑向注漿加固處理

在完成管棚施工后，為了進(jìn)一步提高施工安全性，在隧道開(kāi)挖之前需要進(jìn)行徑向注漿加固處理。加固的范圍是整個(gè)隧洞初期支護(hù)的外輪廓，采用長(zhǎng)度為440cm、規(guī)格為φ42mm×4mm的鋼花管，縱向間隔距離為150cm，環(huán)向間隔距離為60cm，傾斜角度為上傾斜60°。在實(shí)施全面灌漿前，必須先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，對(duì)灌漿過(guò)程中的灌漿效果進(jìn)行測(cè)試，確定灌漿過(guò)程中的灌漿范圍，進(jìn)而對(duì)灌漿壓力等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3? ?支護(hù)加固后的沉降分析

完成上述處治后，對(duì)災(zāi)害的處治效果進(jìn)行分析。在此過(guò)程中，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與測(cè)試，反映出處治后圍巖的穩(wěn)定性與支護(hù)應(yīng)力的狀態(tài)，并基于動(dòng)態(tài)角度，對(duì)變形動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行認(rèn)識(shí)，以此判定設(shè)計(jì)與施工的安全性與可靠性。

3.1? ?現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1.1? ?監(jiān)測(cè)目的

通過(guò)在處治現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的量測(cè)，可以從數(shù)據(jù)中反映出圍巖的受力狀態(tài)、穩(wěn)定性及其變化趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)隧道的變形和受力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以確保隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果能有效地檢驗(yàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的加固效果，并可用于指導(dǎo)維護(hù)方案及加固參數(shù)的調(diào)整。

3.1.2? ?監(jiān)測(cè)內(nèi)容

隧道的監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容主要包括洞內(nèi)外觀測(cè)、周邊位移及拱頂沉降測(cè)量。除了上述3種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之外，還應(yīng)做好對(duì)隧道拱頂、地表沉降的監(jiān)測(cè)。由于隧道位于斷層破碎帶的深埋區(qū)，在涌水突泥后，坍塌的位置比較穩(wěn)定，污水已經(jīng)排出，前面出現(xiàn)涌水突泥的概率很低，墻面坍塌的概率也很低，所以對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要為拱頂下沉等。

3.1.3? ?主要監(jiān)測(cè)參數(shù)確定

在隧道開(kāi)挖后，由于隧道圍巖的自重應(yīng)力和開(kāi)挖后的應(yīng)力重新分布，會(huì)使隧道拱頂產(chǎn)生下移。通常情況下，將拱頂?shù)慕^對(duì)沉降量稱作下沉值，將單位時(shí)間的沉降量稱作拱的沉降率。通過(guò)對(duì)拱頂沉陷的監(jiān)測(cè)，能夠準(zhǔn)確地反映出拱頂沉陷的實(shí)際情況，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行指導(dǎo)，同時(shí)它也是對(duì)災(zāi)害處治技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)。

3.2? ?數(shù)據(jù)采集與分析

明確監(jiān)測(cè)項(xiàng)目后，以隧道某斷面為例，對(duì)其進(jìn)行拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與匯總。對(duì)量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與統(tǒng)計(jì)分析，得到處治后隧道拱頂下沉?xí)r間與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示，下沉速率與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖3可以看出，隧道斷面開(kāi)挖施工1～9d內(nèi)，拱頂?shù)睦奂酉鲁林翟鲩L(zhǎng)較快，可以達(dá)到10.83mm，占隧道拱頂總下沉值的83%。在隧道斷面開(kāi)挖施工9d以后，拱頂?shù)睦奂酉鲁林翟鲩L(zhǎng)變慢，整體下沉趨近于穩(wěn)定，最終累計(jì)下沉值約為12mm。

從圖4可以看出，隧道斷面開(kāi)挖施工1～4d內(nèi)，其位移變形呈現(xiàn)急劇增長(zhǎng)階段，隧道斷面開(kāi)挖施工5～11d天內(nèi)，其位移變形呈現(xiàn)緩慢趨勢(shì)。在隧道斷面開(kāi)挖施工12d天后，位移變化量基本可以控制在0.15mm/d以內(nèi)，說(shuō)明在此時(shí)拱頂基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

隧道工程是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，施工過(guò)程中極易出現(xiàn)涌水突泥災(zāi)害，從而給隧道施工帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。隧道斷層破碎帶破裂引發(fā)的災(zāi)害很難精確預(yù)報(bào)。針對(duì)此災(zāi)害，如果未能及時(shí)采取措施進(jìn)行災(zāi)害處理，可能影響到隧道的正常運(yùn)營(yíng)，給周圍群眾的生產(chǎn)和生活造成不利影響。

明確工程概況與涌水突泥災(zāi)害過(guò)程后，通過(guò)管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管棚施工、徑向注漿加固，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害處治。通過(guò)支護(hù)加固后的沉降分析可知，應(yīng)用新的處治技術(shù)，能夠有效避免破碎帶涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。隧道經(jīng)過(guò)加固、支護(hù)后，雖然存在一定的拱頂沉降，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，拱頂沉降總值較低，不會(huì)影響隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本次所提出的災(zāi)害處治技術(shù)應(yīng)用效果較好。

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