柿子園隧道穿越映秀-北川活動(dòng)斷裂段施工技術(shù)

未 征

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100076)

1 引言

活動(dòng)性斷層具有特殊的活動(dòng)性和不穩(wěn)定性，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞可分為兩種基本形式：一是由地震作用引發(fā)的間歇性突然滑動(dòng)，表現(xiàn)為極端事件內(nèi)的大位移錯(cuò)動(dòng)破壞；二是斷層自身不穩(wěn)定性引發(fā)的微量持續(xù)性位移，表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間微量錯(cuò)動(dòng)累計(jì)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損毀[1]。

成蘭鐵路工程項(xiàng)目地處四川中部和甘肅南部的龍門山、岷山、秦嶺三大斷裂帶，尤其因2008年5.12汶川大地震，龍門山中央斷裂構(gòu)造繼續(xù)發(fā)展。由中鐵十九局集團(tuán)承擔(dān)的柿子園隧道穿越映秀-北川活動(dòng)斷裂，設(shè)計(jì)、施工可參考的相關(guān)文獻(xiàn)和工程實(shí)例有限，常規(guī)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)均無(wú)法滿足活動(dòng)斷裂帶施工要求，工程質(zhì)量和后期運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)極高[2]。

2 貫穿龍門山中部的“深大斷裂”——映秀-北川活動(dòng)斷裂介紹

龍門山中央斷裂屬于龍門山構(gòu)造帶的一部分，是我國(guó)活動(dòng)斷裂和地震強(qiáng)烈的集中地帶之一。2008年汶川發(fā)生的8級(jí)地震，導(dǎo)致北川-映秀斷裂自映秀向北東發(fā)生單側(cè)破裂。根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，地表破裂總長(zhǎng)度約240 km，最大同震位錯(cuò)發(fā)生在北川附近，水平位錯(cuò)量6 m左右，垂直位錯(cuò)量9～10 m。

成蘭鐵路線路穿越段屬于映秀-北川斷裂，該斷裂延伸長(zhǎng)約250 km，是貫穿于整個(gè)龍門山中部的一條“深大斷裂”，是龍門山中央斷裂帶的主斷裂，亦是“5·12”汶川特大地震的發(fā)震構(gòu)造。斷裂發(fā)生的地表破裂多見逆沖-右旋走滑型變形。該斷裂活動(dòng)構(gòu)造晚第四紀(jì)以來(lái)的平均水平滑動(dòng)速率在0.82 ～1.3 mm/年之間[3]。

3 活動(dòng)斷裂帶隧道施工技術(shù)方案選定

隧道穿越北川-映秀活動(dòng)斷裂為7級(jí)地震，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)承受的錯(cuò)位能力綜合確定，隧道與斷層面交界部位按可能發(fā)生的最大位錯(cuò)量取81 cm，隧道與活動(dòng)斷裂交叉位置的具體精確震級(jí)還有待進(jìn)一步綜合研究(見圖1)。

圖1 隧道位錯(cuò)后的位移云圖

針對(duì)龍門山中央斷裂帶映秀-北川斷裂及其影響帶，充分考慮該段地質(zhì)狀態(tài)及破碎帶寬度、線路限坡要求以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度等，將斷裂帶分為活動(dòng)斷裂核部、活動(dòng)斷裂延伸段組合模式設(shè)置，其中斷裂延伸段按斷層破碎帶向兩端延伸50 m范圍確定，即左線 D2K90+140～D2K90+272，右線YD2K90+102～YD2K90+234(見圖2)。

圖2 隧道活動(dòng)斷層及影響段平面

隧道左右線活動(dòng)斷裂段整體采用“大剛度襯砌環(huán)+組合變形縫”形式，并于拱墻預(yù)留30 cm的補(bǔ)強(qiáng)空間，見圖3～圖4。

圖3 大剛度圓環(huán)形襯砌結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

圖4 活動(dòng)斷裂核部襯砌軸力

4 活動(dòng)斷裂帶“大剛度圓環(huán)形襯砌”施工技術(shù)

4.1大剛度圓環(huán)形襯砌施工參數(shù)

(1)活動(dòng)斷裂核部施工參數(shù)

全環(huán)采用 20b型鋼鋼架，間距0.8 m。拱部設(shè)置φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向40 cm布置，每3.2 m一環(huán)，每環(huán)長(zhǎng)4.5 m。拱墻預(yù)留變形量10～15 cm。全環(huán)噴厚度27 cm的 C30混凝土，采用 φ8@20×20 cm鋼筋網(wǎng)片。拱墻及仰拱設(shè)置系統(tǒng)錨管，采用φ42鋼花管，單根長(zhǎng)4.5 m，間距1.2×1.0 m(環(huán)×縱)。二襯采用厚度55 cm的C35鋼筋混凝土，主筋采用φ25@200設(shè)置。

(2)活動(dòng)斷裂延伸段施工參數(shù)

與核部參數(shù)相比，調(diào)整拱墻及仰拱系統(tǒng)錨桿，拱部采用φ22組合中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，單根長(zhǎng)3.5 m，間距1.2×1.0 m(環(huán)×縱)。二襯采用厚度55 cm的C35鋼筋混凝土，主筋采用φ25@200設(shè)置。

隧道采用短臺(tái)階兩臺(tái)階開挖，臨時(shí)橫撐應(yīng)在上臺(tái)階開挖支護(hù)時(shí)安裝施工，在下臺(tái)階跟進(jìn)上臺(tái)階成環(huán)后可根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行快速拆除。

4.2 圓形初期支護(hù)施工技術(shù)要點(diǎn)

(1)隧道初期支護(hù)應(yīng)緊跟開挖面及時(shí)施作，加強(qiáng)隧底初支與上、下臺(tái)階的初支封閉成環(huán)工序，合理安排工序時(shí)間，確保初支體系成環(huán)時(shí)間控制在10～12 d。

(2)為確保環(huán)形初期支護(hù)體系的整理受力結(jié)構(gòu)安全，必須嚴(yán)格控制鋼架安裝的垂直度和連接板連接質(zhì)量，使其整體成環(huán)效果得以保證[4]。

(3)鋼架安裝過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)B與C段、C與D段、D段底腳的鎖腳錨管施工，鎖腳應(yīng)與鋼拱架底腳采用反扣式連接，確保連接處變形可控，以便分段連接時(shí)鋼架的順直度得以保證。

(4)隧道活動(dòng)斷裂核部區(qū)段在拱墻及仰拱設(shè)置系統(tǒng)錨管，采用φ42鋼花管，單根長(zhǎng)4.5 m，間距1.2×1.0 m(環(huán)×縱)。為確保開挖后鋼架支護(hù)快速封閉的要求，系統(tǒng)錨管宜在鋼架噴砼完畢后及時(shí)施作，并嚴(yán)格把控注漿過(guò)程質(zhì)量。

4.3 圓形襯砌混凝土澆筑施工質(zhì)量控制措施

(1)仰拱施工應(yīng)超前拱墻二次襯砌施作，并盡量緊跟開挖工作面。對(duì)于易發(fā)生塌方段應(yīng)重點(diǎn)控制，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并及時(shí)支護(hù)、及時(shí)襯砌。

(2)仰拱模板按8 m長(zhǎng)設(shè)置，為確保仰拱及二襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成環(huán)要求，采用反模式仰拱模板，仰拱及填充應(yīng)分開澆筑；同時(shí)仰拱應(yīng)分段整體灌注，嚴(yán)禁半幅施工，確保仰拱及底部施工質(zhì)量[5]。

(3)隧道襯砌臺(tái)車按照斷面形狀采用圓形襯砌臺(tái)車，臺(tái)車邊墻及拱部模板的澆筑窗口采用加密設(shè)置，在襯砌模板距離前后端50 cm處設(shè)置一環(huán)窗口，以便于施工縫前后端的振搗操作。

(4)混凝土澆筑和布料采用人字形溜槽布設(shè)結(jié)構(gòu)形成逐窗分料系統(tǒng)，由拱部臺(tái)架設(shè)置的2個(gè)主料口分別進(jìn)行逐層、逐窗分料，并在人字形節(jié)點(diǎn)處設(shè)置分料開關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域分段灌注功能。

(5)在襯砌臺(tái)車頂模中心位置設(shè)置不少于4個(gè)的徑向注漿口，采用套管+連接板結(jié)構(gòu)，前后端設(shè)置位置距離襯砌模板邊緣50 cm，主要用于襯砌施工縫拱頂逐版注漿，可確保施工縫拱部區(qū)域的密實(shí)度，解決施工縫極易出現(xiàn)脫空的問題；在襯砌中段等分設(shè)置2個(gè)徑向注漿口，對(duì)襯砌拱部灌注不密實(shí)出現(xiàn)的脫空進(jìn)行逐版注漿，以確保襯砌混凝土拱部整體的密實(shí)性，杜絕脫空質(zhì)量缺陷[6]。

5 活動(dòng)斷裂帶“組合變形縫”防排水系統(tǒng)施工技術(shù)

根據(jù)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道的變形特征，采用“節(jié)段設(shè)計(jì)”理念，即盡量減小隧道節(jié)段長(zhǎng)度，使斷層帶及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的節(jié)段保持相對(duì)獨(dú)立，各剛性隧道節(jié)段間采用剛度相對(duì)較小的柔性連接[7]。在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，破壞集中在連接部位或結(jié)構(gòu)的局部，而不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性破壞[8]，見圖5。此方法已在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)穿越活動(dòng)斷裂帶的隧道施工中得到運(yùn)用。

圖5 節(jié)段設(shè)計(jì)示意

通過(guò)不同變形縫寬度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm)的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)段間的抗震縫間距越大，對(duì)節(jié)段間的分離效果越好[9]。

5.1 組合變形縫分段設(shè)置分析

針對(duì)映秀-北川活動(dòng)斷裂帶組合設(shè)置形式，因活動(dòng)斷裂破碎帶寬32 m，考慮到抗震縫寬度為15 cm，則選擇抗震縫間距為4 m。柿子園隧道左線穿越映秀-北川活動(dòng)斷裂帶變形縫設(shè)置如圖6所示，變形縫設(shè)置里程和寬度見表1。

圖6 隧道左線活動(dòng)斷裂寬變形縫組合分段平面(單位：m)

表1 隧道穿越映秀-北川活動(dòng)斷裂變形縫設(shè)置

5.2 凸鼓型鋼板止水帶防排水結(jié)構(gòu)形式

(1)變形縫防排水設(shè)置

采用凸鼓型鋼板止水帶+凸殼防水板+環(huán)向排水盲管+聚乙烯泡沫塑料板形式，形成綜合型多重防水結(jié)構(gòu)[10]，并根據(jù)寬變形縫設(shè)置位置，環(huán)向分為4塊區(qū)域，見圖7。

(2)凸殼防排水板

凸殼防排水板設(shè)置于水溝底以上30 cm的拱墻范圍。水溝底以上30 cm拱墻部分的寬變形縫內(nèi)設(shè)置φ50排水肓管，并接入側(cè)溝。

圖7 襯砌寬變形縫環(huán)向布置及構(gòu)造

5.3 凸鼓型鋼板止水帶安裝

隧道在活動(dòng)斷裂段襯砌設(shè)計(jì)中首次采用中埋凸鼓型鋼板止水帶+聚乙烯泡沫塑料板形式的襯砌變形縫。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，公司自主研發(fā)了“隧道變形縫鋼板止水帶沖壓彎曲機(jī)(專利號(hào)：ZL201620443204.7)”，可將凸鼓型鋼板止水帶按照斷面弧形進(jìn)行定型彎曲加工，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)完全滿足設(shè)計(jì)及施工要求，生產(chǎn)設(shè)備操作簡(jiǎn)單快捷，功效高且加工成本低。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)柿子園隧道穿越龍門山中央斷裂映秀-北川活動(dòng)斷裂帶施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，結(jié)合活動(dòng)斷裂特性，針對(duì)性地采用“大剛度圓環(huán)形襯砌+組合寬變形縫”技術(shù)措施，并且通過(guò)工藝工法的優(yōu)化，在隧道短臺(tái)階快速閉合成環(huán)方面加強(qiáng)管控，可有效控制斷裂帶圍巖變形速率[11]；隧道寬變形縫首次采用鋼板止水帶，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了寬縫的設(shè)置和施工。結(jié)合柿子園隧道工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用效果，充分說(shuō)明了“節(jié)段設(shè)計(jì)”理念的合理性，在震后活動(dòng)區(qū)可確保在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，造成節(jié)段連接部位破壞而不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞，在一定程度上保證了活動(dòng)斷裂帶隧道施工質(zhì)量，為后期運(yùn)營(yíng)安全提供有力保障[12]。