穿越斷裂破碎帶公路隧道施工技術(shù)研究

吳世解

（中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005）

在公路隧道施工過程中往往會遇到斷裂破碎帶，而穿越斷裂破碎帶施工安全風(fēng)險較大，若不控制好施工方法，發(fā)生拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等情況的概率相當(dāng)大[1]。本文依托廣連高速公路TJ03 標(biāo)羅家營隧道右洞建設(shè)施工項目，對隧道穿越斷裂破碎帶施工技術(shù)進行研究。

1 項目概況

本文所依托的工程項目羅家營隧道為分離式+小凈距隧道，單洞共設(shè)3條車道。本隧道單洞的建筑界限凈寬為15.50m，隧道凈高為5.00m。右線里程樁號為K50+965～K51+825，長860m，最大埋深約55.06m，呈弧線形。根據(jù)物探成果反映羅家營隧道右線YK50+970～YK51+030 段視電阻率低異常，縱深方向上連續(xù)，平面寬度約30m。根據(jù)異常帶內(nèi)電阻率低的異常特征，推斷此處為斷裂破碎帶或者節(jié)理裂隙發(fā)育帶[2]。由于穿越斷裂破碎帶施工風(fēng)險較大，若不控制好施工方法，發(fā)生隧道拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等事故的概率相當(dāng)大，為確保安全穿過斷裂破碎帶，在現(xiàn)有設(shè)計資料以及物探成果的前提下，需進一步做好超前地質(zhì)預(yù)報，并根據(jù)地質(zhì)預(yù)報成果最終確定開挖方法。羅家營隧道右洞斷裂破碎帶位置如圖1 所示。

圖1 羅家營隧道右洞斷裂破碎帶位置示意圖

2 超前地質(zhì)預(yù)報

為進一步探明待施工的羅家營隧道YK50+970～YK51+030里程段的工程地質(zhì)以及水文地質(zhì)的活動態(tài)勢。項目部用RAMACX3M 地質(zhì)雷達進行超前地質(zhì)預(yù)報，天線的中心頻率為100MHz，此地質(zhì)預(yù)報方法可預(yù)報掌子面前方約20～30m 的范圍。

根據(jù)第一次地質(zhì)超前預(yù)報資料顯示，YK50+970～YK51+00 區(qū)域雷達信號變化較大、有規(guī)律性，幅值強，波形亂，同相軸不連續(xù)，呈均勻的中低頻信號為主，推斷該區(qū)域圍巖為全～強風(fēng)化花崗巖。且該處圍巖巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，圍巖完整性較差、自穩(wěn)能力差。此種類型的圍巖在無支護時，容易發(fā)生拱部易坍塌以及側(cè)壁易失穩(wěn)現(xiàn)象，隧道洞室內(nèi)在集中降雨狀態(tài)下呈線狀或淋雨狀出水，視電阻率100～1200Ω·m，[BQ]值145，根據(jù)[BQ]值可推斷為V 級圍巖。第二次地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果與第一次超前預(yù)報結(jié)果類似。

3 施工工藝技術(shù)

3.1 施工技術(shù)簡介

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，此類型圍巖若采用臺階法施工極易發(fā)生拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等情況。經(jīng)與業(yè)主單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位等多方討論，初步計劃該段隧道的開挖方法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用的襯砌結(jié)構(gòu)型式為XS-Va 型，采用的超前支護形式為超前注漿小導(dǎo)管[3]。采用微震爆破開挖洞身，以減少爆破對圍巖的擾動，同時采用裝載機、挖掘機等機械設(shè)備與人工開挖結(jié)合。施工過程嚴(yán)格遵循“早預(yù)報、預(yù)注漿、管超前、半斷面、留核心、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤測量”的原則[4]。

由于隧道初期支護施工完成后圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài)，二次襯砌的工藝較常規(guī)，本文將不對二次襯砌施工方法做詳細描述，主要介紹超前支護施工以及洞身開挖的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在隧道穿越斷裂破碎帶中的應(yīng)用以及效果。

3.2 超前支護

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，YK50+970～YK51+030 里程段隧道無支護時隧道側(cè)壁易發(fā)生失穩(wěn)，隧道拱部易發(fā)生坍塌，同時極有可能發(fā)生突水事故。為避免洞身開挖時出現(xiàn)事故，用51 根φ50mm 的超前注漿小導(dǎo)管進行超前支護。超前注漿小導(dǎo)管長度為4m。小導(dǎo)管的施工工藝如下：

（1）小導(dǎo)管制作：項目部從有資質(zhì)的廠家采購超前注漿小導(dǎo)管成品，小導(dǎo)管原材料為熱軋無縫鋼管，管徑φ50mm，壁厚5mm，管口0.5m 范圍內(nèi)管壁段不開孔，其余管壁上采取梅花型鉆眼，鉆眼間距15cm，鉆眼直徑10mm。小導(dǎo)管尾部做成長度為10cm 的錐形，錐形部分不鉆孔。

（2）小導(dǎo)管的鉆孔、安設(shè)：先根據(jù)圖紙進行測量放樣，并在圍巖放樣點上做好標(biāo)記，根據(jù)放樣點和設(shè)計角度進行鉆孔，鉆孔方向應(yīng)順直，鉆孔深度均大于設(shè)計鉆孔深度，鉆孔直徑按照大于超前小導(dǎo)管直徑20mm 進行控制；鉆孔時，超前小導(dǎo)管孔位按照縱向搭接長度不小于1m 進行控制[5]。鉆孔施工完成后清理空洞，清理方法為將高壓風(fēng)送入孔底，將鉆渣清理干凈。清理完成并經(jīng)驗收合格后方可將小導(dǎo)管插入鉆孔中，小導(dǎo)管外插角為12°，或?qū)⑿?dǎo)管從型鋼鋼架上部、中部打入。小導(dǎo)管外露長度按照不小于20cm 進行控制，小導(dǎo)管的外露部分支撐于掌子面后方的型鋼拱架上。

（3）雙層小導(dǎo)管布置方式：第一層與第二層縱向錯開一榀鋼拱架，環(huán)向錯開20cm，鋼管環(huán)向間距為40cm，外插角第一層20～25°，第二層8～12°。

（4）注漿：本項目的注漿設(shè)備為HBY-60 注漿泵，采用水泥凈漿作為注漿材料，水泥漿的水灰比為1∶1。注漿前先將管內(nèi)沉積物沖洗干凈。注漿順序為由下至上，并根據(jù)注漿先后順序調(diào)整漿液的濃度，開始注漿時先用較稀的漿液注漿，后續(xù)將漿液濃度調(diào)濃。注漿壓力范圍維持在0.5～1MPa。注漿時，當(dāng)達到設(shè)計終壓1.0MPa 時維持此注漿壓力10min 以上。注漿壓力逐級緩慢提升。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，注漿的實際注入量與設(shè)計注漿量大致相近，注漿結(jié)束時的進獎量在20～30L/min 以下[6]。

（5）雙側(cè)壁導(dǎo)坑支護中的導(dǎo)坑也采用φ50×5mm 的鋼花管作為注漿小導(dǎo)管。導(dǎo)坑錨桿為φ22 藥卷錨桿，鎖腳錨管為φ22 注漿錨桿。

（6）超前小導(dǎo)管施工注意事項：導(dǎo)管孔施工時控制好導(dǎo)管孔的位置及角度，導(dǎo)管孔的孔徑按照大于鋼管直徑20mm 控制，小導(dǎo)管的實際打入長度不小于設(shè)計長度。鉆孔時根據(jù)測量放樣點進行，為確?？孜煌獠褰嵌确显O(shè)計要求，項目部加工了方向架用于控制鉆孔方位。

因施工過程難免有孔位偏差超過規(guī)范規(guī)定的允許誤差的情況，為確保超前支護的施工質(zhì)量，施工時需進行補管，補管位置主要為距離偏大的兩孔間處，補管施工質(zhì)量要求與其他管一致。由于巖體破碎，施工時常常遇到注漿壓力不滿足設(shè)計圖紙要求的情況。根據(jù)此情況，項目部及時調(diào)整水泥凈漿的配合比，并采取小泵量低壓注漿或間歇注漿，使水泥漿在裂隙中停留時間加長的方式，以便凝膠。因漿液為水泥凈漿，施工中均按注漿后8h 再開挖的時間間隔進行控制。施工完成后逐孔、逐根檢查小導(dǎo)管并做好記錄。因越斷裂破碎帶圍巖自穩(wěn)能力差，采用超前小導(dǎo)管的超前支護形式有效保證了隧道開挖工作面的穩(wěn)定。超前小導(dǎo)管的支護效果也在后續(xù)的洞身開挖中得到了驗證。

3.3 洞身開挖

3.3.1 洞身開挖施工概述

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖隧道洞身，為確保施工安全，避免左右洞施工相互影響，隧道左右線開挖錯開，本隧道先進行左洞施工，后進行右洞施工，左洞掌子面與右洞的二襯間距約30m，滿足規(guī)范要求不小于20m 的要求。洞身開挖爆破施工采用弱爆破的方式，以減少對圍巖的擾動，并輔以人工、挖掘機、風(fēng)鎬，相互配合開挖。

3.3.2 開挖及支護順序

羅家營隧道穿越斷裂破碎帶采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工，施工工藝順序立面圖如圖2 所示。

圖2 羅家營隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序立面圖

穿越斷裂破碎帶的開挖、支護順序按中字母順序由A 至P 進行，具體施工順序如下：主洞小導(dǎo)管超前注漿預(yù)支護→左側(cè)導(dǎo)洞上半斷面開挖→左側(cè)導(dǎo)洞上半斷面初期支護→左側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖→左側(cè)導(dǎo)洞下斷面初期支護→右側(cè)導(dǎo)洞上斷面開挖。右側(cè)導(dǎo)洞上斷面初期支護→右側(cè)導(dǎo)洞下半斷面開挖→右側(cè)導(dǎo)洞下半斷面初期支護→主洞上部開挖→主洞上部初期支護→主洞中部開挖→主洞下部開挖→主洞下部初期支護、中夾巖柱加固→澆筑主洞仰拱→鋪設(shè)防水板，澆筑二次襯砌混凝土→另一側(cè)主洞開挖。

因超前支護已經(jīng)采取超前小導(dǎo)管的方式，提高了圍巖的穩(wěn)定性，在開挖過程中也未發(fā)生突水、突泥的情況，證明此種超前支護的形式是安全有效的。

因本斷裂破碎帶圍巖破碎，極易坍塌，雖然已經(jīng)采取了超前支護，但是圍巖的自穩(wěn)能力尚無法得到明確判斷。為避免大面積坍塌，本段開挖循環(huán)進尺按50cm 控制（1 榀鋼架間距）。開挖后及時安裝鋼拱架并噴射混凝土。

施工中，二襯距離下臺階長度按不大于20m 控制。主洞下臺階長度全程按5～10m 控制。主洞中臺階長度按10～20m 控制。主洞的上、中臺階間距按5～10m 控制。側(cè)導(dǎo)洞上、下掌子面間距按不大于10m 控制。施工過程中最大臨界震動速度v≤15cm/s。

為避免拱頂下沉侵入隧道建筑界限，結(jié)合設(shè)計文件、監(jiān)控量測成果以及類似項目的經(jīng)驗，隧道拱頂預(yù)留變形量按照15cm 控制。施工中，型鋼拱架鎖腳錨桿施工完成后再開挖仰拱。初支施工在隧道洞身開挖完成后進行，側(cè)導(dǎo)洞初期支護臨時鋼拱架的拆除時間均在主洞初期支護鋼拱架后。

因本段隧道圍巖等級為V 級，為滿足施工安全以及施工規(guī)范的要求，本段圍巖封閉位置與掌子面的距離按不大于35m 控制。

開挖完成后，二次襯砌根據(jù)監(jiān)控量測成果進行，監(jiān)控量測相關(guān)參數(shù)滿足規(guī)范要求后再施工二次襯砌。

3.4 監(jiān)控量測

為驗證本方法在穿越斷裂破碎帶公路隧道施工中的有效性，同時根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，項目部對隧道進行了監(jiān)測，主要監(jiān)測項目如下：

3.4.1 地質(zhì)及支護狀態(tài)觀測

對開挖工作面的觀察結(jié)果：巖體破碎，圍巖完整性較差、自穩(wěn)能力差，需要及時支護，開挖過程中易發(fā)生拱頂局部掉塊。

開挖后已支護段的觀察結(jié)果：初期支護完成后噴射混凝土層表面無裂痕；噴射混凝土沒有產(chǎn)生裂縫或剝離且沒有發(fā)生剪切破壞；鋼支撐無被壓彎曲現(xiàn)象；沒有底鼓現(xiàn)象。

3.4.2 拱頂下沉監(jiān)測

此段隧道開始施工一個月內(nèi)部分?jǐn)嗝婀绊敵两档谋O(jiān)測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 拱頂沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.4.3 周邊位移觀測

此段隧道開始施工一個月內(nèi)部分?jǐn)嗝娴闹苓吺諗康谋O(jiān)測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 周邊收斂的監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.4.4 監(jiān)測結(jié)論

隧道右線拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，右線穿越斷裂破碎帶段監(jiān)測斷面的拱頂下沉、周邊收斂相對變化速率及累計位移量基本符合規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本破碎斷裂帶施工段目前已安全施工完成，施工中未出現(xiàn)隧道拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等事故，公路隧道穿越斷裂破碎帶時采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工是一種較為有效的方法。