胡家灣隧道斷層破碎帶擠壓性圍巖變形控制技術(shù)

張秀良

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

蘭渝鐵路蘭廣段隧道地層巖性變化大，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜[1]，地應(yīng)力水平屬高-極高，受多期強(qiáng)烈變形和極低級變質(zhì)作用改造、構(gòu)造、斷層、高地應(yīng)力和地下水等多種因素的影響，形成包括斷層破碎帶在內(nèi)的軟弱圍巖大變形，給施工和結(jié)構(gòu)安全帶來極大隱患[2-3]。如何控制斷層破碎帶擠壓性圍巖大變形成為蘭渝建設(shè)者面臨的一大技術(shù)難題。

1 工程背景

1.1 隧道概況

蘭渝鐵路胡家灣隧道全長2 862 m(起訖里程DK153+005～DK155+867)，為雙線隧道，最大埋深420 m。工程區(qū)域大地構(gòu)造劃分屬于秦嶺褶皺系禮縣-柞水冒地槽褶皺帶。該隧道穿越臨夏-漳縣-天水(F1)斷層束之f6、f7、f7-1三個斷層破碎帶。根據(jù)蘭渝線沿線地殼應(yīng)力測量結(jié)果，本隧道處于高地應(yīng)力區(qū)，斷層破碎帶圍巖軟弱，有產(chǎn)生較大位移等收斂變形可能。

隧道按噴錨構(gòu)筑法技術(shù)要求設(shè)計，隧道初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)[4]，曲墻帶仰拱復(fù)合式襯砌，斷層破碎帶圍巖支護(hù)參數(shù)見表1、表2。

表1 胡家灣隧道Ⅴ級圍巖復(fù)合式襯砌斷面支護(hù)參數(shù)

表2 胡家灣隧道Ⅴ級圍巖超前支護(hù)參數(shù)

1.2 斷層地質(zhì)特征

隧道先后穿越f6、f7、f7-1三個壓扭性逆斷層，斷層破碎帶寬度在260～333 m之間。受構(gòu)造影響嚴(yán)重，相鄰斷層影響帶巖體受擠壓破碎無明顯分界，形成了連續(xù)長2 437 m斷裂帶。

f6斷層(DK153+470～DK153+800)破碎帶巖性為壓碎石灰?guī)r、砂巖、頁巖，青灰、灰黑色，局部夾有斷層角礫，巖體極破碎，巖體擠壓后產(chǎn)狀凌亂，揉皺、褶皺明顯，掌子面普遍有滲水。

f7斷層(DK154+270～DK154+530)破碎帶巖性為以斷層角礫為主，原巖以炭質(zhì)頁巖為主，灰黑色，呈泥礫狀，巖體極破碎，圍巖自穩(wěn)能力極差。

f7-1斷層(DK154+916～DK155+178)破碎帶巖性為以石灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖擠壓破碎形成的斷層角礫、泥礫為主。

1.3 地下水

斷層破碎帶及其影響帶地下水以構(gòu)造裂隙水為主，大氣降水補(bǔ)給。掌子面普遍滲水，常有股狀水涌出[5]，最大涌水量為480 m3/h。

1.4 地震活動

本隧道處于較活躍地震帶上，施工期經(jīng)歷兩次超過4.5級以上的地震。

2 現(xiàn)場圍巖變形情況

隧道穿越斷層破碎帶采用三臺階七步開挖法施工[6]。如表3所示，施工期間對斷層破碎帶11個斷面變形量測得知日平均沉降量19.98 mm/d，最大單日沉降量達(dá)108 mm/d(地震當(dāng)日突發(fā)沉降量達(dá)300 mm/d)，累計變形量250～900 mm。

表3 斷層破碎帶擠壓性圍巖變形量測統(tǒng)計

(1)垂直沉降大于水平收斂，以拱部下沉為主[7]，如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(DK154+474)斷面沉降收斂

(2)變形量(以垂直沉降為主)大于常規(guī)設(shè)計表1和國內(nèi)常規(guī)支護(hù)條件下表4雙線隧道的預(yù)留變形量上限30 cm，屬于高地應(yīng)力作用下發(fā)生的擠壓性圍巖大變形[8]。

表4 鐵路隧道相對變形的臨界值 cm

(3)受地震影響大，變形呈突發(fā)性增大。

(4)受地下水影響大。原巖為硬巖地段以涌水涌泥為主，拱部圍巖掏空下沉，如圖2所示。原巖為軟巖地段軟化、泥化降低巖體承載力更為突出，變形時間長，累計變形量大。

圖2 股狀水?dāng)y帶碎石塊涌出致拱部初期支護(hù)下沉

(5)圍巖大變形致初期支護(hù)表面開裂、鋼架扭曲、初期支護(hù)侵限等現(xiàn)象[9]，如圖3所示。

圖3 侵入二襯限界初期支護(hù)拆換

3 圍巖大變形控制技術(shù)

3.1 提高破碎圍巖體強(qiáng)度

(1)針對拱部下沉量大、易失穩(wěn)，采取大管棚+密排小導(dǎo)管對圍巖超前支護(hù)加固，主要技術(shù)參數(shù):φ108鋼管，L=15 m，環(huán)向間距0.4 m；φ42小導(dǎo)管L=2.6 m，環(huán)向間距0.2～0.3 m，縱向間距1.0 m，注1∶1水泥漿。

(2)初期支護(hù)封閉后，及時對拱墻圍巖進(jìn)行徑向注漿加固[10]。主要技術(shù)參數(shù):φ42小導(dǎo)管(注漿花管)，L=4 m，間距1.2 m×1.5 m(環(huán)向×縱向)，注1∶1水泥漿。

(3)超前管棚設(shè)置洞內(nèi)管棚導(dǎo)向墻，精確定位鋼管位置，鋼管外插角宜為5°～10°，確保管棚整體有效長度。

(4)在類似巖體中進(jìn)行鉆孔及注漿試驗，驗證注漿擴(kuò)散范圍，確定徑向?qū)Ч荛g距、注漿(時間及壓力)技術(shù)參數(shù)。

(5)盡量沿垂直洞壁方向打設(shè)徑向注漿導(dǎo)管，確保對破碎巖體加固厚度。徑向?qū)Ч軕?yīng)盡量靠鋼架布置，使其與鋼架焊接連接一體，以發(fā)揮支護(hù)與巖體的共同作用。按由下向上、從邊墻往拱頂順序注漿[11]。

3.2 提高初期支護(hù)承載

采用 25b或H175型鋼鋼架，間距1榀/0.5 m，鎖腳采用8根R32自進(jìn)式錨桿L=6 m；全環(huán)噴砼35 cm厚、雙層 φ8鋼架網(wǎng)，加大初期支護(hù)剛度、強(qiáng)度。

鋼架連接處是初支鋼架的薄弱環(huán)節(jié)，節(jié)段間嚴(yán)禁采用焊接，保證連接板與型鋼的焊接質(zhì)量、螺栓本身及安裝質(zhì)量，按設(shè)計施設(shè)鎖腳錨桿(管)與鋼架連接牢固[12]。

3.3 預(yù)留變形量的調(diào)整

對于截面大于 20b工字鋼型鋼鋼架，當(dāng)圍巖變形<40 cm時，將常規(guī)設(shè)計預(yù)留變形量15 cm調(diào)整為40 cm。依現(xiàn)場圍巖變形量測結(jié)果，結(jié)合掌子面巖體破碎程度預(yù)判設(shè)置下一循環(huán)預(yù)留變形量，常規(guī)設(shè)計Ⅴ級圍巖允許變形量值≤40 cm。

3.4 優(yōu)化開挖工法

f6斷層破碎帶采用如圖4所示微臺階臨時仰拱，f7斷層破碎帶采用如圖5所示四部CRD工法。

圖4 上臺階臨時仰拱工序示意

圖5 四部CRD施工工序示意

(1)上臺階高度以人工安裝拱架體力舒適為尺度，控制在2.5 m以內(nèi)。

(2)循環(huán)進(jìn)尺:拱部1榀鋼架間距，邊墻不超過2榀鋼架間距。

(3)開挖后及時初噴巖面3 cm厚封閉，防止破碎帶巖面因風(fēng)化、水分軟化、卸荷、膨脹等而降低強(qiáng)度，惡化圍巖條件。

(4)同斷面臨時支護(hù)與永久支護(hù)同時施作，且相互連接牢固。

(5)各部鋼架拱腳必須設(shè)置鎖腳錨桿(管)，且與拱架連接牢固。

3.5 變形控制效果

如圖6所示，采取上述控變措施后，現(xiàn)場量測變形值均<30 cm，基本控制住大變形，避免了初期支護(hù)侵限拆換、失穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期的大變形控制目的。

圖6 采取控變措施后的(DK154+430)斷面沉降收斂

4 結(jié)束語

(1)不論是硬巖還是軟巖，受青藏高原東北緣持續(xù)擠壓影響，斷層破碎帶巖體受擠壓后產(chǎn)狀凌亂，揉皺、褶皺明顯，巖體極為破碎。圍巖強(qiáng)度極低、軟弱，在高地應(yīng)力、地下水、地震等多種不利因素影響下極易產(chǎn)生大變形。

(2)胡家灣隧道現(xiàn)場施工及研究證明，通過“圍巖加固+初期支護(hù)(剛度和強(qiáng)度)加強(qiáng)+調(diào)增預(yù)留變形量+優(yōu)化開挖工法”等一系列控變技術(shù)措施，能夠避免初期支護(hù)侵限拆換、失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，斷層破碎帶擠壓性圍巖大變形控制取得明顯效果?？偨Y(jié)形成斷層破碎帶擠壓性圍巖大變形控制技術(shù)在其他類似地層施工中可推廣借鑒。