淺析燃?xì)夤芫€盾構(gòu)隧道穿越斷層破碎帶處理措施

張博

（北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，北京 100035）

北京市西六環(huán)燃?xì)舛軜?gòu)工程是北京市六環(huán)路中段天然氣隧道工程的一部分，隧道位于門頭溝區(qū)西六環(huán)路的東側(cè)，軍莊鎮(zhèn)的西南西山林場(chǎng)范圍內(nèi)，有林場(chǎng)防火公路沿隧道地表通過，交通條件較便利，穿行于丘陵區(qū)，地形起伏大，海拔高程135～220m，相對(duì)高差15～80m，山坡坡角20°～40°，山坡處多基巖裸露，山間谷地內(nèi)覆蓋碎石土，植被茂密。北隧道全長1678.541m，隧道采取盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法屬于暗挖法施工中的一種。首先將盾構(gòu)機(jī)械在隧道或地底中推進(jìn)，通過盾構(gòu)機(jī)的外殼和在隧道內(nèi)鋪設(shè)的管片支承四周防止隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開挖作業(yè)面前方用盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)、切削進(jìn)行土體開挖。從土倉通運(yùn)用機(jī)械裝置將土運(yùn)出洞外，依靠頂緊裝置在后部進(jìn)行加壓頂進(jìn)，同時(shí)拼裝預(yù)制混凝土管片，形成盾構(gòu)隧道的一種全機(jī)械化施工方法。從1897～1980年，在世界范圍內(nèi)用盾構(gòu)法修建的地下隧道已有20余條。日、德、法等國很早就把盾構(gòu)法廣泛使用于各類大型地下隧道的施工。本文針對(duì)該工程，分析工程地質(zhì)構(gòu)造及水文條件，對(duì)其施工管理提出有效的預(yù)防措施。

1 工程地質(zhì)構(gòu)造、水文介紹及分析

1.1 工程地質(zhì)構(gòu)造

北段隧道工程地處門頭溝區(qū)軍莊鎮(zhèn)，其位于北京西山褶皺隆起區(qū)。該段隧址區(qū)地層巖性主要為：粉質(zhì)粘土、碎石土，侏羅系中統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)礫巖，侏羅系下統(tǒng)凝灰?guī)r及玄武巖等；二疊系上統(tǒng)砂巖、礫巖等。擬建隧道位于香峪大梁向斜北西翼，具體位置如圖1所示。

圖1 工程位置圖

1.2 工程水文條件

（1）地表水。區(qū)域內(nèi)地表水系主要為永定河。未見常年性地表水，僅在雨季地表水在低洼溝槽內(nèi)匯集通過，隧道進(jìn)出口及淺埋段在集中降雨、融雪時(shí)容易形成季節(jié)性漫流。

（2）地下水。地下水主要為基巖裂隙水，賦存于基巖節(jié)理裂隙內(nèi)，本區(qū)域大氣降水多，以地表徑流排向區(qū)外，地下水補(bǔ)給來源貧乏，基巖裂隙水量較小，在斷層帶、節(jié)理密集帶、接觸帶等段落水量較大。隧道洞身部分處于淺埋及土巖變化帶內(nèi)，由于地表水下滲，易局部富集，易塌方、滑塌。

1.3 斷層的定義及分類

（1）概念。巖體或巖層在地殼的運(yùn)動(dòng)影響下發(fā)生了相對(duì)較大位移，可稱為斷層。通常巖體在地質(zhì)綜合作用力下，可能出現(xiàn)上、下、左、右的位移。斷層破壞了巖體的連續(xù)完整性，對(duì)巖體的穩(wěn)定性、滲透性、都有重大影響。

（2）組成斷層的要素。大體分為：斷層面、斷層線、斷盤、斷距。

斷層面：在綜合力的作用下使兩個(gè)巖體發(fā)生相對(duì)位移的面。

斷層線：地面與斷層面的交線。

斷盤：斷盤可分為上盤（hanging wall）和下盤（foot wall），在綜合力的作用下斷開的兩側(cè)的巖體，其中位于斷層面以上的為上盤，位于斷層面以下為下盤。

斷距：斷層兩盤中對(duì)應(yīng)層因斷裂產(chǎn)生出的相對(duì)距離。

工程中的斷層相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)源如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)源分析

2 盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶危險(xiǎn)性及措施

2.1 隧道斷裂帶危險(xiǎn)性分析

受斷裂帶影響的區(qū)域一般埋深在20～50m內(nèi)，巖體的強(qiáng)度大，但強(qiáng)度不均勻?qū)е路€(wěn)定性不好。盾構(gòu)機(jī)在通過破碎帶時(shí)易出現(xiàn)以下風(fēng)險(xiǎn)：（1）隧道坍塌事故；（2）盾構(gòu)機(jī)遇較大碎石刀具磨損嚴(yán)重，前進(jìn)速度慢、難度大；（3）渣土改良不好，容易發(fā)生刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象及噴涌；（4）長時(shí)間停機(jī)掌子面遇水軟化崩解，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

2.2 預(yù)防措施

2.2.1 施工準(zhǔn)備

施工人員準(zhǔn)備。盾構(gòu)機(jī)在經(jīng)過破碎帶的時(shí)候容易出現(xiàn)滲水等情況，為了防止管片沉降或坍塌，施工時(shí)成立監(jiān)測(cè)小組，對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢查。

機(jī)械材料準(zhǔn)備。檢查盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)，特別是液壓推進(jìn)系統(tǒng)、各泵站的葉輪泵殼進(jìn)行檢查，確保盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)，同時(shí)對(duì)泥水處理系統(tǒng)、空壓機(jī)、行吊、電瓶車、裝載機(jī)、叉車等關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的機(jī)械設(shè)備加強(qiáng)檢查，以減少因設(shè)備故障造成的盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)間，確保盾構(gòu)安全、連續(xù)、快速的通過破碎帶。技術(shù)準(zhǔn)備。各種方案、交底、預(yù)案制定并完善，斷層破碎帶隧道上方監(jiān)控點(diǎn)布置完成。

施工過程中的準(zhǔn)備。盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過破碎帶前進(jìn)時(shí)，按照“持續(xù)、迅速、安全”的施工原則，通過該破碎帶區(qū)域。

2.2.2 監(jiān)測(cè)布置

（1）施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)：地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距：每5m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)范圍：斷層破碎帶及影響區(qū)范圍。埋設(shè)方法：采用全站儀沿隧道沿線的地面導(dǎo)線點(diǎn)為依照精準(zhǔn)定位，再用沖擊鉆與水鉆一起鉆孔φ100～150mm。并在孔中放入φ18mm長約800mm的鋼筋，鋼筋頂端為圓面且低于地面5～10mm，周圍需用細(xì)沙填補(bǔ)。在監(jiān)測(cè)孔里面埋入與之匹配的套管，并用管帽將監(jiān)測(cè)孔蓋好，保護(hù)好監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為確保斷層破碎帶及影響區(qū)盾構(gòu)隧道施工期間結(jié)構(gòu)及各重要風(fēng)險(xiǎn)源的安全，根據(jù)設(shè)計(jì)要求結(jié)合隧道通過的地質(zhì)條件，施工方法等特點(diǎn)，在正常段隧道監(jiān)控項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)頻率的基礎(chǔ)上，在地面增設(shè)必要的地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)并加大監(jiān)測(cè)頻次。將沉降值、過程中安全狀況、相關(guān)數(shù)據(jù)信息反饋給監(jiān)理工程師。

（2）監(jiān)測(cè)管理體系（如圖2所示）。

圖2 監(jiān)測(cè)組織機(jī)構(gòu)圖

2.2.3 斷裂帶遇水措施

（1）控制掘進(jìn)速度。根據(jù)前期施工總結(jié)掘進(jìn)參數(shù)及本工程斷層破碎帶狀況，在進(jìn)行穿越斷層破碎帶掘進(jìn)施工時(shí)，擬采用如表2掘進(jìn)參數(shù)。

表2 掘進(jìn)參數(shù)

（2）渣土改良。在本段構(gòu)造破碎帶地層中，為降低對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具的磨損，采用向刀盤注入含水量較多的泡沫，這樣不僅可以使盾構(gòu)機(jī)刀具冷卻，同時(shí)又可以使渣土具有不錯(cuò)的流動(dòng)性。

（3）支護(hù)及噴錨。在破碎帶地層中，為防止碎石坍塌，給破碎帶提供部分支撐力，在這段區(qū)域內(nèi)進(jìn)行簡單的木樁支護(hù)及水泥漿噴錨。

2.3 險(xiǎn)情措施

施工前成立應(yīng)急指揮小組，當(dāng)發(fā)生坍塌事故時(shí)：（1）盾構(gòu)應(yīng)急指揮領(lǐng)導(dǎo)小組立即趕赴坍塌現(xiàn)場(chǎng)，停止盾構(gòu)掘進(jìn)，保持土倉壓力。（2）應(yīng)急小組成員須立即上報(bào)險(xiǎn)情給監(jiān)理方、建設(shè)方及相關(guān)方。（3）在塌陷區(qū)域周圍設(shè)置警戒線及標(biāo)識(shí)，疏散周圍群眾，安排相關(guān)人員維持現(xiàn)場(chǎng)秩序，組織搶險(xiǎn)隊(duì)成員按照應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行搶險(xiǎn)。（4）對(duì)已經(jīng)發(fā)生塌陷處回填粉質(zhì)粘土，利用潛水泵抽出坍塌內(nèi)積水。（5）對(duì)已回填完塌陷處的四周進(jìn)行加固，可采用旋噴樁法。（6）對(duì)已回填完塌陷處進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)向相關(guān)部門反饋監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。（7）塌陷體或掌子面加固密實(shí)后，滿足開倉條件時(shí)，開倉檢查刀具，更換磨損刀具及處理刀盤泥餅。（8）為保持盾尾的密封性須加足量的油脂，以防止產(chǎn)生涌沙、滲水等現(xiàn)象。

在最短時(shí)間內(nèi)與相關(guān)部門及時(shí)取得聯(lián)系（如消防隊(duì)119、急救120）救助，并按法定程序上報(bào)政府主管部門。

3 結(jié)語

本文針對(duì)北京西六環(huán)盾構(gòu)隧道工程，闡述了盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶的危險(xiǎn)性，分析了地質(zhì)構(gòu)造及水文條件，對(duì)盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶提出有效的預(yù)防措施，包括：施工準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)布置、斷裂帶遇水措施等，確保工程的安全開展。