復(fù)雜條件下大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

霍錦峰

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州）

引言

在某山嶺隧道工程中，采用鉆爆法施工具有優(yōu)勢(shì)，但在地質(zhì)條件復(fù)雜條件下，采用鉆爆法施工引起的隧道超前挖現(xiàn)象非常普遍，特別是對(duì)于受構(gòu)造作用圍巖等級(jí)低條件下，自然狀態(tài)下的圍巖被地應(yīng)力扭剪、受結(jié)構(gòu)面切割破碎，隧道爆破和開挖不當(dāng)甚至?xí)l(fā)圍巖坍塌，地下水發(fā)育時(shí)，容易引發(fā)水力通道連通，導(dǎo)致突水涌泥[1-2]。為研究機(jī)理裂隙發(fā)育和圍巖破碎條件下大斷面隧道的爆破與開挖問題，本文嘗試依托實(shí)際工程，采用超前全斷面帷幕注漿的措施對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹нM(jìn)行止水和加固，并給出了相應(yīng)的爆破施工參數(shù)，研究成果可為復(fù)雜地質(zhì)條件大斷面隧道的安全快速施工提供參考。

1 工程概況

某省高速公路隧道為特長(zhǎng)分離式隧道，橫穿山體，山體總體呈東西走向，隧道全長(zhǎng)12.130 km（左洞）/11.996 km（右洞）。隧道進(jìn)出口的高程分別為770.2 m、900.2 m，洞身最大埋深約212.6 m。左線隧道起訖里程樁號(hào)為ZK75+660～ZK87+790，右線隧道起訖里程樁號(hào)為YK75+790～YK87+786。

隧址區(qū)位于剝蝕構(gòu)造丘陵地區(qū)左線隧道III 級(jí)圍巖長(zhǎng)度為4 977.5 m，占左線長(zhǎng)度比例為41.03%，IV級(jí)圍巖長(zhǎng)度為4 675 m，占左線長(zhǎng)度比例為38.54%，V 級(jí)圍巖長(zhǎng)度為2 477.5 m，占左線長(zhǎng)度比例為20.42%；右線隧道III 級(jí)圍巖長(zhǎng)度為4 941.7 m，占右線長(zhǎng)度比例為41.19%，IV 級(jí)圍巖長(zhǎng)度為4 675 m，占右線長(zhǎng)度比例為38.97%，V 級(jí)圍巖長(zhǎng)度為2 379.3 m，占右線長(zhǎng)度比例為19.83%。

線路存在2 條對(duì)隧道影響較大的斷層破碎帶，分別為F6 斷層破碎帶和F7 斷層破碎帶。F6 斷層破碎帶的寬度約為455 m，與隧道軸線以大角度相交，交角約75°；F7 斷層破碎帶的寬度約為125 m，圍巖等級(jí)為Ⅴ和Ⅳ級(jí)。

2 復(fù)雜條件下隧道施工重難點(diǎn)分析

2.1 斷層破碎帶掘進(jìn)施工重難點(diǎn)分析

根據(jù)區(qū)域資料和工程地質(zhì)調(diào)繪、物探資料，線路存在2 條對(duì)隧道影響較大的斷層破碎帶，分別為F6斷層破碎帶和F7 斷層破碎帶。F6 斷層破碎帶的寬度約為455 m，與隧道軸線以大角度相交，交角約75°，圍巖完整性較差，圍巖等級(jí)為Ⅴ和Ⅳ級(jí)。F7 斷層破碎帶的寬度約為125 m，圍巖等級(jí)為Ⅴ和Ⅳ級(jí)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，2 條斷層破碎帶的圍巖受斷裂影響，巖體破碎，巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc=30 MPa，[BQ]計(jì)算值為225；由于圍巖較差，不能進(jìn)行大進(jìn)尺爆破，只能進(jìn)行小進(jìn)尺爆破，且施工過程中，如果沒有及時(shí)采取支護(hù)措施，斷層破碎帶極易在爆破振動(dòng)和開挖卸載的擾動(dòng)效應(yīng)下，產(chǎn)生側(cè)壁圍巖擠出、掌子面垮塌和拱頂塌方冒頂?shù)葐栴}，給隧道開挖及事故處置帶來極大的困難。

2.2 隧道突涌水、突泥條件下掘進(jìn)施工重難點(diǎn)分析

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料顯示，隧道主要不良地質(zhì)是涌水、大變形以及斷層破碎帶等，這些圍巖段落施工時(shí)，由于隧道采用的是鉆爆法施工，圍巖破碎帶和斷層構(gòu)造接觸帶等在爆破作用下引發(fā)松動(dòng)和巖體力學(xué)性質(zhì)劣化，產(chǎn)生不可避免的損傷，在斷層夾層中充填的黏土、砂礫，在連通水體后被攜帶和突發(fā)性地涌出，進(jìn)而引發(fā)隧道內(nèi)的突水涌泥災(zāi)害，嚴(yán)重地造成機(jī)械設(shè)備掩埋和人員傷亡；在雨季和冬季冰雪融化季節(jié)施工時(shí)呈淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，全線隧道的富水程度等級(jí)為中等富水～強(qiáng)富水，富水程度為強(qiáng)富水段的洞身長(zhǎng)度達(dá)到1 480 m，這些地下水如果在水源供給充足，或者連通地表水體的情況下，高壓水體極易沖破土壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)，因此在隧道施工過程中，需要探明地下水的發(fā)育程度，圈定其發(fā)育范圍，并采取注漿止水等措施進(jìn)行地下水的控制和防范，這也是隧洞施工的難點(diǎn)之一[3]。

2.3 軟巖大變形段的掘進(jìn)施工重難點(diǎn)分析

F6 斷層破碎帶和F7 斷層破碎帶在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，圍巖的破碎，斷層接觸帶受擠壓和剪切應(yīng)力的影響，巖體泥化，圍巖強(qiáng)度和圍巖級(jí)別極地，因此受到局部高地應(yīng)力和地下水的作用，圍巖體極易發(fā)生塑性變形或者力學(xué)強(qiáng)度劣化，進(jìn)而產(chǎn)生大變形，影響隧道的成洞效果，也給隧道的襯砌支護(hù)帶來巨大壓力[4]。

3 大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大斷面隧道爆破施工技術(shù)

大斷面隧道采用鉆爆法施工，隧道爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的確定采用理論計(jì)算法、工程類比法與現(xiàn)場(chǎng)試爆相結(jié)合，在保證爆破震動(dòng)速度符合安全規(guī)定的前提下，提高隧道開挖成型質(zhì)量和施工進(jìn)度。以新奧法理論指導(dǎo)施工，三臂鑿巖臺(tái)車、YT-28 風(fēng)鉆成孔，采用非電毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)絡(luò)，選用2#巖石乳化炸藥，藥卷規(guī)格Φ32×300 mm×300 mg，實(shí)施控制爆破和光面爆破[5]。

在隧道開挖作業(yè)時(shí)，控制循環(huán)進(jìn)尺，采取有效的控制爆破，避免產(chǎn)生的爆破有害效應(yīng)超過安全規(guī)定和預(yù)設(shè)指標(biāo)，以保證隧道能夠快速成洞，安全穿越不同圍巖等級(jí)的地質(zhì)條件。一般而言，圍巖等級(jí)越差隧道，其單循環(huán)開挖進(jìn)尺越小，經(jīng)過大量的工程總結(jié)，本研究中針對(duì)III 級(jí)圍巖隧道，單循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在3 m～5 m 范圍內(nèi)，對(duì)于IV 級(jí)圍巖隧道，單次循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在2 m～3 m 不等，對(duì)于V 級(jí)圍巖隧道，單次循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在1.5 m～2.0 m。以V 級(jí)圍巖爆破施工為例，CRD 法開挖炮孔布置圖如圖1 所示，爆破參數(shù)如表1 所示。

圖1 V 級(jí)圍巖CRD 法開挖炮孔布置圖

表1 V 級(jí)圍巖CRD 法開挖左半洞爆破參數(shù)

3.2 大斷面隧道穿越斷層破碎帶全斷面帷幕注漿施工技術(shù)

如圖2 所示，全斷面帷幕注漿技術(shù)主要適用于區(qū)間長(zhǎng)度超過20 m 的富水地質(zhì)構(gòu)造帶（巖層破碎帶、斷層破碎帶、接觸帶、褶皺帶）的注漿堵水處理，具體實(shí)施情況需結(jié)合根據(jù)地質(zhì)詳勘結(jié)果，并結(jié)合超前物探和超前探孔探明的情況綜合判定，判定標(biāo)準(zhǔn)為超前探水孔中單孔流量＞3 m3/h，總水量＞15 m3/h，巖體破碎，軟弱結(jié)構(gòu)面極發(fā)育，整體穩(wěn)定極差，開挖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)極高[6-7]。

圖2 斷層破碎帶隧道全斷面帷幕注漿

在超前全斷面注漿前，應(yīng)對(duì)掌子面前方的地下水發(fā)育情況和發(fā)育范圍采取科學(xué)合理的超前預(yù)報(bào)方法進(jìn)行確定，鎖定水源后及時(shí)反饋地下水信息，實(shí)現(xiàn)注漿過程的信息化和調(diào)整注漿參數(shù)，并合理布置鉆孔，對(duì)未有開挖巖體采取“分區(qū)定位”的方法對(duì)地下水水流進(jìn)行封堵，注漿遵循“由外到內(nèi)、間隔跳空”的原則水量進(jìn)無約束封控，并在相鄰兩個(gè)開挖循環(huán)中，鉆孔注漿應(yīng)使注漿擴(kuò)散圈有效重疊形成阻水帷幕，做到“環(huán)環(huán)相扣”，在地質(zhì)條件變化和地下水量異常地區(qū)，應(yīng)根據(jù)超前預(yù)報(bào)或超前探水情況，調(diào)整注漿量、注漿厚度，如有必要可以增加鉆孔、局部加強(qiáng)，確保注漿防水堵水效果。

全斷面帷幕注漿其注漿形式是在掌子面向前方密集打入“喇叭狀”的注漿孔，灌漿后形成傘狀的止水帷幕，因此注漿范圍應(yīng)該超出隧道開挖輪廓，在非斷層破碎帶V 級(jí)圍巖中應(yīng)超出5 m，在斷層破碎帶中超出8 m，隧道開挖時(shí)共布設(shè)了96 個(gè)（6 環(huán)）超前全斷面帷幕注漿孔，其中第1-3 環(huán)每環(huán)布置22 個(gè)注漿孔，第4 環(huán)布置16 個(gè)注漿孔，第5 環(huán)布置10 個(gè)注漿孔，第6環(huán)布置4 個(gè)注漿孔[8]。

單孔注漿漿液擴(kuò)散半徑為2.5 m，為保證注漿擴(kuò)散圈相互疊加，形成封閉的傘狀止水帷幕，單次循環(huán)注漿孔孔底的間距應(yīng)控制在3.0 m 以內(nèi)。注漿材料采用以普通水泥單液漿為主，其水灰比控制在（0.6～1）:1以內(nèi)，并輔以普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，其水灰比控制在（0.8～1）:1，水玻璃濃度為30～35 Be，以上材料注漿效果不佳時(shí)，可考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿，硫鋁酸鹽水泥單液漿水灰比控制在（0.6～1）:1。

注漿方式采用前進(jìn)式分段注漿，注漿初始?jí)毫?.2 P～1.5 P（P 為注漿位置靜水壓力），終止壓力為2 P～3 P（P 為注漿位置靜水壓力），注漿速度控制在10 L/min～120 L/min 范圍內(nèi)，終孔間距不大于3.9 m，漿液擴(kuò)散半徑為2.5 m，橫向加固范圍為開挖輪廓性外8 m，縱向加固長(zhǎng)度為25 m。

4 結(jié)論

以某省高速公路隧道工程為研究對(duì)象，在分析場(chǎng)區(qū)隧道圍巖工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，提出大斷面隧道爆破施工技術(shù)及斷面隧道穿越斷層破碎帶全斷面帷幕注漿施工技術(shù)，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）左線隧道IV 級(jí)、V 級(jí)圍巖長(zhǎng)度共計(jì)為7 152.5 m，占左線長(zhǎng)度比例為58.96%，右線隧道IV 級(jí)、V 級(jí)圍巖長(zhǎng)度共計(jì)為7 054.3 m，占左線長(zhǎng)度比例為58.80%；富水程度為強(qiáng)富水段的洞身長(zhǎng)度達(dá)到1 480 m；對(duì)線路有影響的構(gòu)造主要為F6 斷層破碎帶（長(zhǎng)455 m），F(xiàn)7 斷層破碎帶（長(zhǎng)約125 m）。

（2）采用光面爆破技術(shù)，Ⅲ級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺3～5 m 以內(nèi)，IV 級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺2～3 m 以內(nèi)，V 級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺1.5～2 m 以內(nèi)，V 級(jí)圍巖爆破施工采用CRD 法，采用超前全斷面帷幕注漿的措施對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹нM(jìn)行止水和加固，有效地改善了圍巖力學(xué)性質(zhì)，提出的鉆爆法施工參數(shù)保證了隧道的順利貫通。