護坑隧道斷層破碎帶施工技術

賀慶華

護坑隧道是二廣高速公路第一長大隧道,全長2 383 m,隧道全部由我部施工,其中K102+770～K103+012段通過Ⅴ中變級圍巖斷層破碎帶,巖性主要為沉積泥巖、砂巖、礫巖,節理裂隙發育,層面交錯,遇水易軟化,巖體破碎,巖體呈碎石狀壓碎結構。地下水以淋雨和線流狀為主,致使圍巖自穩能力極差,成型困難。

針對這種情況,斷層施工遵循“短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的基本原則,在超前地質預報的指導下,采用在拱部超前小導管注漿預固結圍巖的保護下,采用三臺階七步流水作業法進行施工。拱部預留核心土,周邊采用風鎬開挖,核心土及中下臺階采用CAT320挖掘機開挖。

1 斷層的超前預報

1.1 地質超前預報

采用TGP206型隧道地質超前預報系統(TGP即Tunnel Geology Prediction的英文縮寫,簡稱TGP)。利用在隧道圍巖以排列方式激發彈性波,彈性波在向三維空間傳播的過程中,遇到聲阻抗界面,即地質巖性變化的界面、構造破碎帶、巖溶和巖溶發育帶等,會產生彈性波的反射現象,這種反射波被布置在隧道圍巖內的檢波裝置接收下來,輸入到儀器中進行信號的放大、數字采集和處理,實現拾取掌子面前方巖體中的反射波信息,以準確掌握前方斷層破碎帶的詳細情況以及圍巖節理裂隙、破碎的發育程度。

1.2 工程地質法

根據地質資料結合實際地質對每循環開挖掌子面地質素描,進行初步的地質分析。斷層帶在隧道中是有一定延伸長度的,斷層的出現也有一個由小到大的過程,若隧道局部圍巖破碎、石質較差,且圍巖軟硬分界明顯,應小心對待,可根據巖層的走向、傾角等預測前方可能出現的斷層破碎帶。

1.3 超前地質探孔

掌子面開挖前,采用長度長于開挖長度2 m～2.5 m的超長鉆桿對前方圍巖進行鉆孔(即使洞身周邊出現涌水、涌泥、坍塌等不良地質還能保證2 m以上止漿墻),根據巖芯和鉆進過程中的巖粉、鉆速和水質情況,判斷前方水文、地質條件。

2 超前小導管施工

對松軟巖體,采用YT-28型風動鑿巖機直接推送,如遇夾有堅硬巖石處,先用YT-28型風動鑿巖機鉆眼成孔后再推進就位。

在施作小導管前應注意:第一,噴3 cm～5 cm厚混凝土封閉掌子面作為止漿墻,為注漿作好準備工作;第二,準確測量隧道中心線和高程,并按設計標出小導管的位置,誤差±15 mm;第三,用線繩定出隧道中心面,隨時用鋼尺檢查鉆孔或推進小導管的方向,以控制外插角達到設計的標準;第四,施工順序為從兩側拱腰向拱頂進行,為提前注漿留好作業空間。

選用UB6型注漿泵注漿,采用漿液攪拌桶制漿。為防止漿液從其他孔眼溢出,注漿前對所有孔眼安裝止漿塞,注漿順序從兩側拱腳向拱頂進行。注漿時相鄰孔眼需間隔開,不能連續注漿,以確保固結效果,又達到控制注漿量的目的。

3 開挖

斷層破碎帶開挖采用三臺階七步流水作業法進行施工,為控制超欠挖及減少對圍巖的擾動,拱部弧形及邊墻周邊均采用風鎬分臺階開挖,核心土及中下臺階均采用挖掘機開挖,開挖進尺根據圍巖穩定性確定為1榀～2榀鋼拱架的間距,即0.6 m～1.2 m。

4 錨噴初期支護

4.1 初期支護參數

系統錨桿采用4 m/根智能中空注漿錨桿及8 m/根的自進式錨桿,縱向、環向間距為60 cm×80 cm,梅花形布置,采用自進式長錨桿和智能中空注漿錨桿主動約束洞周變形。全環設置 U25可縮型鋼架,間距60 cm,U形鋼每側拱腳設3 m/根的φ 25藥卷錨桿,按梅花形布置在U形鋼的兩側;鋼纖維噴射混凝土厚25 cm。預留變形量為35 cm,擴大開挖斷面,加大預留變形量,以適應圍巖變形。

4.2 鋼拱架支護

鋼架支護是通過斷層破碎帶時必不可少的措施之一。鋼架支護可以加強初期支護,減少圍巖變形,并為超前支護提供可靠的支點。U形鋼按設計要求分節加工成型,U形鋼分節間采用U形螺栓連接。1)U形鋼嚴格按設計間距架立。2)為充分發揮U形鋼的承載能力,首先要求U形鋼架必須垂直且與線路方向垂直;其次架立拱部 U形鋼架時,嚴格控制左、右拱腳標高,以防拱架偏斜,影響與邊墻U形鋼架的圓順連接或侵入襯砌厚度。

4.3 噴射混凝土

開挖后為縮短圍巖的暴露時間,防止圍巖進一步風化,必須先初噴混凝土4 cm厚封閉圍巖;待U形鋼安設好后,再噴混凝土10 cm～12 cm;最后在下一循環噴射混凝土時分兩次噴射至設計厚度。噴頭噴射方向與巖面偏角小于10°,夾角為 45°;噴頭至受噴面距離在0.6 m～1.0 m之間,噴頭呈螺旋形均勻緩慢移動,一般繞圈直徑在0.4 m為宜。

5 防排水處理

針對開挖中出現的大面積滲漏水時,宜采用鉆孔預埋小導管或者PVC管集中匯流引入排水溝,并應對鉆孔部位、數量、孔徑、深度、方向和滲水量做記錄,據以確定在襯砌時設置拱墻背后的排水設施。

6 圍巖監控量測

6.1 監控量測安設要求

初期支護完成后,在拱頂、拱腳及邊墻的內軌頂面標高處埋設測點進行拱頂下沉和水平收斂量測,以防振動影響量測結果。量測頻率開始6 h觀測1次,然后根據變形量的減小而減小量測頻率,即12 h,24 h,48 h,72 h,168 h,根據量測結果及時調整工序及預留變形量、開挖進尺等,便于指導施工,確保施工安全。斷層破碎帶量測點間距每隔3 m布設1組。

在斷層破碎帶每個監測斷面通常埋設測樁1號,2號,3號,4號,5號共5個,布置A,B,C,D共4條測線,如圖1所示。

6.2 量測數據應用

1)根據現場量測數據繪制時態曲線和空間關系曲線圖。2)根據回歸分析結果選定代表測點的曲線方程,并可根據求導公式計算某一天的位移速率,也可根據極限公式計算其總位移量,通過代表測點的曲線函數方程可消除偶然誤差并推斷出圍巖的穩定情況或估計二次襯砌施作的時機。3)當位移—時間曲線出現反彎點時,則表明圍巖和支護已呈不穩定狀態,此時應密切監視圍巖動態,并加強支護,必要時暫停開挖。

7 仰拱及襯砌施作

在仰拱開挖時,采用跳槽半幅開挖的方式,每次開挖長度不準超過5 m,禁止全幅開挖。靠近拱腳30 cm范圍采用人工修整,嚴格禁止挖機直接對拱腳進行開挖,避免挖機勾碰拱腳,造成坍塌。

在圍巖和初期支護變形基本穩定后進行二次襯砌。在圍巖變形發展加快或不能趨于穩定,出現安全隱患的情況下,采取襯砌緊跟、加強襯砌的措施,必要時采取跳打二襯,按照仰拱與掌子面下臺階的距離控制在30 m以內,襯砌距掌子面的距離控制在70 m以內的要求,確保隧道結構與施工安全。

8 局部坍塌處理及施工要點

當施工不當造成斷層破碎帶局部坍塌時,總的施工原則不變,但應加強超前支護和初期支護的施工力度,并注意對塌空部位及時封閉,及時回填。1)回填可采用漿砌片石回填,但宜在塌空部位出現在側部時采用。拱部塌空時,為保證良好的成拱效果,宜用泵送混凝土回填。2)斷層破碎帶在不影響掌子面施工的前提下應及早進行仰拱施工,使支撐體系形成封閉環,增大結構的承壓能力。3)斷層規模和危險性較大時,應及時對斷層地段整體做好二次襯砌,以保證施工安全。

9 結語

1)斷層破碎帶施工首先要重視超前地質預報,利用地質探測儀、地質素描、超前地質探孔等對前方地質進行預判,提前采取相應措施,指導施工。2)斷層破碎帶施工及時封閉成環是保證洞室穩定、隧道結構安全的重要手段,嚴格控制仰拱距掌子面、襯砌距仰拱的距離。3)斷層破碎圍巖遇水軟化,容易造成坍塌,做好開挖以及襯砌的防排水措施,確保襯砌完成后不出現滲漏水。

[1]王曉明.大斷面淺埋黃土隧道施工技術[J].山西建筑,2009,35(18):314-315.

[2]JTJ 042-94,公路隧道施工技術規范[S].