護(hù)坑隧道斷層破碎帶施工技術(shù)

賀慶華

護(hù)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(jié)理裂隙發(fā)育,層面交錯(cuò),遇水易軟化,巖體破碎,巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)。地下水以淋雨和線流狀為主,致使圍巖自穩(wěn)能力極差,成型困難。

針對這種情況,斷層施工遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測”的基本原則,在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下,采用在拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)固結(jié)圍巖的保護(hù)下,采用三臺階七步流水作業(yè)法進(jìn)行施工。拱部預(yù)留核心土,周邊采用風(fēng)鎬開挖,核心土及中下臺階采用CAT320挖掘機(jī)開挖。

1 斷層的超前預(yù)報(bào)

1.1 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

采用TGP206型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(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(fā)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(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等,會(huì)產(chǎn)生彈性波的反射現(xiàn)象,這種反射波被布置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置接收下來,輸入到儀器中進(jìn)行信號的放大、數(shù)字采集和處理,實(shí)現(xiàn)拾取掌子面前方巖體中的反射波信息,以準(zhǔn)確掌握前方斷層破碎帶的詳細(xì)情況以及圍巖節(jié)理裂隙、破碎的發(fā)育程度。

1.2 工程地質(zhì)法

根據(jù)地質(zhì)資料結(jié)合實(shí)際地質(zhì)對每循環(huán)開挖掌子面地質(zhì)素描,進(jìn)行初步的地質(zhì)分析。斷層帶在隧道中是有一定延伸長度的,斷層的出現(xiàn)也有一個(gè)由小到大的過程,若隧道局部圍巖破碎、石質(zhì)較差,且圍巖軟硬分界明顯,應(yīng)小心對待,可根據(jù)巖層的走向、傾角等預(yù)測前方可能出現(xiàn)的斷層破碎帶。

1.3 超前地質(zhì)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(jìn)行鉆孔(即使洞身周邊出現(xiàn)涌水、涌泥、坍塌等不良地質(zhì)還能保證2 m以上止?jié){墻),根據(jù)巖芯和鉆進(jìn)過程中的巖粉、鉆速和水質(zhì)情況,判斷前方水文、地質(zhì)條件。

2 超前小導(dǎo)管施工

對松軟巖體,采用YT-28型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)直接推送,如遇夾有堅(jiān)硬巖石處,先用YT-28型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆眼成孔后再推進(jìn)就位。

在施作小導(dǎo)管前應(yīng)注意:第一,噴3 cm～5 cm厚混凝土封閉掌子面作為止?jié){墻,為注漿作好準(zhǔn)備工作;第二,準(zhǔn)確測量隧道中心線和高程,并按設(shè)計(jì)標(biāo)出小導(dǎo)管的位置,誤差±15 mm;第三,用線繩定出隧道中心面,隨時(shí)用鋼尺檢查鉆孔或推進(jìn)小導(dǎo)管的方向,以控制外插角達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn);第四,施工順序?yàn)閺膬蓚?cè)拱腰向拱頂進(jìn)行,為提前注漿留好作業(yè)空間。

選用UB6型注漿泵注漿,采用漿液攪拌桶制漿。為防止?jié){液從其他孔眼溢出,注漿前對所有孔眼安裝止?jié){塞,注漿順序從兩側(cè)拱腳向拱頂進(jìn)行。注漿時(shí)相鄰孔眼需間隔開,不能連續(xù)注漿,以確保固結(jié)效果,又達(dá)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(yè)法進(jìn)行施工,為控制超欠挖及減少對圍巖的擾動(dòng),拱部弧形及邊墻周邊均采用風(fēng)鎬分臺階開挖,核心土及中下臺階均采用挖掘機(jī)開挖,開挖進(jìn)尺根據(jù)圍巖穩(wěn)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(hù)

4.1 初期支護(hù)參數(shù)

系統(tǒng)錨桿采用4 m/根智能中空注漿錨桿及8 m/根的自進(jìn)式錨桿,縱向、環(huán)向間距為60 cm×80 cm,梅花形布置,采用自進(jìn)式長錨桿和智能中空注漿錨桿主動(dòng)約束洞周變形。全環(huán)設(shè)置 U25可縮型鋼架,間距60 cm,U形鋼每側(cè)拱腳設(shè)3 m/根的φ 25藥卷錨桿,按梅花形布置在U形鋼的兩側(cè);鋼纖維噴射混凝土厚25 cm。預(yù)留變形量為35 cm,擴(kuò)大開挖斷面,加大預(yù)留變形量,以適應(yīng)圍巖變形。

4.2 鋼拱架支護(hù)

鋼架支護(hù)是通過斷層破碎帶時(shí)必不可少的措施之一。鋼架支護(hù)可以加強(qiáng)初期支護(hù),減少圍巖變形,并為超前支護(hù)提供可靠的支點(diǎn)。U形鋼按設(shè)計(jì)要求分節(jié)加工成型,U形鋼分節(jié)間采用U形螺栓連接。1)U形鋼嚴(yán)格按設(shè)計(jì)間距架立。2)為充分發(fā)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(shí),嚴(yán)格控制左、右拱腳標(biāo)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(shí)間,防止圍巖進(jìn)一步風(fēng)化,必須先初噴混凝土4 cm厚封閉圍巖;待U形鋼安設(shè)好后,再噴混凝土10 cm～12 cm;最后在下一循環(huán)噴射混凝土?xí)r分兩次噴射至設(shè)計(jì)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(dòng),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(xiàn)的大面積滲漏水時(shí),宜采用鉆孔預(yù)埋小導(dǎo)管或者PVC管集中匯流引入排水溝,并應(yīng)對鉆孔部位、數(shù)量、孔徑、深度、方向和滲水量做記錄,據(jù)以確定在襯砌時(shí)設(shè)置拱墻背后的排水設(shè)施。

6 圍巖監(jiān)控量測

6.1 監(jiān)控量測安設(shè)要求

初期支護(hù)完成后,在拱頂、拱腳及邊墻的內(nèi)軌頂面標(biāo)高處埋設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂量測,以防振動(dòng)影響量測結(jié)果。量測頻率開始6 h觀測1次,然后根據(jù)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(jù)量測結(jié)果及時(shí)調(diào)整工序及預(yù)留變形量、開挖進(jìn)尺等,便于指導(dǎo)施工,確保施工安全。斷層破碎帶量測點(diǎn)間距每隔3 m布設(shè)1組。

在斷層破碎帶每個(gè)監(jiān)測斷面通常埋設(shè)測樁1號,2號,3號,4號,5號共5個(gè),布置A,B,C,D共4條測線,如圖1所示。

6.2 量測數(shù)據(jù)應(yīng)用

1)根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)繪制時(shí)態(tài)曲線和空間關(guān)系曲線圖。2)根據(jù)回歸分析結(jié)果選定代表測點(diǎn)的曲線方程,并可根據(jù)求導(dǎo)公式計(jì)算某一天的位移速率,也可根據(jù)極限公式計(jì)算其總位移量,通過代表測點(diǎn)的曲線函數(shù)方程可消除偶然誤差并推斷出圍巖的穩(wěn)定情況或估計(jì)二次襯砌施作的時(shí)機(jī)。3)當(dāng)位移—時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí),則表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)應(yīng)密切監(jiān)視圍巖動(dòng)態(tài),并加強(qiáng)支護(hù),必要時(shí)暫停開挖。

7 仰拱及襯砌施作

在仰拱開挖時(shí),采用跳槽半幅開挖的方式,每次開挖長度不準(zhǔn)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(yán)格禁止挖機(jī)直接對拱腳進(jìn)行開挖,避免挖機(jī)勾碰拱腳,造成坍塌。

在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后進(jìn)行二次襯砌。在圍巖變形發(fā)展加快或不能趨于穩(wěn)定,出現(xiàn)安全隱患的情況下,采取襯砌緊跟、加強(qiáng)襯砌的措施,必要時(shí)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(nèi),襯砌距掌子面的距離控制在70 m以內(nèi)的要求,確保隧道結(jié)構(gòu)與施工安全。

8 局部坍塌處理及施工要點(diǎn)

當(dāng)施工不當(dāng)造成斷層破碎帶局部坍塌時(shí),總的施工原則不變,但應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)的施工力度,并注意對塌空部位及時(shí)封閉,及時(shí)回填。1)回填可采用漿砌片石回填,但宜在塌空部位出現(xiàn)在側(cè)部時(shí)采用。拱部塌空時(shí),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(yīng)及早進(jìn)行仰拱施工,使支撐體系形成封閉環(huán),增大結(jié)構(gòu)的承壓能力。3)斷層規(guī)模和危險(xiǎn)性較大時(shí),應(yīng)及時(shí)對斷層地段整體做好二次襯砌,以保證施工安全。

9 結(jié)語

1)斷層破碎帶施工首先要重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào),利用地質(zhì)探測儀、地質(zhì)素描、超前地質(zhì)探孔等對前方地質(zhì)進(jìn)行預(yù)判,提前采取相應(yīng)措施,指導(dǎo)施工。2)斷層破碎帶施工及時(shí)封閉成環(huán)是保證洞室穩(wěn)定、隧道結(jié)構(gòu)安全的重要手段,嚴(yán)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(xiàn)滲漏水。

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

[2]JTJ 042-94,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].