隧道穿越活動斷裂帶施工技術

趙明華

（中鐵十六局集團第二工程有限公司,天津市 300162）

隧道穿越活動斷裂帶施工技術

趙明華

（中鐵十六局集團第二工程有限公司,天津市 300162）

隨著我國鐵路事業的迅速發展,鐵路隧道的建設需求和重要性日益明顯。由于我國地域廣闊,在線路選擇過程中,隧道難以避免會穿越斷裂破碎帶,從而導致施工難度大,難以確保施工安全。現以柿子園工程為例,針對工程施工技術難點,從超前地質預報、超前支護小導管、三臺階開挖法、初期支護、組合中空錨桿、鋼花管系統錨管、鋼筋網片、鋼架施工和圍巖監控量測等幾個方面,闡述隧道穿越活動斷裂帶的施工技術,為同類工程提供借鑒和參考。

仰拱開挖；超前小導管；鋼筋網片；活動斷裂帶

1 工程概況

新建成都至蘭州鐵路成都至川主寺段（黃勝關）鐵路柿子園隧道,地處四川省安縣境內。柿子園隧道全長14.069 km,龍門山前山斷裂帶體系中彭縣-灌縣活動斷裂帶位于柿子園隧道進口工區,全長130 m,巖層擠壓扭曲嚴重、地應力大、節理極其發育、裂隙水發育,施工難點較大,需要采取適當的施工方法和加固措施,確保施工安全和后期運營安全、穩定。

2 施工技術難點

隧道穿越龍門山前山斷裂帶,太平場倒轉向斜構中央斷裂帶、龍門山中央斷裂帶,每個構造體系中斷層、褶皺極其發育,巖層多陡傾、直立或倒轉,地質構造十分復雜,發育有13條斷層,5條向斜,4條背斜。不良地質為活動斷裂、巖溶、有害氣體、泥石流、危巖落石、高地應力,施工中可能會發生突水、突泥等自然災害,再加上“5.12”地震后影響顯著,施工中存在諸多不確定性,因此確保施工安全是該項工程的難點。

3 施工工藝

3.1 超前地質預報

活動斷裂帶施工超前地質預報工作采用多種物探方法,主要有鉆探法、TSP、紅外探水、地質雷達、瞬變電磁等方法探明前方破碎帶寬度、破碎程度、含水性,得出綜合分析結論,保證圍巖情況預判的準確性。鉆探法布置超前水平鉆孔3孔,其中1孔取芯,另外2孔作為超前探孔。

引進隧道掌子面地質信息系統（TFGIS V1.0）技術,對隧道前方圍巖地質變化趨勢自動分析,并作出圍巖穩定性綜合評價。該系統采用高清數碼成像技術與軟件自動分析技術相結合,將隧道掌子面照片輸入計算機,用軟件自動識別節理、裂隙、地層分界線,巖性變化分界線等結構面自動提取邊界,根據邊界數量和邊界位置做出綜合評價[1]。

3.2 超前支護小導管施工

超前支護措施采用常規處理辦法,小導管超前預注漿措施加固活動斷裂帶巖體,拱部120°范圍采用42超前小導管,單根長度4.5 m,每環布置38根,環向間距0.4 m,縱向間距3.2 m。

為充分發揮機械效能,加快注漿進度,在小導管前安設分漿器,一次可注入3～5根小導管。在施工過程中,有效地控制注漿壓力、注漿量,開挖揭示很好地加固了活動斷裂帶破碎巖體,確保了開挖施工圍巖初期的穩定性、安全性。

3.3 開挖方法及工藝

柿子園隧道進口活動斷裂帶設計斷面為近圓形輪廓,更好地保證結構的受力,其斷面比普通隧道開挖斷面擴挖30～50 cm,作為補強空間；預留變形量10～15 cm,采用三臺階法開挖。

3.3.1 鉆爆設計與施工

柿子園隧道活動斷裂帶開挖鉆爆設計按照V級圍巖弱爆破設計,采用光面水壓爆破技術。斷層影響帶和斷層破碎帶圍巖極為破碎,多采用機械開挖方式,減少了對圍巖擾動,有效地避免了塌方、突水突泥等事故的發生。

3.3.1.1 鉆眼

采用簡易鉆孔臺架作為施工平臺,YT-28手持式風鉆鉆眼,鉆爆參數為:掏槽眼眼深0.9 m,其它炮眼深0.8 m,計劃循環進尺0.6 m。周邊眼保持5%的外插角,各炮眼的間距、排距應嚴格按照鉆爆設計圖控制,保證爆破效果。

3.3.1.2 裝藥

3.3.1.3 起爆

采用非電毫秒雷管起爆。在周邊眼采用導爆索裝藥結構時,采用導爆索起爆。起爆網路由不少于兩位有經驗的爆破員組成,敷設線路與交底核對,對起爆材料進行全面檢查；起爆前,進行警戒,所有人員撤離至不受有害氣體、振動及飛石傷害的安全地點；起爆后,經原裝藥爆破人員檢查確認無瞎炮或其他險情后,方可解除安全警戒。

起爆順序:掏槽眼→輔助眼→內圈眼→周邊眼→底板眼。

3.3.2 仰拱開挖

由于斷面輪廓改變為近圓形,仰拱開挖深度比普通斷面深,最大深度達到2.8 m,且斷面大,開挖時影響拱墻支護鋼架的穩定性。開挖前,須檢查邊墻腳處的鎖腳錨管質量是否符合設計要求,保證作業安全。斷層帶巖體比較破碎,采用機械開挖方式進行仰拱開挖,局部硬質巖采用弱爆破,每循環進尺不大于3 m。先進行測量放樣,避免超挖或欠挖。開挖時,應減少對圍巖的擾動,對掌子面前方的施工用水或掌子面滲水進行引排,禁止流入仰拱基底侵泡軟化巖層,杜絕引起邊墻腳鋼架失穩。在開挖完成后,清理仰拱基底內的虛碴。開挖過程中應嚴格控制循環進尺,快速將支護鋼架封閉成環,快速將初期支護封閉[2]。

3.4 初期支護

開挖后及時進行初期支護,并封閉成環,加強支護采用I20b工字鋼,全環0.6 m/榀,鋼架分節長度及接頭連接參見“成蘭隧參（11）07-25-02～06”,拱腳和邊墻腳設置[28a墊槽鋼,在拱腳和變墻角設置Ф42鎖腳錨管,每處兩根,長5 m。拱墻設置系統錨桿,活動斷裂兩側影響帶拱部120°采用Ф22組合中空錨桿,邊墻采用Ф22全長粘結砂漿錨桿,長度4 m,間距環向1.2 m×縱向1.0 m。全環掛設鋼筋網采用8圓鋼,網格尺寸20 cm× 20 cm,噴射早高強C30纖維混凝土,厚度27 cm。

3.5 組合中空錨桿施工

按設計圖要求在初噴混凝土面上進行布孔。開挖初噴后,必須盡快利用人工手持風鉆在簡易臺架上進行鉆孔,成孔后采用高壓風吹洗清孔,檢查錨桿孔位間距、深度、角度是否符合要求,深度誤差不大于±50 mm,發現不合格鉆孔應廢棄重鉆。桿體插入錨桿孔時,保持位置居中,錨桿桿體露出混凝土面不大于噴層厚度,然后復噴至設計圖標示厚度。有水地段先引出孔內的水或在附近另行鉆孔再安裝錨桿。

采用注漿機注漿,注漿壓力為1.0～1.5 MPa,一般按單管達到設計圖標示注漿量作為結束標準。當注漿壓力達到終壓不少于20 min,進漿量仍達不到注漿終量時,亦可結束注漿。注漿結束后,將管口封堵,以防漿液倒流管外。錨桿墊板與孔口混凝土密貼,并隨時檢查錨桿頭的變形情況,緊固墊板螺帽。

3.6 鋼花管系統錨管施工

活動斷裂帶核部（D2K76+950～+980）采用鋼花管系統錨管代替組合中空錨桿和砂漿錨桿,全環布置,長4.5 m,加固隧道周邊破碎帶圍巖。

施工方法:按設計圖要求在初噴混凝土面上進行布孔,采用人工風槍在簡易作業臺架上按孔位鉆孔,成孔后采用高壓風吹洗清孔,鉆孔深度4.5 m,縱向間距1.2 m,環向間距1.0 m,梅花形布置。鉆孔結束后,檢查錨管孔位間距、深度、角度是否符合要求,深度誤差不大于±50 mm,孔位允許偏差10 cm,發現不合格鉆孔應廢棄重鉆,插入鋼花管時居中,外露長度為混凝土噴射厚度。

3.7 鋼筋網片施工

安裝網片在初噴后進行,鋼筋網片隨初噴面得起伏鋪設,與受噴面的間隙一般不小于4 cm,焊接固定于先期施工的系統錨桿之上,再把鋼筋片焊接成網,網片搭接長度為1～2個網格。網格間距20 cm×20 cm。在初期支護變形縫處,將鋼筋網片在同一截面斷開[3]。

3.8 鋼架施工

鋼架在拱架加工廠按照設計尺寸加工,并試拼合格后,運輸至隧道內,安裝前先準確定出每榀鋼架的位置,清理拱角或墻角的松碴,處理欠挖部位至設計斷面,型鋼鋼架按設計位置拼裝,型鋼鋼架與封閉混凝土之間間隙大時增設C15混凝土墊塊定位,兩排鋼架間縱向按設計要求用鋼筋聯接,形成縱向連接體系。鋼架安裝完成后,打設鎖腳錨桿或鎖腳鋼管焊接牢固,使之成為整體結構。在初期支護變形縫處,將鋼架連接筋在同一截面斷開。施工工藝流程圖如圖1所示。

圖1 鋼架施工工藝流程圖

3.9 圍巖監控量測

圍巖及初支變形量測是施工管理中的一個重要環節,是施工安全和質量的保障。凈空變化、拱頂下沉量測項目應設置在同一斷面,以便于掌握變形規律。測點及側線布設應符合《鐵路隧道監控量測規程》的要求,采用無接觸量測技術。

活動斷裂帶圍巖監控量測采用新技術:SAA（陣列式位移計和空間形態監測系統）,其采用微機電感應方式和陣列式計算原理,可實時獲取連續變形曲線,SAA陣列式位移計是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結構內的變形監測傳感器。

采用凈空變形量測和結構壓力、應力等常規安全監測手段,分析了F7斷層圍巖的穩定性和對施工的影響,以及斷層段圍巖、初期支護、二次襯砌等變形特征,并提出施工建議,研究主要針對斷裂帶圍巖壓力和巖性的影響,而非斷裂帶運動的影響。

4 結論

綜上所述,該段活動斷裂帶安全、如期、順利地通過了施工,結合施工中存在的問題和已克服的施工難題,總結以下幾點施工經驗:

（1）做好超前地質預報工作,利用好現有先進地質預報技術手段,準確地判識前方圍巖情況,并結合掌子面開挖揭示圍巖情況進行驗證,做好超前支護工作,結合設計參數及開挖揭示圍巖穩定性情況,查找不足、總結經驗參數,摸索出針對此活動斷裂帶圍巖最佳的注漿壓力、注漿量等參數,真正達到了圍巖超前支護效果。

（2）開挖方法采用弱爆破輔助以機械人工開挖相結合,減少對圍巖的擾動,對圍巖的穩定性起到保護作用。

（3）采用短進尺、強支護、勤量測、緊跟襯砌的方法有效地控制圍巖變形,確保圍巖的穩定性和施工安全,采用5 m的小型襯砌臺車,保證變形縫的設置,襯砌的高效緊跟,盡量縮小安全步距。

（4）控制好圍巖裂隙水和施工用水的引排工作,減少水對圍巖和支護的影響,確保活動斷裂帶施工的安全和高效。

[1]李林.隧道穿越斷裂帶地震響應特性及抗震措施研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[2]許丁予.高鐵隧道工程穿越汶川地震斷裂帶抗錯動機理與設計參數研究[D].北京:北京交通大學,2015.

[3]蔣樹屏,李鵬,林志.穿越活動斷層區隧道的抗斷設計對策[J].重慶交通大學學報（自然科學版）,2008,27（06）:1034-1036, 1041.

廣西河百高速公路完成投資70億元

廣西河池至百色高速公路（河池段）目前全線征地工作絕大部分已經完成,項目開工累計完成投資70億元,占投資概算的51.3%。賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）,初步設計完成獲批后將開展施工招投標工作,計劃今年9月實質性動工。樂業至百色高速公路（天峨段）,施工單位已進場進行駐地建設。

U455.49

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1009-7716（2017）07-0175-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.053

2017-03-17

趙明華(1982-),男,黑龍江綏化人,工程師,從事土建施工技術工作。