胡家灣隧道斷層破碎帶擠壓性圍巖變形控制技術

張秀良

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

蘭渝鐵路蘭廣段隧道地層巖性變化大，地質構造十分復雜[1]，地應力水平屬高-極高，受多期強烈變形和極低級變質作用改造、構造、斷層、高地應力和地下水等多種因素的影響，形成包括斷層破碎帶在內的軟弱圍巖大變形，給施工和結構安全帶來極大隱患[2-3]。如何控制斷層破碎帶擠壓性圍巖大變形成為蘭渝建設者面臨的一大技術難題。

1 工程背景

1.1 隧道概況

蘭渝鐵路胡家灣隧道全長2 862 m(起訖里程DK153+005～DK155+867)，為雙線隧道，最大埋深420 m。工程區域大地構造劃分屬于秦嶺褶皺系禮縣-柞水冒地槽褶皺帶。該隧道穿越臨夏-漳縣-天水(F1)斷層束之f6、f7、f7-1三個斷層破碎帶。根據蘭渝線沿線地殼應力測量結果，本隧道處于高地應力區，斷層破碎帶圍巖軟弱，有產生較大位移等收斂變形可能。

隧道按噴錨構筑法技術要求設計，隧道初期支護采用噴錨支護[4]，曲墻帶仰拱復合式襯砌，斷層破碎帶圍巖支護參數見表1、表2。

表1 胡家灣隧道Ⅴ級圍巖復合式襯砌斷面支護參數

表2 胡家灣隧道Ⅴ級圍巖超前支護參數

1.2 斷層地質特征

隧道先后穿越f6、f7、f7-1三個壓扭性逆斷層，斷層破碎帶寬度在260～333 m之間。受構造影響嚴重，相鄰斷層影響帶巖體受擠壓破碎無明顯分界，形成了連續長2 437 m斷裂帶。

f6斷層(DK153+470～DK153+800)破碎帶巖性為壓碎石灰巖、砂巖、頁巖，青灰、灰黑色，局部夾有斷層角礫，巖體極破碎，巖體擠壓后產狀凌亂，揉皺、褶皺明顯，掌子面普遍有滲水。

f7斷層(DK154+270～DK154+530)破碎帶巖性為以斷層角礫為主，原巖以炭質頁巖為主，灰黑色，呈泥礫狀，巖體極破碎，圍巖自穩能力極差。

f7-1斷層(DK154+916～DK155+178)破碎帶巖性為以石灰巖夾炭質頁巖擠壓破碎形成的斷層角礫、泥礫為主。

1.3 地下水

斷層破碎帶及其影響帶地下水以構造裂隙水為主，大氣降水補給。掌子面普遍滲水，常有股狀水涌出[5]，最大涌水量為480 m3/h。

1.4 地震活動

本隧道處于較活躍地震帶上，施工期經歷兩次超過4.5級以上的地震。

2 現場圍巖變形情況

隧道穿越斷層破碎帶采用三臺階七步開挖法施工[6]。如表3所示，施工期間對斷層破碎帶11個斷面變形量測得知日平均沉降量19.98 mm/d，最大單日沉降量達108 mm/d(地震當日突發沉降量達300 mm/d)，累計變形量250～900 mm。

表3 斷層破碎帶擠壓性圍巖變形量測統計

(1)垂直沉降大于水平收斂，以拱部下沉為主[7]，如圖1所示。

圖1 原設計(DK154+474)斷面沉降收斂

(2)變形量(以垂直沉降為主)大于常規設計表1和國內常規支護條件下表4雙線隧道的預留變形量上限30 cm，屬于高地應力作用下發生的擠壓性圍巖大變形[8]。

表4 鐵路隧道相對變形的臨界值 cm

(3)受地震影響大，變形呈突發性增大。

(4)受地下水影響大。原巖為硬巖地段以涌水涌泥為主，拱部圍巖掏空下沉，如圖2所示。原巖為軟巖地段軟化、泥化降低巖體承載力更為突出，變形時間長，累計變形量大。

圖2 股狀水攜帶碎石塊涌出致拱部初期支護下沉

(5)圍巖大變形致初期支護表面開裂、鋼架扭曲、初期支護侵限等現象[9]，如圖3所示。

圖3 侵入二襯限界初期支護拆換

3 圍巖大變形控制技術

3.1 提高破碎圍巖體強度

(1)針對拱部下沉量大、易失穩，采取大管棚+密排小導管對圍巖超前支護加固，主要技術參數:φ108鋼管，L=15 m，環向間距0.4 m；φ42小導管L=2.6 m，環向間距0.2～0.3 m，縱向間距1.0 m，注1∶1水泥漿。

(2)初期支護封閉后，及時對拱墻圍巖進行徑向注漿加固[10]。主要技術參數:φ42小導管(注漿花管)，L=4 m，間距1.2 m×1.5 m(環向×縱向)，注1∶1水泥漿。

(3)超前管棚設置洞內管棚導向墻，精確定位鋼管位置，鋼管外插角宜為5°～10°，確保管棚整體有效長度。

(4)在類似巖體中進行鉆孔及注漿試驗，驗證注漿擴散范圍，確定徑向導管間距、注漿(時間及壓力)技術參數。

(5)盡量沿垂直洞壁方向打設徑向注漿導管，確保對破碎巖體加固厚度。徑向導管應盡量靠鋼架布置，使其與鋼架焊接連接一體，以發揮支護與巖體的共同作用。按由下向上、從邊墻往拱頂順序注漿[11]。

3.2 提高初期支護承載

采用 25b或H175型鋼鋼架，間距1榀/0.5 m，鎖腳采用8根R32自進式錨桿L=6 m；全環噴砼35 cm厚、雙層 φ8鋼架網，加大初期支護剛度、強度。

鋼架連接處是初支鋼架的薄弱環節，節段間嚴禁采用焊接，保證連接板與型鋼的焊接質量、螺栓本身及安裝質量，按設計施設鎖腳錨桿(管)與鋼架連接牢固[12]。

3.3 預留變形量的調整

對于截面大于 20b工字鋼型鋼鋼架，當圍巖變形<40 cm時，將常規設計預留變形量15 cm調整為40 cm。依現場圍巖變形量測結果，結合掌子面巖體破碎程度預判設置下一循環預留變形量，常規設計Ⅴ級圍巖允許變形量值≤40 cm。

3.4 優化開挖工法

f6斷層破碎帶采用如圖4所示微臺階臨時仰拱，f7斷層破碎帶采用如圖5所示四部CRD工法。

圖4 上臺階臨時仰拱工序示意

圖5 四部CRD施工工序示意

(1)上臺階高度以人工安裝拱架體力舒適為尺度，控制在2.5 m以內。

(2)循環進尺:拱部1榀鋼架間距，邊墻不超過2榀鋼架間距。

(3)開挖后及時初噴巖面3 cm厚封閉，防止破碎帶巖面因風化、水分軟化、卸荷、膨脹等而降低強度，惡化圍巖條件。

(4)同斷面臨時支護與永久支護同時施作，且相互連接牢固。

(5)各部鋼架拱腳必須設置鎖腳錨桿(管)，且與拱架連接牢固。

3.5 變形控制效果

如圖6所示，采取上述控變措施后，現場量測變形值均<30 cm，基本控制住大變形，避免了初期支護侵限拆換、失穩，達到了預期的大變形控制目的。

圖6 采取控變措施后的(DK154+430)斷面沉降收斂

4 結束語

(1)不論是硬巖還是軟巖，受青藏高原東北緣持續擠壓影響，斷層破碎帶巖體受擠壓后產狀凌亂，揉皺、褶皺明顯，巖體極為破碎。圍巖強度極低、軟弱，在高地應力、地下水、地震等多種不利因素影響下極易產生大變形。

(2)胡家灣隧道現場施工及研究證明，通過“圍巖加固+初期支護(剛度和強度)加強+調增預留變形量+優化開挖工法”等一系列控變技術措施，能夠避免初期支護侵限拆換、失穩現象的出現，斷層破碎帶擠壓性圍巖大變形控制取得明顯效果。總結形成斷層破碎帶擠壓性圍巖大變形控制技術在其他類似地層施工中可推廣借鑒。