大跨隧道穿越斷層破碎帶支護及施工技術研究

吳子瀛

(中國建筑第八工程局有限公司文旅博覽投資發展有限公司,上海 200122)

0 引言

由于斷層破碎帶地質條件惡劣、地下水位高、巖層穩定性差等特點,給隧道施工帶來了極大的困難與挑戰。近年來,許多學者就此問題展開了深入的探討。李曉飛[1]利用ANSYS對各種支護進行了數值仿真,得到了以1.5 m間隔 U形鋼支承結構作為支護結構時,其穩定性能最佳。田野[2]從理論和數值仿真兩方面探討了在不同工種條件下,拱架頂塑性區的分配及掌子面穩定。李文華[3]以五峰山洞1號隧道為實例,對斷裂與洞口的相對方位和斷裂傾斜角度等因素的關系進行了較為詳細的研究。鄭書笛[4]重點對超前小導管、超前小導管和雙層超前小導管進行了數值模擬,并對其在穿越斷層破碎帶的情況下的支護作用進行了深入的分析。王文章[5]利用數值仿真與實地測試相結合的方法,對預應力帷幕灌漿在斷層破碎帶中的作用進行了深入的探討。

由于大跨度的隧洞在斷層破碎帶中的建設比較復雜,技術難度較大。在設計和施工中,這是一個十分重要的課題,必須在實踐中進行大量的學習和總結,以豐富設計、施工經驗和相關的理論。

1 隧道概況

該項目隧道主洞內輪廓采用三心圓曲邊墻結構,拱部及邊墻采用R1=840 cm和R2=505 cm半徑的三心圓,仰拱采用R4=2 200 cm圓弧,仰拱與側墻間采用R3=200 cm小半徑圓弧連接,路面以上凈空面積102.64 m2,內輪廓總高10.00 m,內輪廓總寬15.588 m。

2 地質條件

K125+890至K125+940段圍巖主要為斷層破碎帶,以構造角礫巖為主,巖體極破碎,巖質極軟,為主要富水帶,圍巖自穩性極差。地下水總體較發育,主要為基巖裂隙水和斷裂帶富水,開挖時主要呈淋雨狀出水,斷裂帶附近呈涌流狀出水。Rc=35.2 MPa;Kv=0.45;[BQ]=248.1。

3 大跨公路隧道斷層破碎帶支護參數研究

3.1 案例調研

根據我國2010版《公路隧道設計細則》[6]中對跨度的劃分標準,詳見表1。

表1 2010版《公路隧道設計細則》

馬槽仔隧道內輪廓寬度為15.588 m,屬于大跨隧道,應對各地所建大跨公路隧道或鐵路隧道穿越斷層破碎帶進行調研,調研結果如表2所示。

表2 大跨公路隧道斷層破碎帶襯砌主要支護參數調研

3.2 支護參數確定

支護參數選取除考慮現行相關規范的規定外,還需結合地勘資料中斷層破碎帶的圍巖地質特性,并考慮上述調研中的支護參數設計經驗,綜合確定馬槽仔隧道穿越斷層破碎帶時的襯砌支護參數,如表3所示。

表3 馬槽仔隧道復合式襯砌S-Vt支護參數表

4 數值模擬計算[7-8]

4.1 選擇參數

本次數值模擬計算的物理力學參數的選取主要是根據隧道工程地質勘察報告,并參考2018版《公路隧道設計規范》,再結合工程及計算經驗選取,具體參數表見表4,表5。

表4 模型材料物理力學參數值

表5 模型圍巖物理力學參數值

4.2 模型建立

根據2010版《公路隧道設計細則》的要求,圍巖和斷層采用摩爾-庫侖本構模型,結構單元采用彈性本構模型,錨桿通過提高加固區圍巖的黏聚力和內摩擦角來模擬,噴射混凝土,鋼支撐采用梁單元模擬,圍巖,斷層及二襯采用平面應變模擬。初期支護鋼拱架通過提高噴射混凝土的強度值來近似模擬。根據以上材料和屬性建立隧道模型,并考慮雙側壁導坑法施工。

4.3 結果分析

4.3.1 位移分析

在開挖過程中,最大位移出現在施工過程4,為7.7 mm。詳見圖1。

由圖1可知,施工過程中的位移可以滿足設計預留變形量15 cm的要求。

4.3.2 拱頂沉降分析

拱頂沉降計算值與現場實測值見圖2。通過對比發現理論計算最大值約為3.3 mm,略小于實測值,這是由于理論計算并未考慮超前支護的加強作用。同時我們可以發現計算值的變化趨勢與實測值基本相同。

4.3.3 二襯內力分析

在拆除鋼支撐并施做二襯后,最大軸力發生在左側拱墻處,為1 536.5 kN,詳見圖3。最大彎矩也發生在左側拱墻處,為31.36 kN·m,詳見圖4。

根據計算可以發現,二襯砌的裂縫寬度、安全系數都符合設計規范,并且預留了大量的安全儲量,因此,本工程所選用的襯砌支護參數是合理的,足以保證結構的安全。

5 大跨公路隧道穿越斷層破碎帶施工技術要點

5.1 圍巖變形處置

根據調研的結果發現,最常用的開挖工法就是雙側壁導坑法,雙側壁導坑法將大跨施工分解成小跨施工,減少了對圍巖的擾動,可以有效地減少圍巖的變形,是比較理想的開挖工法。在開挖時,應堅持“隨挖隨支護和先噴后錨”的原則,應在爆破、通風后及時對巖面進行初噴,盡快封閉圍巖,控制圍巖的初期變形。初支鋼架應及時落底封閉,鋼架基礎應穩固牢靠,每榀鋼架間用縱向鋼筋連接成整體,以增強鋼架的整體支承能力和抵抗圍巖變形能力。同時必須加強施工過程中的監控量測工作,根據監控量測的結果及時反饋信息,合理修正支護參數,以降低圍巖變形的風險。

5.2 掌子面坍塌處理

為防止開挖引起掌子面坍塌,可采用超前帷幕預注漿,雙層超前小導管注漿進行加固,通過加固圍巖體提高其自身承載力,減少開挖造成的掌子面坍塌的風險。在施工中要嚴格遵循“管超前、嚴注漿、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、緊二襯”的原則,二次襯砌與仰拱施做應緊跟開挖面進行,滿足安全施工要求。同時在施工時必須要嚴格控制好爆破藥量,選擇合理的掏槽形式,控制好鉆爆的參數和起爆的順序,這樣才能更好地降低掌子面坍塌的風險。

5.3 突泥涌水處理

對于斷層破碎帶等易發生突泥涌水地段,應加強施工過程中地下水的探測,加強超前地質預報、超前探水工作。采用TSP法和超前地質探孔相結合的方法進行地質預報工作,探明導水構造和隔水薄弱層的具體位置進而準確掌握涌水量和涌水壓力。通過超前鉆孔,將破碎帶的富存水及水壓排出一部分,降低掌子面突泥涌水的風險。

6 結論

本文通過對類似工程進行調研,采用了工程類比法初步確定了大跨公路隧道穿越斷層破碎帶的襯砌參數,并通過數值計算驗證了參數的安全性和合理性。同時對雙側壁導坑法的開挖過程進行了數值模擬,驗證了它是通過斷層破碎帶比較理想的開挖工法。文章最后對隧道通過斷層破碎帶可能遇到的圍巖變形、突泥涌水、掌子面坍塌等風險提出了相應的處理措施和預防方案。期望能對以后類似工程的設計和施工有所幫助。