仁新高速青山隧道斷層破碎帶施工方法和工藝研究

駱 巍

（保利長大工程有限公司，廣州 511431）

1 隧道斷層基本地質(zhì)情況

仁新高速某標(biāo)段青山隧道起訖樁號(hào)K243+357～K264+000，長2643m，最大埋深約256m，隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道，隧址位于粵湘褶皺帶的交界處，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙揭示，隧道共穿越3 組斷層破碎帶F9、F11、F12，斷層兩側(cè)的影響范圍較大，在影響范圍內(nèi)巖體自穩(wěn)能力差，側(cè)壁穩(wěn)定性差，節(jié)理裂隙密集發(fā)育，巖體破碎，成洞條件差。

2 對(duì)斷層分析研究

2.1 研究方法手段

隧道施工至距設(shè)計(jì)破碎帶50 米時(shí)應(yīng)及時(shí)觀察掌子面圍巖變化，采用TSP203和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，查明破碎帶的準(zhǔn)確位置、巖體破碎程度和含水構(gòu)造情況。在施工斷層的過程中，以量測(cè)數(shù)據(jù)作為指導(dǎo)施工、科學(xué)決策的基礎(chǔ)。量測(cè)項(xiàng)目包含：拱頂下沉、周邊收斂、圍巖與初支接觸壓力、初支與二襯接觸壓力和應(yīng)變。

2.2 數(shù)據(jù)采集

斷層區(qū)間按照每3 米左右布設(shè)變形量測(cè)斷面，采用5 條基線監(jiān)測(cè)圍巖的收斂變形；根據(jù)巖層發(fā)育的實(shí)際情況，每1～2 米范圍測(cè)試圍巖變形和接觸壓力，斷面左右側(cè)各埋設(shè)壓1 個(gè)力盒。對(duì)開挖地段及襯砌地段地應(yīng)力變化進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，二次襯砌中監(jiān)測(cè)斷面以每10 米段設(shè)置1 個(gè)。

2.3 對(duì)擠壓性圍巖大變形組織有關(guān)人員進(jìn)行探討

以南昆鐵路的家竹青隧道為例，家竹青隧道是我國南昆鐵路上的著名險(xiǎn)洞，以高瓦斯、高地應(yīng)力、大涌水而著稱。由于煤系地段軟弱（Ra=1.7MPa），且地應(yīng)力較高（16.09MPa），在390m 長的地段內(nèi)產(chǎn)生了大變形，洞壁位移60～80cm，（最大160cm），拱頂下沉接近100cm。之所以變形這么大，與設(shè)計(jì)階段對(duì)大變形缺乏判斷有關(guān)，當(dāng)時(shí)國內(nèi)對(duì)高地應(yīng)力擠壓性圍巖尚缺乏認(rèn)識(shí)，以為只是一般的軟弱地層，故只采用了一般標(biāo)準(zhǔn)的初期支護(hù)[1]。施工中的變更設(shè)計(jì)是：① 改善洞形，加大邊墻曲率；② 將預(yù)留變形量加大為45cm（拱）及25cm（墻）；③ 系統(tǒng)錨桿加長為8m（后期經(jīng)應(yīng)力量測(cè)，隧道錨桿減為4～7m）；④ 噴混凝土加厚（初噴20cm，復(fù)噴15cm），設(shè)三道縱縫；⑤ 鋼架改為U29 可縮式[1]。

3 通過分析研究達(dá)到如下目的

3.1 對(duì)斷層圍巖特性的深入認(rèn)識(shí)

1）了解圍巖的基本性狀，例如透水性、變形有無規(guī)律、對(duì)次級(jí)構(gòu)造影響有多大等等。

2）掌握挖仰拱時(shí)，接長鋼支撐變形情況。

3）掌握變形與噴射混凝土的關(guān)系。

4）掌握變形與初支的關(guān)系。

5）掌握變形與時(shí)間的關(guān)系。

3.2 通過壓力、變形測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析得出一定的結(jié)論

1）隧道開挖過程對(duì)初支壓力和變形的影響。施工擾動(dòng)是軟弱圍巖中誘發(fā)大變形的原因，一般情況可能會(huì)是掌子面開挖后方10～20m 段對(duì)于各項(xiàng)施工參數(shù)產(chǎn)生影響主要是對(duì)壓力、變形影響較大，更遠(yuǎn)的距離則無較大影響；故仰供施作應(yīng)當(dāng)在鋼支撐完成后及時(shí)跟上，仰供施作完成后，初期支護(hù)成為閉合受力的結(jié)構(gòu)，軟弱圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到了基本穩(wěn)定；初期支護(hù)轉(zhuǎn)換過程中，尤其掌子面開挖擾動(dòng)，影響未施工二襯位置對(duì)軟弱圍巖的變形控制，此時(shí)錨桿的作用尤其重要，關(guān)鍵是系統(tǒng)錨桿的設(shè)計(jì)施工，尤其是長錨桿的運(yùn)用[2]。

2）初支施工后與二次襯砌間接觸壓力的變化。有可能仰拱與邊墻接頭處存在壓力集中、斷面突變的現(xiàn)象；在收斂速率大于規(guī)范要求的速率情況下提前施做的二襯，通過監(jiān)測(cè)，二次襯砌受力較小，初期支護(hù)基本會(huì)處于良好的工作狀態(tài)。在初期支護(hù)和二次襯砌間埋設(shè)測(cè)試壓力盒，在假定二次襯砌和初期支護(hù)是全面接觸的，隧道結(jié)構(gòu)屬深埋無明顯偏壓作用，襯砌結(jié)構(gòu)剛度在整個(gè)斷面上是均勻的、鋼筋混凝土按28 天后強(qiáng)度計(jì)算，所得的壓力值在全斷面上若是均勻變化的，取其最大值作為主要荷載，對(duì)模筑鋼筋混凝土的承載力、變形、斜截面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，安全度應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

4 采取的主要工程措施

依據(jù)初步掌握的斷層的圍巖特性和變形規(guī)律和我們過往的施工經(jīng)驗(yàn)，擬采取以下的主要工程措施。

1）通過一段時(shí)間施工后，利用量測(cè)成果得出一定的圍巖變形規(guī)律，要對(duì)變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)，留足變形量，否則二次拆換很費(fèi)勁。

2）短臺(tái)階。上下臺(tái)階保持5～7m，上臺(tái)階留核心土。

3）強(qiáng)支護(hù)。初期支護(hù)、二次襯砌足夠強(qiáng)，允許發(fā)生變形，但須及時(shí)有效約束。

4）早封閉。早封閉對(duì)強(qiáng)支護(hù)起至關(guān)重要作用，保證仰拱距離下臺(tái)階為15-20m。

5）勤量測(cè)。監(jiān)控量測(cè)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，作為主要工序來安排和管理，及時(shí)分析及時(shí)反饋。

6）重視錨桿的作用，確保注錨的質(zhì)量。

7）快襯砌：斷層破碎帶圍巖擠壓力較大，變形時(shí)間久，通過快襯砌，用強(qiáng)的二襯結(jié)構(gòu)抵抗余存的變形壓力。

8）施作到位，施工中實(shí)施全程監(jiān)控，確保注錨質(zhì)量、鋼支撐穩(wěn)定、接板連接牢固、鋼架與圍巖間密貼、噴射混凝土厚度達(dá)標(biāo)等，特別注重細(xì)節(jié)，每道工序嚴(yán)格把控。

5 制定相應(yīng)的具體施工對(duì)策

依據(jù)前期施工的經(jīng)驗(yàn)和通過科學(xué)手段獲取的斷層圍巖的一些特性和規(guī)律，應(yīng)及時(shí)對(duì)斷層的施工工藝和方法、施工流程、管理措施等方面做出以下調(diào)整：

1）根據(jù)圍巖情況調(diào)整支護(hù)參數(shù)并進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

2）減小超前小導(dǎo)管環(huán)向間距，增加導(dǎo)管數(shù)量；導(dǎo)管的搭接長度可適當(dāng)加長。

3）初期支護(hù)的型鋼可加大，且型鋼的間距可縮小，甚至可采取雙層型鋼支護(hù)。

4）增加預(yù)留變形量，確保二次初期支護(hù)的空間。

5）加長初期支護(hù)的系統(tǒng)錨桿長度；每榀型鋼增設(shè)鎖腳錨桿數(shù)量。

6）加厚二次襯砌的厚度，主筋的縱向間距縮小，主筋加密，或在鋼筋中間加設(shè)型鋼。

6 擬制定出符合斷層巖性特征的施工方法和工藝

1）施工方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我部建議施工采用上下短臺(tái)階法，上臺(tái)階的長度控制在6m；下臺(tái)階長度控制在18m，掌子面距離二襯距離嚴(yán)格按規(guī)范要求控制。上下臺(tái)階的劃分高度保證施工作業(yè)要求。重視現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，依據(jù)每日量測(cè)情況來調(diào)整施工工序，根據(jù)不同的情況，分別采用超前支護(hù)預(yù)注漿、局部斷面預(yù)注漿等注漿方式、全斷面周邊預(yù)注漿、全斷面帷幕預(yù)注漿等措施施工，將地下水盡可能封堵在圍巖內(nèi)，以確保施工及結(jié)構(gòu)的安全。。

2）施工工藝。掌子面開挖采用人工風(fēng)鉆完成開挖掌子面和施工錨桿。初支噴射混凝土采用濕噴機(jī)保證初支混凝土強(qiáng)度；掌子面扒渣、裝渣、挖仰拱、找頂均采用挖掘機(jī)來完成，配備6 臺(tái)20 噸的自卸卡車來完成洞內(nèi)石渣的運(yùn)輸任務(wù)；仰拱施做要一次性施工到位，單次施工長度不超6m，不能左右分段施工，施工時(shí)采用棧橋鋪通運(yùn)輸通道，不影響前方掌子面的施工，基本可以和前方掌子面出渣或者進(jìn)料平行進(jìn)行。

7 結(jié)語

本文通過對(duì)仁新高速青山隧道斷層破碎帶工程的應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了斷層破碎帶的施工方法。目前仁新高速已建成通車，施工過程未出現(xiàn)坍塌、涌水、突泥等質(zhì)量問題，實(shí)踐證明，通過對(duì)斷層破碎帶的深入研究分析，制定的斷層巖性特征的施工方法和工藝可靠，達(dá)到預(yù)期施工目的，可在同類隧道中推廣應(yīng)用。