富水超基性巖蝕變帶隧道施工技術(shù)研究

李 飛

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111000)

1 工程概況

安定隧道位于南溪河站～墨江站區(qū)間，處于滇西南地區(qū)哀牢山脈，屬于構(gòu)造剝蝕中低山地貌，受構(gòu)造侵蝕作用，地形起伏大，地表溝谷縱橫，十分發(fā)育[1]。安定隧道是全線最長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)17 476 m，為單面上坡，除進(jìn)口段1.2 km位于曲線外，其余地段均為直線。洞身主要穿越3套地層。一是三疊系路馬組(T3lm)以砂巖、泥巖為主；二是志留系中下統(tǒng)(S1-2)以頁(yè)巖、炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖為主。三是燕山期侵入()超基性巖及斷層角礫(Fbr)。全隧發(fā)育斷層20條、向斜2條。

2 侵入巖類(lèi)型及施工難點(diǎn)分析

2.1 富水地段侵入巖

該段揭示巖性為超基性巖(橄欖巖)和泥巖，橄欖巖為橄欖色，粗粒結(jié)構(gòu)，含黑色云母片，塊狀構(gòu)造，受構(gòu)造影響巖體破碎，呈碎塊、角礫狀，部分呈塊狀結(jié)構(gòu)；泥巖為灰綠色，呈土塊狀，粘性強(qiáng)、表面光滑，用手可搓成條，遇水極易軟化變形，主要分布于左側(cè)和右側(cè)拱部開(kāi)挖輪廓線附近[2]。圍巖整體強(qiáng)度低，軟弱，自穩(wěn)性差，呈角礫、碎石狀松散富水結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖易坍塌或大變形。拱部脫空，初期支護(hù)收斂變形明顯。具體形態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 富水地段的侵入巖

2.2 侵入巖與砂巖接觸帶

安定隧道九甲安定斷裂處埋深350 m，小里程端為三疊系地層，以砂巖、泥巖為主，圍巖相對(duì)隔水；大里程為燕山期超基性巖地層[3]，以蝕變的橄欖巖、蛇紋巖為主，軟弱富水；在施工至此斷裂帶時(shí)，出現(xiàn)承壓水，水壓大于2 MPa，水平射距超過(guò)30 m。通過(guò)流量計(jì)顯示水流量達(dá)1 800m3/h，水質(zhì)渾濁，含泥沙量大。圖2為承壓水噴出時(shí)照片。

圖2 承壓水通過(guò)超前鉆孔噴出

2.3 難點(diǎn)分析

斷層破碎帶發(fā)育，斷層與斷層、斷層與向斜交叉相匯，受地質(zhì)構(gòu)造影響圍巖富水、軟弱、破碎、穩(wěn)定性差，掌子面開(kāi)挖后溜塌、涌水、涌泥現(xiàn)象明顯，危險(xiǎn)性大；初期支護(hù)難封閉且時(shí)間長(zhǎng)，初支封閉后變形控制難度大；鋼架出現(xiàn)扭曲、折斷、錯(cuò)位斷開(kāi)、初支開(kāi)裂掉塊、侵限等現(xiàn)象，造成初支拆換，現(xiàn)場(chǎng)施工緩慢，工期要求難以滿足。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 多種方式的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施

采用TSP、瞬變電磁、雷達(dá)、超前水平鉆孔、加深炮孔、地質(zhì)素描等多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行綜合判識(shí)[4]，最終由專(zhuān)業(yè)地質(zhì)人員形成綜合報(bào)告，判斷前方圍巖的情況，根據(jù)預(yù)判圍巖情況制定針對(duì)性支護(hù)措施。

3.2 超前支護(hù)施工

施作φ76超前管棚+φ42小導(dǎo)管密排施工的預(yù)加固措施，保證圍巖的穩(wěn)定性，管棚縱向搭接長(zhǎng)度不小于3 m，小導(dǎo)管搭接長(zhǎng)度不小于1.5 m，鉆孔由中間向兩邊，跳孔施工，注漿由兩邊向中間施作[5]。

3.3 微臺(tái)階法施工

微臺(tái)階施工工法，將整個(gè)斷面分為三級(jí)臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5 m左右，臺(tái)階高度控制在3.5 m以?xún)?nèi)，利用臺(tái)階形成的高差，使得隧道內(nèi)的空間得到充分利用。仰拱初期支護(hù)緊跟下臺(tái)階，使初期支護(hù)在最短時(shí)間內(nèi)封閉成環(huán)。大大提高了開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)效率、降低了開(kāi)挖支護(hù)與仰拱、二襯的施工干擾，減少?lài)鷰r的收斂、沉降變形。上臺(tái)階開(kāi)挖后將渣土扒至下臺(tái)階，后上臺(tái)階立鋼架與下臺(tái)階出渣同時(shí)進(jìn)行，下臺(tái)階立鋼架與上臺(tái)階超前支護(hù)同步施工，上下臺(tái)階形成平行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了快挖、快支和快速封閉成環(huán)[6]。使得軟弱圍巖隧道實(shí)現(xiàn)快挖、快支、快封閉，不僅能夠有效抑制工藝性變形、最大限度減少結(jié)構(gòu)性變形，而且還能大幅提升軟巖隧道的施工工效，取得較好施工效果。圖3為微臺(tái)階法施工縱斷面圖。

圖3 微臺(tái)階法施工縱斷面圖

3.4 噴射混凝土封閉掌子面

蛇紋巖地段和蝕變帶富水地段，掌子面開(kāi)挖完畢后極易溜塌。為了保證掌子面在有效的工作時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，采用噴射混凝土進(jìn)行封閉掌子面，來(lái)延長(zhǎng)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間；利用有效的穩(wěn)定時(shí)間，對(duì)初支進(jìn)行快速封閉，減少溜坍事故發(fā)生，加快施工進(jìn)度，保證安全[7]。

3.5 雙層鋼架跳段鎖定、等剛度初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

為控制好初支的收斂、沉降，避免出現(xiàn)初支侵限，也避免出現(xiàn)初支變形后進(jìn)行增加套拱加強(qiáng)支護(hù)，再進(jìn)行拆卸；施工期間采用雙層鋼架(全環(huán) 25b+20b型鋼鋼架)強(qiáng)支護(hù)跳段鎖定來(lái)保證軟巖地段的初支穩(wěn)定性(見(jiàn)圖4)。第二層鋼架在上臺(tái)階完成架設(shè)，與第一層初支間距控制在5 m范圍內(nèi)。有效控制了圍巖的收斂、沉降，避免出現(xiàn)初支侵限拆換[8]。

圖4 雙層鋼架加強(qiáng)支護(hù)

鋼架間距根據(jù)開(kāi)挖進(jìn)尺及時(shí)調(diào)整，保證鋼架密貼掌子面，延長(zhǎng)掌子面的穩(wěn)定時(shí)間，縮短循環(huán)時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

3.6 φ76大鎖腳可有效控制收斂

軟巖地段初期支護(hù)極易收斂，收斂后初支跟隨下沉，造成初支侵限。為避免初支收斂過(guò)大，采用大型號(hào)鎖腳錨管進(jìn)行控制初支變形(將原設(shè)計(jì)4.5 m長(zhǎng)φ42鎖腳錨管調(diào)整為5～6 m長(zhǎng)φ76鋼管)；初支的收斂、沉降變形，得到了明顯的控制[9]。

3.7 加大預(yù)留變形量

為了避免初支變形，造成侵限換拱，我們采取了多種聯(lián)合方法治理，其中加大預(yù)留變形量，延長(zhǎng)變形時(shí)間，就是其中一項(xiàng)，預(yù)留充足的變形空間和變形時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)根據(jù)圍巖變形情況預(yù)留量調(diào)整到30～70 cm不等。

3.8 應(yīng)力值的測(cè)設(shè)

針對(duì)可收縮鋼架、雙層鋼拱架、錨桿等支護(hù)措施的特點(diǎn)和適應(yīng)性，采用數(shù)值分析方法，研究不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的受力特征，分析初期支護(hù)剛度、厚度、錨桿長(zhǎng)度及布置方式、鋼拱架剛度及間距對(duì)圍巖變形和穩(wěn)定性的影響；建立侵入巖蝕變帶圍巖-支護(hù)體系相互作用力學(xué)模型，研究隧道結(jié)構(gòu)荷載分布形式及受力模式[10]；分析二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律，探明襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞過(guò)程中裂紋產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律，確定襯砌結(jié)構(gòu)受力特征、破壞模式及極限承載力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率見(jiàn)表1，優(yōu)化二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)。形成大變形地段合理支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。圖5為隧道橫斷面測(cè)點(diǎn)布置。

圖5 隧道橫斷面測(cè)點(diǎn)布置

表1 各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率

3.9 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)縱向間距3～5 m，每個(gè)斷面埋設(shè)5個(gè)監(jiān)控量測(cè)標(biāo)，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反映圍巖變形情況，與應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)應(yīng)力值大、監(jiān)控量測(cè)變形明顯部位制定支護(hù)方案進(jìn)行加強(qiáng)處理[11]。

3.10 分水降壓與輔助坑道風(fēng)險(xiǎn)防范

由于隧道施工中地下水十分發(fā)育，圍巖軟弱，初支變形嚴(yán)重，且隧道施工大部分為反坡段，掌子面受水浸泡后軟塑現(xiàn)象十分明顯，造成掌子面溜塌、變形現(xiàn)象頻繁發(fā)生，帶水作業(yè)十分困難，為后期施工增加了很大難度，造成施工效率極低。為了有效提高隧道內(nèi)的施工效率，通過(guò)平行導(dǎo)坑進(jìn)行分水降壓，平行導(dǎo)坑采用單車(chē)道5 m×6 m曲墻式斷面，與正洞之間距離大于30 m，加以輔助坑道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防范，有效保證了施工掌子面的安全，也大大提高正洞掌子面施工效率[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際工程為背景，通過(guò)改變施工工法，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，噴射混凝土封閉掌子面、超前管棚、大鎖腳、雙層鋼架跳段鎖定、等剛度初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化、加大預(yù)留沉降量、分水降壓與輔助坑道風(fēng)險(xiǎn)防范等多項(xiàng)技術(shù)綜合應(yīng)用，成功解決了隧道在超基性巖蝕變后，遇水軟塑難施工的問(wèn)題，取得了良好的效果，也為同類(lèi)地質(zhì)條件的地下工程施工提供借鑒。