大崗山隧道近庫區(qū)富水全風(fēng)化花崗巖地層綜合施工技術(shù)

楊維彬,張 幸,靳 昊,嚴(yán) 健,汪 波

(1.中化學(xué)交通建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250102；2.山東大學(xué)，山東 濟南 250100；3.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

1 概述

長大隧道一般為穿越高山峻嶺區(qū)而設(shè)，普遍具有深埋、地質(zhì)復(fù)雜、地災(zāi)易發(fā)等特點，且現(xiàn)有勘察手段無法準(zhǔn)確探測隧道穿越區(qū)地質(zhì)狀況，向來是公路、鐵路施工安全和效益控制的重點及難點。隧道穿越富水破碎帶施工技術(shù)前人研究較多，如薛君等[1]基于東天山隧道提出了采用地質(zhì)-物探-鉆探相結(jié)合的綜合地質(zhì)預(yù)報方法，理清了斷層與承壓風(fēng)化裂隙水的空間關(guān)系及成因；田志宇等[2]對百丈隧道穿越流塑狀富水破碎帶施工措施及其安全性進(jìn)行了評價，提出了對于流塑狀破碎帶，加密超前支護(hù)是防止開挖時圍巖出現(xiàn)較大變形或者坍塌的最有效措施，加固圍巖尤其是邊墻與基底處圍巖非常重要；洪軍等[3]對全風(fēng)化花崗巖地層特大斷面隧道施工過程支護(hù)受力進(jìn)行了分析。但穿越近庫區(qū)全風(fēng)化花崗巖地層隧道的綜合施工技術(shù)前人鮮有研究，本文結(jié)合大崗山隧道工程實踐，提出了近庫區(qū)全風(fēng)化花崗巖綜合施工技術(shù)、施工組織管理流程、各項基本保障等，為類似工程提供參考。

2 工程概況

瀘石高速地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡之川西南高山區(qū)中部，區(qū)內(nèi)山勢巍峨、河谷深切，地勢表現(xiàn)出西高東低、北高南低的分布特征，地勢起伏較大，海拔高程850～2 500 m，區(qū)內(nèi)多為構(gòu)造侵蝕斜坡地形，屬構(gòu)造侵蝕中山地貌。其中大崗山隧道是瀘石高速的控制性工程，全長7 305 m，大崗山水庫位于隧道右側(cè)，直線距離最近處約1 650 m，庫區(qū)常水位高于隧道拱頂29.5 m。隧道和水庫位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 大崗山隧道和水庫位置關(guān)系圖

地勘資料顯示：大崗山隧道出口段圍巖主要由花崗巖組成，夾少量輝綠巖巖脈或巖塊，隧址區(qū)處于磨西斷裂、大渡河斷裂和金坪斷裂所切割的黃草山斷塊上，受區(qū)內(nèi)地殼頻繁活動揉搓，圍巖節(jié)理裂隙密集發(fā)育、極破碎且富水，手捏呈松散-粉末狀，完整性極差，自穩(wěn)能力極弱。

本區(qū)域地下水發(fā)育，主要賦存于斜坡淺部風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙及深部構(gòu)造裂隙中。地表水主要為大渡河流域水系，區(qū)內(nèi)被大崗山電站人為切割為兩部分，壩址上游為大崗山水庫，下游與龍頭石水電站庫尾相接，地表徑流呈樹杈狀分布，常年流水，山體受切割強烈。年平均降雨量801.3 mm，其中6—9月的降雨量占年降雨量的70%左右。

3 施工中遇到的難題

隧址區(qū)圍巖破碎，水力連通性強，受地表水及庫區(qū)水補給，水源穩(wěn)定，在水力作用下圍巖呈流塑狀，為典型的碎屑流地層(見圖2)。庫區(qū)距離隧道直線距離最近為1.65 km，常水位高于隧道拱頂29.5 m，地質(zhì)環(huán)境不確定性因素較多，局部存在承壓水，突涌水風(fēng)險極高。

(a)碎屑流地層現(xiàn)場照片

2021年11月，隧道發(fā)生較大突涌水，持續(xù)時間2 min左右，突水涌泥方量約180 m3，涌水夾碎石流至中臺階處，掌子面逐步被碎石及泥砂填滿，1 h后水量穩(wěn)定在20～30 m3/d，穩(wěn)定后絕對水量不高，但對圍巖的破壞程度極高，如圖3所示。

(a)隧道掌子面突水涌泥

4 綜合施工技術(shù)

針對大崗山隧道富水全風(fēng)化花崗巖段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)環(huán)境不確定性因素多、施工困難等特點，現(xiàn)場采用了綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法對富水及圍巖情況進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報，在此基礎(chǔ)上，試驗比選了以密布超前注漿小導(dǎo)管低位堵水結(jié)合雙層排水孔高位泄水施工排水方案，并根據(jù)設(shè)計方案，采用數(shù)值分析方法對優(yōu)化后三臺階七步法開挖過程進(jìn)行仿真，進(jìn)而設(shè)置合理施工參數(shù)，達(dá)到快速施工目的。

4.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

大崗山超前地質(zhì)預(yù)報以地質(zhì)編錄、TSP-3D為基本預(yù)報手段，在傳統(tǒng)瞬變電磁探水基礎(chǔ)上，采用山東大學(xué)自主研發(fā)隧道激發(fā)極化探測儀器。該法在掌子面中部共布置12～20個測量電極，供電電極探測5圈，每圈4個供電點，利用探測對象與周圍介質(zhì)之間激電效應(yīng)差異探測前方地質(zhì)，可有效探測前方20～30 m地下水賦存情況。結(jié)合超前鉆探，能準(zhǔn)確地判斷掌子面前方地質(zhì)狀況，為安全快速施工提供保障。隧道激發(fā)極化法成像圖如圖4所示。

圖4 隧道激發(fā)極化法成像圖

通過激發(fā)極化探測儀器檢測隧道掌子面前方圍巖電阻率數(shù)值整體變化情況，分析測量電極所探測到的電位變化，掌子面開挖前方存在較低電阻區(qū)域，推斷出該段圍巖地下水較發(fā)育，開挖時掌子面易出現(xiàn)滴滲水或線狀流水，局部裂隙發(fā)育處可能出現(xiàn)股狀流水。

4.2 施工排水方案及效果

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報情況，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造及全風(fēng)化花崗巖地層富水特點，采用“高排低堵”的方案治理水害，如圖5所示。低位采用超前預(yù)注漿、超前小導(dǎo)管及超前錨桿等進(jìn)行注漿固結(jié)周圍巖體，形成0.5～3 m的有效固結(jié)圈或堵水圈，控制圍巖迅速變形。高位設(shè)置泄水孔泄排水，泄水孔長度30～50 m，孔底距離開挖輪廓線5 m，一般設(shè)置3～5個，采用φ108鋼花管內(nèi)設(shè)φ89鋼花管包裹雙層聚丙烯無紡布。

圖5 “高排低堵”的方案

在此基礎(chǔ)上，超前支護(hù)采用φ42 mm×4 mm鋼花管或φ51 mm自進(jìn)式錨桿，根據(jù)能否成孔靈活選用，設(shè)置于拱部120°，長度4～6 m，外插角5°～10°，根據(jù)圍巖破碎和富水情況動態(tài)調(diào)整搭接長度及間距，搭接長度一般1～3 m，環(huán)向間距一般10～40 cm，以能有效控制溜塌和保證掌子面前方具備有效支點為宜，注漿漿液根據(jù)需要選擇硫鋁酸鹽水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在1～2 MPa，主要作用為改善圍巖條件，保證其有6～8 h的自穩(wěn)能力。

紡布泄水，管周排水孔孔徑10～15 mm，環(huán)向間距30 cm，縱向間距100 cm，梅花型布置。

4.3 安全快速開挖過程分析

4.3.1基于數(shù)值仿真的開挖工法分析

根據(jù)設(shè)計方案采用三臺階七步法進(jìn)行開挖。為了對施工過程中圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，同時獲取適宜的施工參數(shù)，采用數(shù)值分析方法進(jìn)行仿真分析。

a.建立開挖工況模型。

針對大崗山隧道富水全風(fēng)化花崗巖地層，采用工序化數(shù)值模擬確定開挖進(jìn)尺以實現(xiàn)安全快速開挖的目的。即在襯砌類型為Z5 a時，根據(jù)掌子面情況建立4種不同開挖模型，按照實際情況施加相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行模擬，模型體尺寸均為100 m×42 m×100 m，模型上部未建的巖層以應(yīng)力的形式施加到模型的上表面。分別設(shè)置了兩榀標(biāo)準(zhǔn)開挖、兩榀快速開挖、三榀標(biāo)準(zhǔn)開挖和一榀快速開挖4種工況(見圖6)，預(yù)留變形量為12 mm，采用的開挖工法為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。

圖6 開挖工況圖

考慮單調(diào)荷載下碎屑流以顆粒結(jié)構(gòu)為主，因此，模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，該模型能夠?qū)δz接粒狀混凝土材料特性較為貼合模擬。巖體及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)表見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

b.隧道施工變形時空演化規(guī)律分析。

模型隧道穿越Ⅴ級圍巖，針對圍巖受力及襯砌變形特點，對比分析不同工況開挖形式隧道襯砌的位移場，分析初支結(jié)構(gòu)的變形特征。不同工況水平及豎直方向位移場如圖7、圖8所示。

(a)兩榀開挖

(a)兩榀開挖

通過位移云圖可以看出，隧道初期支護(hù)的水平最大位移主要出現(xiàn)在左右邊墻和左右拱腳處，其中最大水平位移出現(xiàn)在距離掌子面40 m左右的左右拱腳處。隧道采用兩榀開挖、兩榀快速開挖和一榀快速施工開挖的水平方向的最大變形量相差不大，而采用三榀開挖的隧道水平方向的最大變形量分別比兩榀開挖、兩榀快速開挖和一榀快速施工大23%、26%和10%。隧道初期支護(hù)的縱向最大位移主要出現(xiàn)在仰拱、拱腳、邊墻和拱肩的區(qū)域，其中最大的縱向變形出現(xiàn)在距離掌子面40 m的仰拱處圍巖與拱腳的相交處。

4種工況的最大變形都在4 cm左右，其中三榀開挖的變形超過了4 cm。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)第18.6.3條可知，實測位移值不應(yīng)大于隧道的極限位移，將隧道設(shè)計的預(yù)留變形量作為極限位移U0，設(shè)計上Z5a型襯砌的預(yù)留變形量U0=12 cm，計算得到的拱腳變形最大值為4.35 cm，大于U0/3=4 cm，屬于Ⅱ級管理等級，應(yīng)加強支護(hù)。

隧道開挖在其拱頂、邊墻和拱腳處的監(jiān)測如圖9所示，拱頂、邊墻和拱腳處距掌子面越遠(yuǎn)其變形越大。其中邊墻和拱腳處4種工況的變形量相差不大。對比分析拱頂位移的變形采用快速開挖時拱頂?shù)淖冃瘟恳源笥诓捎脴?biāo)準(zhǔn)開挖時的變形量，并且開挖進(jìn)尺越大變形量越大。

(a)拱頂

c.隧道施工應(yīng)力時空演化規(guī)律。

在只施加初期支護(hù)未進(jìn)行仰拱開挖和施加二襯的情況下，4種開挖工況下隧道水平方向的應(yīng)力主要作用在拱肩和拱頂處，豎直方向的應(yīng)力主要作用在拱肩和邊墻處。其中隧道初期支護(hù)臨空面處的應(yīng)力略大于圍巖表面的應(yīng)力。拱肩的區(qū)域承受了較大水平和豎直方向的應(yīng)力，因此施工時加強對左右拱肩區(qū)域的支護(hù)。在隧道開挖過程中，水平方向上的應(yīng)力場兩榀開挖工況初期支護(hù)所承受的的最大壓應(yīng)力最大分別為兩榀快速開挖、三榀開挖工況和一榀快速開挖工況的15.7%、18.9%和15.8%，豎直方向上的應(yīng)力場三榀開挖工況初期支護(hù)所承受的的最大壓應(yīng)力最大分別為兩榀開挖、兩榀快速開挖和一榀快速開挖的11.8%、8.0%和23.0%。

四種工況的最大主應(yīng)力都出現(xiàn)在左拱肩-拱頂-右拱肩和拱腳處，并且都是壓應(yīng)力。最大拉應(yīng)力都出現(xiàn)在拱腳的上部區(qū)域。其中三榀開挖初支結(jié)構(gòu)所承受的最大壓應(yīng)力最大，其次依次是兩榀快速開挖、兩榀開挖和一榀快速開挖。

d.開挖進(jìn)尺確定。

通過數(shù)值模擬結(jié)果分析，為保證大崗山隧道施工進(jìn)度，同時隧道的變形量滿足《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)，采用兩榀開挖、兩榀快速開挖和一榀快速開挖的變形量和應(yīng)力變化相差不大且均在安全范圍內(nèi)，因此，綜合施工效率，選擇2榀/循環(huán)(1.2 m)進(jìn)行開挖。

4.3.2現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

基于圍巖-初支接觸壓力、孔隙水壓力、巖體內(nèi)部位移、表面應(yīng)變等多元信息進(jìn)行對突涌水風(fēng)險段落工序化監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容、斷面及測點布置如圖10所示。監(jiān)測頻率為1 d 1次，檢測日大于15 d后調(diào)整為2 d 1次，異常情況下加密監(jiān)測頻次。

圖10 監(jiān)測斷面布設(shè)示意圖

山東大學(xué)相關(guān)團隊隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如圖11～圖13所示。圖11～圖13中可見，在4月份水量逐漸變大的同時，整體上圍巖-初支接觸壓力、表面應(yīng)變均呈現(xiàn)逐步增大趨勢；同時，最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)域集中分布在隧道初期支護(hù)左拱肩-拱頂-右拱肩、拱腳上部區(qū)域，且上述部位的變形量也較大，但上述量值均在《JTG/T 3660—2020 公路隧道施工規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，范圍內(nèi)，可見采用V級圍巖上臺階按2榀鋼架能滿足規(guī)范要求，可有效保障施工安全。

圖11 圍巖-支護(hù)接觸應(yīng)力圖

圖12 表面應(yīng)變監(jiān)測圖

圖13 滲壓監(jiān)測圖

4.4 綠色綜合施工技術(shù)

針對區(qū)域環(huán)境敏感點多、水系分布豐富、橋隧占比高、臨時用地多、隧道棄渣量大等不利環(huán)境因素，隧道采用“零開挖”進(jìn)洞，最大限度減少對原始地形地貌的破環(huán)和擾動；采用清污分流系統(tǒng)，隧道清水直接排放，生產(chǎn)廢水采用五級沉淀+壓濾機循環(huán)處理后回用，達(dá)到污水“零排放”；洞內(nèi)采用霧化噴淋系統(tǒng)減少揚塵；采用無人機技術(shù)及PPK后差分定位技術(shù)，對全線進(jìn)行高精度航測及三維建模，形成3D-GIS地理信息模型與BIM技術(shù)融合進(jìn)行環(huán)水保在線監(jiān)測評估；定期采用棄渣場三維傾斜攝影模型數(shù)據(jù)進(jìn)行自動坐標(biāo)配準(zhǔn)，自動計算和展示渣場責(zé)任范圍、擾動范圍、棄渣量和堆渣高度等信息；采用信息化評估方法，以在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以3D-GIS+BIM可視化方法進(jìn)行環(huán)水保在線監(jiān)測信息評估，如圖14所示。

(a)3D-GIS地理信息模型與BIM技術(shù)融合

最終形成一套集成在線采集、實時傳輸、可視化展示、科學(xué)評估的高速公路建設(shè)環(huán)水保在線監(jiān)控評估系統(tǒng)。實現(xiàn)信息技術(shù)與環(huán)水保管理的深度融合，構(gòu)建環(huán)水保管理新格局，為高速公路環(huán)水保管理提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

大崗山隧道近庫區(qū)富水全風(fēng)化花崗巖地層受區(qū)域構(gòu)造控制，圍巖極破碎、水量豐富、內(nèi)外部補給源多樣、通道發(fā)育，施工過程中出現(xiàn)多次突泥涌水、掌子面溜塌，通過系統(tǒng)實踐和理論研究，形成較為成熟的施工經(jīng)驗。

a.針對近庫區(qū)富水全風(fēng)化花崗巖地層，綜合采用地質(zhì)編錄、TSP-3D、激發(fā)極化探測法、超前鉆探相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，準(zhǔn)確探測了前方復(fù)雜圍巖狀況及富水程度，為選擇快速高效的施工工法提供依據(jù)。

b.考慮碎屑流顆粒結(jié)構(gòu)特征，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型對不同工況進(jìn)行工序化數(shù)值模擬分析，實現(xiàn)了V級圍巖上臺階按2榀鋼架間距安全快速開挖，突破了傳統(tǒng)1榀鋼架間距進(jìn)尺限制。

c.通過無人機技術(shù)、PPK后差分定位技術(shù)、3D-GIS+BIM技術(shù)等實現(xiàn)了環(huán)水保管理信息化和智能化，綜合“零開挖”、“零排放”、洞渣再利用等充分踐行了綠色施工理念。

d.通過密布超前支護(hù)、“高排低堵”治水、鎖腳錨桿加強、濕潮噴工藝結(jié)合、工序化應(yīng)力應(yīng)變及滲壓監(jiān)測、專業(yè)化監(jiān)控量測、機械化及信息化等保證了快速施工安全。