护坑隧道断层破碎带施工技术

贺庆华

护坑隧道是二广高速公路第一长大隧道,全长2 383 m,隧道全部由我部施工,其中K102+770～K103+012段通过Ⅴ中变级围岩断层破碎带,岩性主要为沉积泥岩、砂岩、砾岩,节理裂隙发育,层面交错,遇水易软化,岩体破碎,岩体呈碎石状压碎结构。地下水以淋雨和线流状为主,致使围岩自稳能力极差,成型困难。

针对这种情况,断层施工遵循“短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的基本原则,在超前地质预报的指导下,采用在拱部超前小导管注浆预固结围岩的保护下,采用三台阶七步流水作业法进行施工。拱部预留核心土,周边采用风镐开挖,核心土及中下台阶采用CAT320挖掘机开挖。

1 断层的超前预报

1.1 地质超前预报

采用TGP206型隧道地质超前预报系统(TGP即Tunnel Geology Prediction的英文缩写,简称TGP)。利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波,弹性波在向三维空间传播的过程中,遇到声阻抗界面,即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等,会产生弹性波的反射现象,这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来,输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理,实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息,以准确掌握前方断层破碎带的详细情况以及围岩节理裂隙、破碎的发育程度。

1.2 工程地质法

根据地质资料结合实际地质对每循环开挖掌子面地质素描,进行初步的地质分析。断层带在隧道中是有一定延伸长度的,断层的出现也有一个由小到大的过程,若隧道局部围岩破碎、石质较差,且围岩软硬分界明显,应小心对待,可根据岩层的走向、倾角等预测前方可能出现的断层破碎带。

1.3 超前地质探孔

掌子面开挖前,采用长度长于开挖长度2 m～2.5 m的超长钻杆对前方围岩进行钻孔(即使洞身周边出现涌水、涌泥、坍塌等不良地质还能保证2 m以上止浆墙),根据岩芯和钻进过程中的岩粉、钻速和水质情况,判断前方水文、地质条件。

2 超前小导管施工

对松软岩体,采用YT-28型风动凿岩机直接推送,如遇夹有坚硬岩石处,先用YT-28型风动凿岩机钻眼成孔后再推进就位。

在施作小导管前应注意:第一,喷3 cm～5 cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙,为注浆作好准备工作;第二,准确测量隧道中心线和高程,并按设计标出小导管的位置,误差±15 mm;第三,用线绳定出隧道中心面,随时用钢尺检查钻孔或推进小导管的方向,以控制外插角达到设计的标准;第四,施工顺序为从两侧拱腰向拱顶进行,为提前注浆留好作业空间。

选用UB6型注浆泵注浆,采用浆液搅拌桶制浆。为防止浆液从其他孔眼溢出,注浆前对所有孔眼安装止浆塞,注浆顺序从两侧拱脚向拱顶进行。注浆时相邻孔眼需间隔开,不能连续注浆,以确保固结效果,又达到控制注浆量的目的。

3 开挖

断层破碎带开挖采用三台阶七步流水作业法进行施工,为控制超欠挖及减少对围岩的扰动,拱部弧形及边墙周边均采用风镐分台阶开挖,核心土及中下台阶均采用挖掘机开挖,开挖进尺根据围岩稳定性确定为1榀～2榀钢拱架的间距,即0.6 m～1.2 m。

4 锚喷初期支护

4.1 初期支护参数

系统锚杆采用4 m/根智能中空注浆锚杆及8 m/根的自进式锚杆,纵向、环向间距为60 cm×80 cm,梅花形布置,采用自进式长锚杆和智能中空注浆锚杆主动约束洞周变形。全环设置 U25可缩型钢架,间距60 cm,U形钢每侧拱脚设3 m/根的φ 25药卷锚杆,按梅花形布置在U形钢的两侧;钢纤维喷射混凝土厚25 cm。预留变形量为35 cm,扩大开挖断面,加大预留变形量,以适应围岩变形。

4.2 钢拱架支护

钢架支护是通过断层破碎带时必不可少的措施之一。钢架支护可以加强初期支护,减少围岩变形,并为超前支护提供可靠的支点。U形钢按设计要求分节加工成型,U形钢分节间采用U形螺栓连接。1)U形钢严格按设计间距架立。2)为充分发挥U形钢的承载能力,首先要求U形钢架必须垂直且与线路方向垂直;其次架立拱部 U形钢架时,严格控制左、右拱脚标高,以防拱架偏斜,影响与边墙U形钢架的圆顺连接或侵入衬砌厚度。

4.3 喷射混凝土

开挖后为缩短围岩的暴露时间,防止围岩进一步风化,必须先初喷混凝土4 cm厚封闭围岩;待U形钢安设好后,再喷混凝土10 cm～12 cm;最后在下一循环喷射混凝土时分两次喷射至设计厚度。喷头喷射方向与岩面偏角小于10°,夹角为 45°;喷头至受喷面距离在0.6 m～1.0 m之间,喷头呈螺旋形均匀缓慢移动,一般绕圈直径在0.4 m为宜。

5 防排水处理

针对开挖中出现的大面积渗漏水时,宜采用钻孔预埋小导管或者PVC管集中汇流引入排水沟,并应对钻孔部位、数量、孔径、深度、方向和渗水量做记录,据以确定在衬砌时设置拱墙背后的排水设施。

6 围岩监控量测

6.1 监控量测安设要求

初期支护完成后,在拱顶、拱脚及边墙的内轨顶面标高处埋设测点进行拱顶下沉和水平收敛量测,以防振动影响量测结果。量测频率开始6 h观测1次,然后根据变形量的减小而减小量测频率,即12 h,24 h,48 h,72 h,168 h,根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等,便于指导施工,确保施工安全。断层破碎带量测点间距每隔3 m布设1组。

在断层破碎带每个监测断面通常埋设测桩1号,2号,3号,4号,5号共5个,布置A,B,C,D共4条测线,如图1所示。

6.2 量测数据应用

1)根据现场量测数据绘制时态曲线和空间关系曲线图。2)根据回归分析结果选定代表测点的曲线方程,并可根据求导公式计算某一天的位移速率,也可根据极限公式计算其总位移量,通过代表测点的曲线函数方程可消除偶然误差并推断出围岩的稳定情况或估计二次衬砌施作的时机。3)当位移—时间曲线出现反弯点时,则表明围岩和支护已呈不稳定状态,此时应密切监视围岩动态,并加强支护,必要时暂停开挖。

7 仰拱及衬砌施作

在仰拱开挖时,采用跳槽半幅开挖的方式,每次开挖长度不准超过5 m,禁止全幅开挖。靠近拱脚30 cm范围采用人工修整,严格禁止挖机直接对拱脚进行开挖,避免挖机勾碰拱脚,造成坍塌。

在围岩和初期支护变形基本稳定后进行二次衬砌。在围岩变形发展加快或不能趋于稳定,出现安全隐患的情况下,采取衬砌紧跟、加强衬砌的措施,必要时采取跳打二衬,按照仰拱与掌子面下台阶的距离控制在30 m以内,衬砌距掌子面的距离控制在70 m以内的要求,确保隧道结构与施工安全。

8 局部坍塌处理及施工要点

当施工不当造成断层破碎带局部坍塌时,总的施工原则不变,但应加强超前支护和初期支护的施工力度,并注意对塌空部位及时封闭,及时回填。1)回填可采用浆砌片石回填,但宜在塌空部位出现在侧部时采用。拱部塌空时,为保证良好的成拱效果,宜用泵送混凝土回填。2)断层破碎带在不影响掌子面施工的前提下应及早进行仰拱施工,使支撑体系形成封闭环,增大结构的承压能力。3)断层规模和危险性较大时,应及时对断层地段整体做好二次衬砌,以保证施工安全。

9 结语

1)断层破碎带施工首先要重视超前地质预报,利用地质探测仪、地质素描、超前地质探孔等对前方地质进行预判,提前采取相应措施,指导施工。2)断层破碎带施工及时封闭成环是保证洞室稳定、隧道结构安全的重要手段,严格控制仰拱距掌子面、衬砌距仰拱的距离。3)断层破碎围岩遇水软化,容易造成坍塌,做好开挖以及衬砌的防排水措施,确保衬砌完成后不出现渗漏水。

[1]王晓明.大断面浅埋黄土隧道施工技术[J].山西建筑,2009,35(18):314-315.

[2]JTJ 042-94,公路隧道施工技术规范[S].