隧道穿越活动断裂带施工技术

赵明华

（中铁十六局集团第二工程有限公司,天津市 300162）

隧道穿越活动断裂带施工技术

赵明华

（中铁十六局集团第二工程有限公司,天津市 300162）

随着我国铁路事业的迅速发展,铁路隧道的建设需求和重要性日益明显。由于我国地域广阔,在线路选择过程中,隧道难以避免会穿越断裂破碎带,从而导致施工难度大,难以确保施工安全。现以柿子园工程为例,针对工程施工技术难点,从超前地质预报、超前支护小导管、三台阶开挖法、初期支护、组合中空锚杆、钢花管系统锚管、钢筋网片、钢架施工和围岩监控量测等几个方面,阐述隧道穿越活动断裂带的施工技术,为同类工程提供借鉴和参考。

仰拱开挖；超前小导管；钢筋网片；活动断裂带

1 工程概况

新建成都至兰州铁路成都至川主寺段（黄胜关）铁路柿子园隧道,地处四川省安县境内。柿子园隧道全长14.069 km,龙门山前山断裂带体系中彭县-灌县活动断裂带位于柿子园隧道进口工区,全长130 m,岩层挤压扭曲严重、地应力大、节理极其发育、裂隙水发育,施工难点较大,需要采取适当的施工方法和加固措施,确保施工安全和后期运营安全、稳定。

2 施工技术难点

隧道穿越龙门山前山断裂带,太平场倒转向斜构中央断裂带、龙门山中央断裂带,每个构造体系中断层、褶皱极其发育,岩层多陡倾、直立或倒转,地质构造十分复杂,发育有13条断层,5条向斜,4条背斜。不良地质为活动断裂、岩溶、有害气体、泥石流、危岩落石、高地应力,施工中可能会发生突水、突泥等自然灾害,再加上“5.12”地震后影响显著,施工中存在诸多不确定性,因此确保施工安全是该项工程的难点。

3 施工工艺

3.1 超前地质预报

活动断裂带施工超前地质预报工作采用多种物探方法,主要有钻探法、TSP、红外探水、地质雷达、瞬变电磁等方法探明前方破碎带宽度、破碎程度、含水性,得出综合分析结论,保证围岩情况预判的准确性。钻探法布置超前水平钻孔3孔,其中1孔取芯,另外2孔作为超前探孔。

引进隧道掌子面地质信息系统（TFGIS V1.0）技术,对隧道前方围岩地质变化趋势自动分析,并作出围岩稳定性综合评价。该系统采用高清数码成像技术与软件自动分析技术相结合,将隧道掌子面照片输入计算机,用软件自动识别节理、裂隙、地层分界线,岩性变化分界线等结构面自动提取边界,根据边界数量和边界位置做出综合评价[1]。

3.2 超前支护小导管施工

超前支护措施采用常规处理办法,小导管超前预注浆措施加固活动断裂带岩体,拱部120°范围采用42超前小导管,单根长度4.5 m,每环布置38根,环向间距0.4 m,纵向间距3.2 m。

为充分发挥机械效能,加快注浆进度,在小导管前安设分浆器,一次可注入3～5根小导管。在施工过程中,有效地控制注浆压力、注浆量,开挖揭示很好地加固了活动断裂带破碎岩体,确保了开挖施工围岩初期的稳定性、安全性。

3.3 开挖方法及工艺

柿子园隧道进口活动断裂带设计断面为近圆形轮廓,更好地保证结构的受力,其断面比普通隧道开挖断面扩挖30～50 cm,作为补强空间；预留变形量10～15 cm,采用三台阶法开挖。

3.3.1 钻爆设计与施工

柿子园隧道活动断裂带开挖钻爆设计按照V级围岩弱爆破设计,采用光面水压爆破技术。断层影响带和断层破碎带围岩极为破碎,多采用机械开挖方式,减少了对围岩扰动,有效地避免了塌方、突水突泥等事故的发生。

3.3.1.1 钻眼

采用简易钻孔台架作为施工平台,YT-28手持式风钻钻眼,钻爆参数为:掏槽眼眼深0.9 m,其它炮眼深0.8 m,计划循环进尺0.6 m。周边眼保持5%的外插角,各炮眼的间距、排距应严格按照钻爆设计图控制,保证爆破效果。

3.3.1.2 装药

3.3.1.3 起爆

采用非电毫秒雷管起爆。在周边眼采用导爆索装药结构时,采用导爆索起爆。起爆网路由不少于两位有经验的爆破员组成,敷设线路与交底核对,对起爆材料进行全面检查；起爆前,进行警戒,所有人员撤离至不受有害气体、振动及飞石伤害的安全地点；起爆后,经原装药爆破人员检查确认无瞎炮或其他险情后,方可解除安全警戒。

起爆顺序:掏槽眼→辅助眼→内圈眼→周边眼→底板眼。

3.3.2 仰拱开挖

由于断面轮廓改变为近圆形,仰拱开挖深度比普通断面深,最大深度达到2.8 m,且断面大,开挖时影响拱墙支护钢架的稳定性。开挖前,须检查边墙脚处的锁脚锚管质量是否符合设计要求,保证作业安全。断层带岩体比较破碎,采用机械开挖方式进行仰拱开挖,局部硬质岩采用弱爆破,每循环进尺不大于3 m。先进行测量放样,避免超挖或欠挖。开挖时,应减少对围岩的扰动,对掌子面前方的施工用水或掌子面渗水进行引排,禁止流入仰拱基底侵泡软化岩层,杜绝引起边墙脚钢架失稳。在开挖完成后,清理仰拱基底内的虚碴。开挖过程中应严格控制循环进尺,快速将支护钢架封闭成环,快速将初期支护封闭[2]。

3.4 初期支护

开挖后及时进行初期支护,并封闭成环,加强支护采用I20b工字钢,全环0.6 m/榀,钢架分节长度及接头连接参见“成兰隧参（11）07-25-02～06”,拱脚和边墙脚设置[28a垫槽钢,在拱脚和变墙角设置Ф42锁脚锚管,每处两根,长5 m。拱墙设置系统锚杆,活动断裂两侧影响带拱部120°采用Ф22组合中空锚杆,边墙采用Ф22全长粘结砂浆锚杆,长度4 m,间距环向1.2 m×纵向1.0 m。全环挂设钢筋网采用8圆钢,网格尺寸20 cm× 20 cm,喷射早高强C30纤维混凝土,厚度27 cm。

3.5 组合中空锚杆施工

按设计图要求在初喷混凝土面上进行布孔。开挖初喷后,必须尽快利用人工手持风钻在简易台架上进行钻孔,成孔后采用高压风吹洗清孔,检查锚杆孔位间距、深度、角度是否符合要求,深度误差不大于±50 mm,发现不合格钻孔应废弃重钻。杆体插入锚杆孔时,保持位置居中,锚杆杆体露出混凝土面不大于喷层厚度,然后复喷至设计图标示厚度。有水地段先引出孔内的水或在附近另行钻孔再安装锚杆。

采用注浆机注浆,注浆压力为1.0～1.5 MPa,一般按单管达到设计图标示注浆量作为结束标准。当注浆压力达到终压不少于20 min,进浆量仍达不到注浆终量时,亦可结束注浆。注浆结束后,将管口封堵,以防浆液倒流管外。锚杆垫板与孔口混凝土密贴,并随时检查锚杆头的变形情况,紧固垫板螺帽。

3.6 钢花管系统锚管施工

活动断裂带核部（D2K76+950～+980）采用钢花管系统锚管代替组合中空锚杆和砂浆锚杆,全环布置,长4.5 m,加固隧道周边破碎带围岩。

施工方法:按设计图要求在初喷混凝土面上进行布孔,采用人工风枪在简易作业台架上按孔位钻孔,成孔后采用高压风吹洗清孔,钻孔深度4.5 m,纵向间距1.2 m,环向间距1.0 m,梅花形布置。钻孔结束后,检查锚管孔位间距、深度、角度是否符合要求,深度误差不大于±50 mm,孔位允许偏差10 cm,发现不合格钻孔应废弃重钻,插入钢花管时居中,外露长度为混凝土喷射厚度。

3.7 钢筋网片施工

安装网片在初喷后进行,钢筋网片随初喷面得起伏铺设,与受喷面的间隙一般不小于4 cm,焊接固定于先期施工的系统锚杆之上,再把钢筋片焊接成网,网片搭接长度为1～2个网格。网格间距20 cm×20 cm。在初期支护变形缝处,将钢筋网片在同一截面断开[3]。

3.8 钢架施工

钢架在拱架加工厂按照设计尺寸加工,并试拼合格后,运输至隧道内,安装前先准确定出每榀钢架的位置,清理拱角或墙角的松碴,处理欠挖部位至设计断面,型钢钢架按设计位置拼装,型钢钢架与封闭混凝土之间间隙大时增设C15混凝土垫块定位,两排钢架间纵向按设计要求用钢筋联接,形成纵向连接体系。钢架安装完成后,打设锁脚锚杆或锁脚钢管焊接牢固,使之成为整体结构。在初期支护变形缝处,将钢架连接筋在同一截面断开。施工工艺流程图如图1所示。

图1 钢架施工工艺流程图

3.9 围岩监控量测

围岩及初支变形量测是施工管理中的一个重要环节,是施工安全和质量的保障。净空变化、拱顶下沉量测项目应设置在同一断面,以便于掌握变形规律。测点及侧线布设应符合《铁路隧道监控量测规程》的要求,采用无接触量测技术。

活动断裂带围岩监控量测采用新技术:SAA（阵列式位移计和空间形态监测系统）,其采用微机电感应方式和阵列式计算原理,可实时获取连续变形曲线,SAA阵列式位移计是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器。

采用净空变形量测和结构压力、应力等常规安全监测手段,分析了F7断层围岩的稳定性和对施工的影响,以及断层段围岩、初期支护、二次衬砌等变形特征,并提出施工建议,研究主要针对断裂带围岩压力和岩性的影响,而非断裂带运动的影响。

4 结论

综上所述,该段活动断裂带安全、如期、顺利地通过了施工,结合施工中存在的问题和已克服的施工难题,总结以下几点施工经验:

（1）做好超前地质预报工作,利用好现有先进地质预报技术手段,准确地判识前方围岩情况,并结合掌子面开挖揭示围岩情况进行验证,做好超前支护工作,结合设计参数及开挖揭示围岩稳定性情况,查找不足、总结经验参数,摸索出针对此活动断裂带围岩最佳的注浆压力、注浆量等参数,真正达到了围岩超前支护效果。

（2）开挖方法采用弱爆破辅助以机械人工开挖相结合,减少对围岩的扰动,对围岩的稳定性起到保护作用。

（3）采用短进尺、强支护、勤量测、紧跟衬砌的方法有效地控制围岩变形,确保围岩的稳定性和施工安全,采用5 m的小型衬砌台车,保证变形缝的设置,衬砌的高效紧跟,尽量缩小安全步距。

（4）控制好围岩裂隙水和施工用水的引排工作,减少水对围岩和支护的影响,确保活动断裂带施工的安全和高效。

[1]李林.隧道穿越断裂带地震响应特性及抗震措施研究[D].成都:西南交通大学,2014.

[2]许丁予.高铁隧道工程穿越汶川地震断裂带抗错动机理与设计参数研究[D].北京:北京交通大学,2015.

[3]蒋树屏,李鹏,林志.穿越活动断层区隧道的抗断设计对策[J].重庆交通大学学报（自然科学版）,2008,27（06）:1034-1036, 1041.

广西河百高速公路完成投资70亿元

广西河池至百色高速公路（河池段）目前全线征地工作绝大部分已经完成,项目开工累计完成投资70亿元,占投资概算的51.3%。贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）,初步设计完成获批后将开展施工招投标工作,计划今年9月实质性动工。乐业至百色高速公路（天峨段）,施工单位已进场进行驻地建设。

U455.49

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1009-7716（2017）07-0175-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.053

2017-03-17

赵明华(1982-),男,黑龙江绥化人,工程师,从事土建施工技术工作。