大跨隧道穿越断层破碎带支护及施工技术研究

吴子瀛

(中国建筑第八工程局有限公司文旅博览投资发展有限公司,上海 200122)

0 引言

由于断层破碎带地质条件恶劣、地下水位高、岩层稳定性差等特点,给隧道施工带来了极大的困难与挑战。近年来,许多学者就此问题展开了深入的探讨。李晓飞[1]利用ANSYS对各种支护进行了数值仿真,得到了以1.5 m间隔 U形钢支承结构作为支护结构时,其稳定性能最佳。田野[2]从理论和数值仿真两方面探讨了在不同工种条件下,拱架顶塑性区的分配及掌子面稳定。李文华[3]以五峰山洞1号隧道为实例,对断裂与洞口的相对方位和断裂倾斜角度等因素的关系进行了较为详细的研究。郑书笛[4]重点对超前小导管、超前小导管和双层超前小导管进行了数值模拟,并对其在穿越断层破碎带的情况下的支护作用进行了深入的分析。王文章[5]利用数值仿真与实地测试相结合的方法,对预应力帷幕灌浆在断层破碎带中的作用进行了深入的探讨。

由于大跨度的隧洞在断层破碎带中的建设比较复杂,技术难度较大。在设计和施工中,这是一个十分重要的课题,必须在实践中进行大量的学习和总结,以丰富设计、施工经验和相关的理论。

1 隧道概况

该项目隧道主洞内轮廓采用三心圆曲边墙结构,拱部及边墙采用R1=840 cm和R2=505 cm半径的三心圆,仰拱采用R4=2 200 cm圆弧,仰拱与侧墙间采用R3=200 cm小半径圆弧连接,路面以上净空面积102.64 m2,内轮廓总高10.00 m,内轮廓总宽15.588 m。

2 地质条件

K125+890至K125+940段围岩主要为断层破碎带,以构造角砾岩为主,岩体极破碎,岩质极软,为主要富水带,围岩自稳性极差。地下水总体较发育,主要为基岩裂隙水和断裂带富水,开挖时主要呈淋雨状出水,断裂带附近呈涌流状出水。Rc=35.2 MPa;Kv=0.45;[BQ]=248.1。

3 大跨公路隧道断层破碎带支护参数研究

3.1 案例调研

根据我国2010版《公路隧道设计细则》[6]中对跨度的划分标准,详见表1。

表1 2010版《公路隧道设计细则》

马槽仔隧道内轮廓宽度为15.588 m,属于大跨隧道,应对各地所建大跨公路隧道或铁路隧道穿越断层破碎带进行调研,调研结果如表2所示。

表2 大跨公路隧道断层破碎带衬砌主要支护参数调研

3.2 支护参数确定

支护参数选取除考虑现行相关规范的规定外,还需结合地勘资料中断层破碎带的围岩地质特性,并考虑上述调研中的支护参数设计经验,综合确定马槽仔隧道穿越断层破碎带时的衬砌支护参数,如表3所示。

表3 马槽仔隧道复合式衬砌S-Vt支护参数表

4 数值模拟计算[7-8]

4.1 选择参数

本次数值模拟计算的物理力学参数的选取主要是根据隧道工程地质勘察报告,并参考2018版《公路隧道设计规范》,再结合工程及计算经验选取,具体参数表见表4,表5。

表4 模型材料物理力学参数值

表5 模型围岩物理力学参数值

4.2 模型建立

根据2010版《公路隧道设计细则》的要求,围岩和断层采用摩尔-库仑本构模型,结构单元采用弹性本构模型,锚杆通过提高加固区围岩的黏聚力和内摩擦角来模拟,喷射混凝土,钢支撑采用梁单元模拟,围岩,断层及二衬采用平面应变模拟。初期支护钢拱架通过提高喷射混凝土的强度值来近似模拟。根据以上材料和属性建立隧道模型,并考虑双侧壁导坑法施工。

4.3 结果分析

4.3.1 位移分析

在开挖过程中,最大位移出现在施工过程4,为7.7 mm。详见图1。

由图1可知,施工过程中的位移可以满足设计预留变形量15 cm的要求。

4.3.2 拱顶沉降分析

拱顶沉降计算值与现场实测值见图2。通过对比发现理论计算最大值约为3.3 mm,略小于实测值,这是由于理论计算并未考虑超前支护的加强作用。同时我们可以发现计算值的变化趋势与实测值基本相同。

4.3.3 二衬内力分析

在拆除钢支撑并施做二衬后,最大轴力发生在左侧拱墙处,为1 536.5 kN,详见图3。最大弯矩也发生在左侧拱墙处,为31.36 kN·m,详见图4。

根据计算可以发现,二衬砌的裂缝宽度、安全系数都符合设计规范,并且预留了大量的安全储量,因此,本工程所选用的衬砌支护参数是合理的,足以保证结构的安全。

5 大跨公路隧道穿越断层破碎带施工技术要点

5.1 围岩变形处置

根据调研的结果发现,最常用的开挖工法就是双侧壁导坑法,双侧壁导坑法将大跨施工分解成小跨施工,减少了对围岩的扰动,可以有效地减少围岩的变形,是比较理想的开挖工法。在开挖时,应坚持“随挖随支护和先喷后锚”的原则,应在爆破、通风后及时对岩面进行初喷,尽快封闭围岩,控制围岩的初期变形。初支钢架应及时落底封闭,钢架基础应稳固牢靠,每榀钢架间用纵向钢筋连接成整体,以增强钢架的整体支承能力和抵抗围岩变形能力。同时必须加强施工过程中的监控量测工作,根据监控量测的结果及时反馈信息,合理修正支护参数,以降低围岩变形的风险。

5.2 掌子面坍塌处理

为防止开挖引起掌子面坍塌,可采用超前帷幕预注浆,双层超前小导管注浆进行加固,通过加固围岩体提高其自身承载力,减少开挖造成的掌子面坍塌的风险。在施工中要严格遵循“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧二衬”的原则,二次衬砌与仰拱施做应紧跟开挖面进行,满足安全施工要求。同时在施工时必须要严格控制好爆破药量,选择合理的掏槽形式,控制好钻爆的参数和起爆的顺序,这样才能更好地降低掌子面坍塌的风险。

5.3 突泥涌水处理

对于断层破碎带等易发生突泥涌水地段,应加强施工过程中地下水的探测,加强超前地质预报、超前探水工作。采用TSP法和超前地质探孔相结合的方法进行地质预报工作,探明导水构造和隔水薄弱层的具体位置进而准确掌握涌水量和涌水压力。通过超前钻孔,将破碎带的富存水及水压排出一部分,降低掌子面突泥涌水的风险。

6 结论

本文通过对类似工程进行调研,采用了工程类比法初步确定了大跨公路隧道穿越断层破碎带的衬砌参数,并通过数值计算验证了参数的安全性和合理性。同时对双侧壁导坑法的开挖过程进行了数值模拟,验证了它是通过断层破碎带比较理想的开挖工法。文章最后对隧道通过断层破碎带可能遇到的围岩变形、突泥涌水、掌子面坍塌等风险提出了相应的处理措施和预防方案。期望能对以后类似工程的设计和施工有所帮助。