黃海波

(中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430052)

斷層及其破碎帶是隧道開挖過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，是因地殼變動(dòng)使地層巖體沿破裂面發(fā)生明顯位移或較大錯(cuò)動(dòng)的斷裂構(gòu)造[1]。它的分布區(qū)段是隧道圍巖不穩(wěn)定的區(qū)段之一[2]。在多數(shù)情況下，斷層破碎帶是作為一個(gè)低強(qiáng)度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在的，與其兩側(cè)巖體在物理力學(xué)特性上具有顯著差異[3]。在其中開挖隧道容易失穩(wěn)，發(fā)生突涌水災(zāi)害，進(jìn)而導(dǎo)致塌方事故，造成人員、設(shè)備損失，使工期延后，費(fèi)用增加[4]。因此，處治斷層是十分重要的。

筆者在天山勝利隧道敞開式TBM穿越F6斷層破碎帶施工的實(shí)踐過程中，針對(duì)F6斷層處治工程，對(duì)一系列處治措施進(jìn)行分析比選研究，以此為相關(guān)工作提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

天山勝利隧道是烏尉高速的一條分離式特長深埋隧道，最大埋深約 1 112.6 m，具有跨度大和小高跨比的特點(diǎn)。

隧道位于F6斷裂(博-阿斷裂)影響區(qū)內(nèi)，F(xiàn)6斷裂(博-阿斷裂)主斷裂樁號(hào)PK77+730-PK77+830，寬度約100 m；斷裂影響帶在隧道洞身里程PK77+565-PK77+892，寬度約345 m，隧址區(qū)F6(博-阿斷裂)破碎帶和影響帶范圍示意見圖1。

圖1 隧址區(qū)F6(博-阿斷裂)破碎帶和影響帶范圍

隧道走向與斷裂帶走向交角約為85°，受斷裂影響，巖體破碎，圍巖等級(jí)為V和IV級(jí)。施工時(shí)拱部無支護(hù)易產(chǎn)生大規(guī)模坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定性較差。在預(yù)計(jì)和冰雪融化季節(jié)施工時(shí)呈淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，?duì)隧道影響程度較大。

1.2 地形地貌情況

天山勝利隧道位于剝蝕構(gòu)造高山地區(qū)，隧道橫穿天山，山體總體呈東西走向，勝利達(dá)坂一帶呈弧形向南突出，地形起伏大，線路區(qū)最高海拔為天山山頂4 165 m，最低為隧址區(qū)進(jìn)口端海拔2 780 m，相對(duì)高差近1 390 m。隧址區(qū)山高坡陡，多形成懸崖峭壁，巖石風(fēng)化破碎，冰川地貌發(fā)育，河谷切割較深，多為“V”形谷。

隧址區(qū)位于構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)，中軸線地面高程2 777.00～4 113.00 m，相對(duì)高差1 336.00 m，地形起伏大，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，冰川及冰川地貌發(fā)育，堆積物主要以第四系冰水堆積碎塊石土為主。

1.3 水文地質(zhì)情況

隧址區(qū)地表水系主要為烏魯木齊河、烏拉斯臺(tái)河和阿拉溝河，地下水主要受北側(cè)烏魯木齊河、南側(cè)烏拉斯臺(tái)河及其支流控制，主要靠大氣降水補(bǔ)給為主。地表地層主要為全新統(tǒng)冰水堆積碎塊石，全新統(tǒng)崩坡積碎塊石，分布不均勻，大部分地段基巖出露，隧址出露地層巖性主要為泥盆系變質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r，志留系石英片巖及華力西期侵入花崗巖、花崗閃長巖等。

總體而言，隧址區(qū)地下水類型較復(fù)雜，相對(duì)含水層的富水性較強(qiáng)、透水性中等，相對(duì)隔水層富水性及滲透性弱，地下水的補(bǔ)給主要受季節(jié)控制，徑流和排泄條件較好，巖體富水性及滲透性差異較大，但總體上富水性一般，滲透性不高，地下水量一般，有集中涌水可能，故擬建隧址區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。

2 處治F6斷層施工方案

2.1 中導(dǎo)管預(yù)支護(hù)

采用TBM機(jī)組自帶的ATLAS1838HD+中導(dǎo)管鉆機(jī)，鉆設(shè)直徑76～89 mm中導(dǎo)管管棚，長度約35 m，鉆孔角度8°，TBM主機(jī)長度9.7 m，預(yù)留搭接長度5.0 m，有效掘進(jìn)長度25 m，間距400 mm。

中導(dǎo)管要求除搭接TBM主機(jī)段外，全部做成花管，端部做成尖狀，方便下管。

2.2 全斷面注漿堵水固結(jié)

當(dāng)掌子面發(fā)生突涌水，而且圍巖狀況相對(duì)完整，此時(shí)，可將TBM主機(jī)后退約3.8 m，在掌子面搭設(shè)腳手架，施工鉆機(jī)采用能從人孔或中心刀孔轉(zhuǎn)移的架柱式液壓鉆機(jī)，鉆孔深度約25 m，盾體外擴(kuò)散半徑約6 m，灌漿漿液可以考慮采用水泥-水玻璃雙液漿、堵水化學(xué)材料、水下不擴(kuò)散絮凝混凝土等灌漿材料。采用由外向內(nèi)分層鉆孔分層注漿。每次恢復(fù)掘進(jìn)后，預(yù)留約5 m的制漿巖盤，再進(jìn)行下一循環(huán)施工。全斷面注漿堵水固結(jié)有很強(qiáng)的實(shí)踐性，根據(jù)地質(zhì)水文條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)，否則難以達(dá)到預(yù)期目的[5]。

2.3 管棚超前注漿固結(jié)

首先通過刀盤人孔、滾刀孔、鏟刀進(jìn)渣口、刀盤護(hù)盾防塵罩預(yù)留孔等對(duì)掌子面進(jìn)行化學(xué)灌漿加固，主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：①加固掌子面，防止超前灌漿材料回流損壞TBM設(shè)備；②防止管棚下與TBM盾體和刀盤脫空部位松散圍巖坍塌，造成管片懸空受力，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；③TBM掘進(jìn)過程掌子面的穩(wěn)定可確保TBM脫困效果，延長一次脫困施工距離。減少脫困施工頻次，提高斷層施工進(jìn)度。

管棚鉆注一體施工采用意大利卡薩C3XP-2隧道多功能鉆機(jī)，可實(shí)施直徑108～254 mm管棚，最大鉆孔深度120 m。本工程擬采用直徑108 mm鋼管棚，可實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)，隨后即可進(jìn)行超前灌注。灌漿采用TW400/S高壓三列注漿泵(功率400 kW，額定灌漿壓力80 MPa)。

2.4 TBM主機(jī)通過后周邊注漿固結(jié)

TBM主機(jī)掘進(jìn)通過后，出現(xiàn)以下情況需要進(jìn)行后加固處理：①一次支護(hù)外為軟巖擠壓變形圍巖，通過監(jiān)控量測(cè)，圍巖收斂變形仍在繼續(xù)，為確保隧洞施工安全，需要在360°范圍內(nèi)鉆孔安裝系統(tǒng)錨桿；②一次支護(hù)外為破碎圍巖，通過監(jiān)控量測(cè)，圍巖收斂變形仍在繼續(xù)，為確保隧洞施工安全，需要在360°范圍內(nèi)鉆孔安裝注漿花管并進(jìn)行注漿加固，注漿前應(yīng)進(jìn)行巖面封閉。

2.5 地表深孔定向注漿固結(jié)

在斷層規(guī)模較大時(shí)，為節(jié)省TBM穿越斷層施工工期，在TBM到達(dá)前提前采取地表深層定向灌漿，能夠?qū)崿F(xiàn)TBM穿越段斷層的超前預(yù)加固，簡(jiǎn)化TBM斷層帶施工工藝，地表深層定向灌漿示意圖見圖2。

圖2 地表深層定向灌漿示意圖

2.6 水平凍結(jié)法

凍結(jié)法是通過人工制冷技術(shù)凍結(jié)土體水分，使土體變成具有較高強(qiáng)度的凍土體。凍結(jié)法有良好的加固與封水效果，凍結(jié)土體的強(qiáng)度高并可根據(jù)施工要求調(diào)節(jié)不同部位土體的強(qiáng)度，且適用于任何含一定水量的松散巖土層，尤其在富水砂層地鐵工程應(yīng)用中有較好的優(yōu)越性[6]。

人工地層制冷技術(shù)分為鹽水(CaCl2溶液)冷媒劑循環(huán)間接制冷，液氮(N2)制冷劑氣化直接制冷兩類。通常采用氟利昂(R22)或氨(NH3)制冷劑間接制冷法。

隨冷媒劑循環(huán)，地層中的水逐漸結(jié)冰，形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，并不斷外擴(kuò)大與相鄰凍結(jié)圓柱連為一體，最終形成具一定厚度及強(qiáng)度的凍結(jié)帷幕(凍結(jié)壁)。凍結(jié)管直徑×壁厚為89 mm×10.0 mm或直徑×壁厚為89 mm×8.0 mm，供液管直徑×壁厚為45 mm×3.0 mm，接頭強(qiáng)度不低于母管的75.0%。

2.7 迂回導(dǎo)坑法

迂回導(dǎo)坑法適用于大規(guī)模斷層破碎帶、地質(zhì)條件復(fù)雜和TBM無法安全通過的不良地質(zhì)條件[7]，迂回導(dǎo)坑平面示意見圖3。

圖3 迂回導(dǎo)坑平面示意圖(單位：m)

TBM掘進(jìn)通過斷層破碎帶時(shí)，受碳質(zhì)板巖、片麻狀花崗閃長巖等破碎圍巖影響，刀盤和護(hù)盾段易被破碎巖體卡死受困?？刹捎糜鼗貙?dǎo)洞鉆爆法處治，TBM步進(jìn)通過。利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)TBM刀盤距離斷層破碎帶50 m時(shí)停止掘進(jìn)，然后在距離TBM尾部50 m的安全距離處開辟輔助橫洞，直通右側(cè)主洞，開辟迂回導(dǎo)洞，到達(dá)斷層破碎帶。對(duì)斷層進(jìn)行鉆爆法施工，由于斷層圍巖地質(zhì)較差，采用微臺(tái)階開挖施工方案，必要時(shí)采用環(huán)形開挖留核心土法，爆破完成后，采用側(cè)翻裝載機(jī)配合自卸汽車運(yùn)至洞外永久棄渣場(chǎng)。

3 方案比選

3.1 施工方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

從方案的注漿或凍結(jié)效果、技術(shù)要求、施工工期、施工成本等角度對(duì)各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，各方案的優(yōu)、缺點(diǎn)分析結(jié)果見表1。

表1 各個(gè)處治方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.2 方案適用性分析

各個(gè)方案在天山勝利隧道F6斷層處治上的適用性分析見表2。

表2 F6斷層處治方案適用性分析

3.3 比選結(jié)論

方案五地表深孔定向注漿固結(jié)與方案三管棚超前注漿固結(jié)相對(duì)其他方案而言更適合F6斷層施工。最終具體實(shí)施順序?yàn)槭紫炔扇》桨肝宓乇砩羁锥ㄏ蜃{固結(jié)灌漿加固F6斷層破碎帶，TBM到達(dá)F6斷層位置采取方案三管棚超前注漿加固，然后TBM掘進(jìn)通過該洞段，并同步施工預(yù)支護(hù)和一次支護(hù)，TBM主機(jī)通過后，進(jìn)行后期圍巖收斂變形監(jiān)控量測(cè)，對(duì)存在收斂變形洞段，及時(shí)采取周邊注漿固結(jié)加固。

4 結(jié)語

天山勝利隧道穿越的F6斷層為一條長期活動(dòng)、以不同深度、不同變形行為和不同運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樘卣鞯膹?fù)合區(qū)域深大斷裂，活動(dòng)性質(zhì)為右旋逆走滑形，斷裂錯(cuò)動(dòng)了山脊、水系及I～I(xiàn)I級(jí)臺(tái)地。沿?cái)嗔褞蟼?cè)斷續(xù)出露前寒武紀(jì)變質(zhì)巖。對(duì)于F6斷層的處治，通過對(duì)比、分析、優(yōu)化，選擇最佳方案，使項(xiàng)目的建設(shè)工期、成本、質(zhì)量等達(dá)到最優(yōu)。

對(duì)天山勝利隧道F6斷層處治的7種施工方案進(jìn)行分析：中導(dǎo)管預(yù)支護(hù)方案可利用TBM作為操作平臺(tái)，利用自帶設(shè)備鉆孔，而中導(dǎo)管承載力偏低；全斷面注漿堵水固結(jié)方案要求圍巖相對(duì)完整且穩(wěn)定性較好，而F6斷層巖體較破碎；TBM通過后周邊注漿固結(jié)方案對(duì)長大斷層破碎帶不適用，對(duì)TBM刀盤通過不良地質(zhì)段無幫助；水平凍結(jié)法方案施工工期長且費(fèi)用相對(duì)較高；迂回導(dǎo)坑法方案工期較長，鉆爆施工震動(dòng)擾動(dòng)圍巖，管棚及注漿量大。

綜上所述，采用地表深孔定向注漿固結(jié)結(jié)合管棚超前注漿固結(jié)方案，在工程質(zhì)量、建設(shè)工期和成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，可為類似工程項(xiàng)目施工方案的選擇提供借鑒。