斷層破碎帶是公路隧道建設(shè)過程中難以避免的不良地質(zhì)工況之一,其地質(zhì)情況的多變、復雜極易導致塌方,給隧道建設(shè)帶來困擾。文章依托上思至防城港公路太陽島隧道,針對砂巖地層斷層破碎帶處塌方具體工況,提出反壓回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“長短結(jié)合”的超前支護體系、整體提高支護參數(shù)等綜合處治方案。通過實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及雷達探測結(jié)果驗證,該方案處治效果滿足實際工程需要,可為類似工況隧道的設(shè)計施工提供借鑒。
公路隧道;斷層破碎帶;塌方處治;監(jiān)控量測;物探檢測
U457+.2A331163
作者簡介:陳增穩(wěn)(1992—),碩士,工程師,主要從事公路隧道設(shè)計工作。
0" 引言
公路隧道在修建過程中,不可避免地會穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶地質(zhì)情況復雜、多變,極易形成塌方。如處治不善,不僅會增加施工風險,還會在隧道建成后易導致二襯開裂、滲水等病害。因此,研究隧道穿越斷層破碎帶塌方處治具有重要的意義。朱勝祥[1]通過現(xiàn)場試驗論證了采用超前小導管雖然可以控制圍巖變形,但止水效果差;楊江峰[2]依托亞曲灘隧道具體工況進行模擬分析,結(jié)果表明超前管棚對隧道拱頂沉降的控制效果最好,其次是拱底,最后是拱腰;宋洋等[3]通過理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測驗證,對富水軟巖破碎帶隧道預留變形量進行了優(yōu)化研究。本文以上思至防城港公路太陽島隧道ZK7+132處斷層破碎帶處塌方處治為例,提出了砂巖地層斷層破碎帶隧道塌方合理可行的處治方案。
1" 工程概況
1.1" "基本工況
上思至防城港公路位于廣西防城港市,采用雙向四車道高速公路技術(shù)標準,設(shè)計速度為100 km/h,路基寬度為26 m。太陽島隧道位于上思至防城港公路K6+252~K8+540段,隧道左右洞平均長度為2 278 m,屬長隧道。隧道洞口段主要穿越第四系殘積層(Q4el)地層,洞身段主要穿越侏羅系下統(tǒng)百姓組中段(J1b1)砂巖及泥質(zhì)粉砂巖地層。勘察階段判斷在K7+410(ZK7+380)段附近穿越F1斷層,該斷層為非全新活動斷層。施工階段在ZK7+127~ZK7+137段揭露斷層破碎帶,該破碎帶處圍巖為極破碎黃褐色泥質(zhì)粉砂巖,無水,呈松散碎石土狀(見圖1)。
1.2" 原設(shè)計方案
ZK7+127~ZK7+137段前期勘察結(jié)果為Ⅳ1級,原設(shè)計超前支護為A25超前中空注漿錨桿(L=450 cm,環(huán)距為50 cm,縱距為300 cm);初期支護采用Ⅰ14鋼架(縱距為100 cm)、20 cm厚C25噴射混凝土+A8鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm、C22藥卷錨桿(L=300 cm,100 cm×100 cm梅花形布置);二次襯砌為40 cm厚C30防水混凝土,預留變形量為7 cm。
1.3" 超前地質(zhì)預報
本段超前地質(zhì)預報采用地質(zhì)雷達法,探測樁號為ZK7+119,探測結(jié)果如圖2所示。儀器設(shè)備采用SIR-4000型探地雷達系統(tǒng),該系統(tǒng)由儀器主機和100 MHz天線兩部分組成。具體檢測方式:在上臺階掌子面拱腰位置
兩條測線,上下錯開約1 m,均為從左向右探測。探測結(jié)果顯示距ZK7+119掌子面8~18 m的波形異常,即ZK7+127~ZK7+137段為地質(zhì)異常段。
砂巖地層隧道穿越斷層破碎帶塌方處治技術(shù)/陳增穩(wěn),歐陽慕,王瑞慧,謝" 沃
1.4" 塌方情況
結(jié)合超前地質(zhì)預報情況,按照強支護、短進尺的施工原則,在ZK7+127~ZK7+137地質(zhì)異常段增設(shè)超前小導管,并實施逐榀開挖逐榀支護。
隧道掌子面進至ZK7+132時地質(zhì)情況發(fā)生突變,拱頂出現(xiàn)40~50 cm厚的泥質(zhì)夾層,受施工擾動泥質(zhì)夾層在短時間內(nèi)失穩(wěn),拱頂大量由極破碎泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成的松散體呈傾瀉狀快速垮塌,堆積在掌子面前方,最終形成塌方。已施工的超前小導管被塌方體一并沖彎、脫落。塌方導致拱頂出現(xiàn)長約5 m、高約6 m、寬約4.6 m的塌腔。據(jù)現(xiàn)場作業(yè)人員描述,現(xiàn)場管理人員組織設(shè)備清理塌方體時,拱頂又有新的松散石塊不斷塌落,破碎帶處圍巖幾乎無自穩(wěn)能力。
2" 處治方案
經(jīng)過現(xiàn)場工況調(diào)查,推斷為斷層導致的破碎帶,判定此處破碎帶圍巖等級屬Ⅴ2級。綜合考慮圍巖質(zhì)量的急劇變化與現(xiàn)場坍塌的持續(xù),提出處治思路:應(yīng)先穩(wěn)定掌子面,止住塌方,再通過超前注漿加固土體,之后按照調(diào)整后的支護參數(shù)重新開挖支護。同時,塌方形成的空腔應(yīng)及時填充,完成后應(yīng)對填充效果進行檢測,確保填充密實。為此,結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備、材料,擬定如下處治方案。
2.1" 反壓回填
先用洞渣對掌子面進行反壓回填,回填分上下兩臺階,上臺階應(yīng)覆蓋塌腔范圍,并盡量填至拱頂,拱頂處機械不便作業(yè)時,可采用少量人工輔助。下臺階與上臺階錯臺3~5 m,下臺階空間以能夠容納現(xiàn)場設(shè)備作業(yè)為宜。反壓回填既能限制掌子面及塌方體的變形,又能起到阻止塌方持續(xù)發(fā)展的作用。
2.2" 超前預加固
考慮拱頂塌方體過于松散、無法自穩(wěn)的特征,超前支護采用強度較大、縱向支護區(qū)間較長的洞內(nèi)超前管棚,其參數(shù)為:管徑為89 mm,長度L=10 m,外插角≤12°,縱向間距為3 m,環(huán)向間距為40 cm。按照規(guī)范[4]要求,在管棚內(nèi)設(shè)置由3根C18主筋和固定環(huán)構(gòu)成的鋼筋籠。管棚注漿采用水泥漿,水灰比為1∶1,注漿壓力為0.5~2 MPa。
管棚縱向間距中的巖塊較為松散,如果其在管棚注漿過程中未充分固結(jié),容易發(fā)生掉塊。為防止以上現(xiàn)象發(fā)生,在兩環(huán)管棚中間設(shè)置一環(huán)超前小導管,其參數(shù)為:管徑為42 mm,長度L=10 m,外插角≤14°(可微調(diào),不得與管棚沖突),縱向間距為3 m,環(huán)向間距為40 cm。小導管注漿采用水泥漿,水灰比為1∶1,注漿壓力為0.5~1 MPa。
超前管棚與超前小導管有機配合,形成高強度、高密度的超前支護體系。這種“長短結(jié)合”的超前支護體系既起到了對未開挖圍巖的預支護作用,又起到了對拱頂松散體的預加固作用。
2.3" 支護參數(shù)調(diào)整
由于地質(zhì)條件的急劇變化,需調(diào)整支護參數(shù)以適應(yīng)V2級圍巖:初期支護調(diào)整為Ⅰ20a鋼架(縱距為60 cm)、26 cm厚C25噴射混凝土+8 mm鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm、25 mm中空注漿錨桿(L=350 cm,75 cm×60 cm梅花形布置),二次襯砌調(diào)整為50 cm厚C35防水鋼筋混凝土,預留變形量調(diào)整為15 cm。為限制拱腳沉降及左右側(cè)初支的收斂變形,初期支護增設(shè)仰拱,封閉成環(huán)。
考慮適應(yīng)反壓回填土形態(tài),方便施工,開挖工法采用上下臺階預留核心土法,采用機械開挖,每循環(huán)進尺為0.6 m,嚴格落實邊開挖邊支護原則。此外,施工初期支護時在拱頂塌腔位置預留泵送管、吹砂管和排氣管。
2.4" 塌腔處治
初支變形穩(wěn)定后,通過預埋管道向塌腔分層泵送C25混凝土,厚度≥1 m。填充混凝土強度形成80%后,通過吹砂管吹砂填充剩余空腔??紤]減輕拱頂荷載,選用輕質(zhì)砂。吹砂完成后,在鋪設(shè)防水板之前,需通過物探雷達掃描是否有剩余空腔。如存在空腔,通過預留的吹砂管或排氣管向內(nèi)部注漿,直至空腔內(nèi)填充密實;如物探雷達確認無空腔,用水泥砂漿封閉所有預留的管道,剪除多余部分,防止其刺破防水板(見圖3)。
3" 監(jiān)控量測
針對該段地質(zhì)反常段,設(shè)置拱頂下沉、拱腳下沉、周邊位移、初支狀態(tài)觀察4個監(jiān)測項目。由于該段隧道埋深達到220 m,屬深埋段,不再設(shè)置地表下沉測點。處治段落每3 m設(shè)置一個監(jiān)測斷面,按照2次/d的頻率加強觀測。處治過程中,掌子面無失穩(wěn),初支在ZK7+135處出現(xiàn)輕微環(huán)向裂縫,其他位置無開裂。最大變形出現(xiàn)在ZK7+135處:拱頂下沉最大變形速率為4.5 mm/d,最大累計變形量為112 mm;拱腳下沉(上臺階)最大變形速率為3.5 mm/d,最大累計變形量為86 mm;周邊位移(收斂變形)最大變形速率為4 mm/d,最大累計變形量為108 mm。隧道初支在剛施工后初期變形速率較高,之后急劇降低,直至二次襯砌施工前,累計變形量趨于收斂,初支未侵限。
4" 空腔檢測
為檢測處治效果,待初支變形穩(wěn)定后,在鋪設(shè)防水板之前采用SIR4000型探地雷達系統(tǒng)對處治段進行掃描探測(圖4)。以塌腔中點為中心,沿隧道縱向和隧道橫向各布置一條測線。因為輕質(zhì)砂和砂巖反射率差別較大,在圖5可以清晰地看到塌腔的范圍。結(jié)果顯示塌腔位置已基本被輕質(zhì)砂全部填充,空腔處治效果較好。另外,通過測線2的波形圖可以看到塌腔頂部以上約10 m
范圍內(nèi)的圍巖處于非常破碎的狀態(tài),如處治不及時,極有可能發(fā)生更大規(guī)模的坍塌,說明處治方案的實效性較好。
5" 結(jié)語
本文針對太陽島隧道左洞ZK7+127~ZK7+137段斷層破碎帶塌方工況,制定了反壓回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“長短結(jié)合”的超前支護體系、整體提高支護參數(shù)等綜合的處治方案,并應(yīng)用于施工。處治后初支變形可控,雷達掃描空腔填充密實。施工完二次襯砌后經(jīng)過持續(xù)觀察,處治段未見集中裂縫,襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。該方案工藝簡便,就地利用洞渣等材料,處治周期短,施工過程安全可靠,為砂巖地層斷層破碎帶隧道塌方提供了一種有效、穩(wěn)妥的處治技術(shù),可為類似工況的隧道設(shè)計施工提供借鑒。
[1]朱勝祥.超前小導管注漿預加固穿越隧道斷層破碎帶效果分析[J].青海大學學報,2023,41(6):41-47.
[2]楊江峰.隧道穿越軟弱破碎帶超前支護加固效果分析[J].建筑機械,2023(12):67-72.
[3]宋" 洋,于英杰,楊" 輝,等.富水軟巖隧道破碎帶圍巖穩(wěn)定性及預留變形量優(yōu)化研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2023,19(10):100-105.
[4]JTG 3370.1-2018,公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程[S].
20240314