富水断层带隧道安全施工技术

2019-09-21杨荣辉

国防交通工程与技术 2019年5期

关键词：仰拱钢架掌子面

杨荣辉

(中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西西安 710032)

1 工程概况

新建怀邵衡铁路线的岩鹰鞍隧道地处地质条件极其恶劣的雪峰山区，隧道全长5 302 m，为双线铁路隧道，设2个辅助坑道，隧道平面布置与工区划分如图1所示。

图1 隧道平面布置与工区划分

隧道全段断层较多，其中的F4断层带DK88+050～DK87+840段落为断层密集破碎带，岩性以石英砂岩为主，节理、裂隙发育，岩体较破碎。受断层破碎带影响，当掌子面推进至DK87+998处时，发生了较为严重的涌水涌砂灾害，造成隧道全面停工。如何确保在后续断层破碎带影响段隧道施工的安全，成为本工程的重难点问题。

2 施工方案

F4断层范围每循环帷幕注浆加固长度25 m，开挖长度20 m，注浆孔终孔间距3 m，注浆压力5.0～6.0 MPa，注浆速度10～100 L/min，前进式注浆。采用∅108 mm(壁厚6 mm)洞身超前长管棚注浆预支护，管棚纵向长25 m，环向间距20 cm(沿拱顶开挖轮廓线外侧布置，设置范围180°，每循环114根)，外插角≯11°。为保证开挖支护安全，拱部120°范围内管棚间辅以∅50 mm(壁厚5 mm)超前小导管补充注浆加固，小导管长5 m，环向间距20 cm，纵向间距为3 m一环,纵向搭接长度不小于1.5 m[1]。帷幕注浆注浆孔布置如图2所示。

图2 帷幕注浆注浆孔布置

F4断层范围围岩级别为Ⅴ级，采用三台阶四步法开挖。初期支护类型采用双层支护，第1层初支HW175型钢；第2层初支180四肢格栅钢架，主筋直径∅22 mm。正洞开挖前，对加固区进行超前钻孔检查验证，并检测其加固效果，若检测发现未达到加固效果，即视情况增设超前管棚加强支护或∅42 mm超前小导管局部补注浆加固[2]。

3 施工过程

3.1 开挖过程

开挖采用三台阶四步开挖法，隧道开挖断面划分如图3所示。

图3 三台阶四步法开挖

第一步：先行开挖①部并立即施作周边初期支护，①部与②间设置I22工字钢作为竖向临时支撑，边墙拱脚钻设2根锁脚锚管(锁脚锚管长5 m，直径70 mm，壁厚3.5 mm)，导坑底设置临时仰拱(I22工字钢)，复喷混凝土至设计厚度。

第二步：②部开挖滞后①部约4～6 m(图示d1)，②部开挖后立即施作周边初期支护，边墙拱脚钻设2根锁脚锚管(参数同①部)，导坑底设置临时仰拱(I22工字钢)复喷混凝土至设计厚度。

第三步：①、②部开挖20 m后，停止施工，施工第2循环帷幕注浆止浆墙及第2层支护(双层支护的第2层)。开展第2循环帷幕注浆工作。

第四步：第2循环帷幕注浆完成后，①、②部继续往前施工，并同时开展③部施工，③部滞后②部4 m开挖，完成后立即施工二次支护。④部施工滞后③部约8 m，④部开挖完成后应立即施工二次支护，及时浇筑仰拱及仰拱填充。

3.2 超前地质预报

3.2.1 掌子面地质素描

随着掌子面的推进，需要地质工程师对掌子面进行持续的地质素描记录，并根据掌子面地质素描的变化结合地勘资料进行预测。为可能出现的复杂地质情况提出预加固、加强支护或变更工法的工程措施。

3.2.2 物探超前预报

采取以地震波探测(TSP)为主要手段，辅以地质雷达探测、红外探水等物探方法，对隧道及辅助坑道的不良地质、地质构造、地层岩性、地下水进行超前预报[3]。

3.2.3 超前钻孔探测

结合三台阶四步法的开挖工法，设计如图4所示的钻孔布置。隧道断面设置∅108 mm探测钻孔，孔长30 m，相邻循环搭接长度5 m[4]。可根据探测的地质情况采取密布或加深孔深等措施进行调整。某次超前钻探结果见图5、图6。

图4 钻孔布置

图5 超前钻孔探测结果一

3.3 超前支护

在F4断层范围为确保施工安全，采取超前大管棚和超前小导管相结合的超前支护方式。其中超前大管棚的纵断面布置如图7所示。超前小导管共有两种形式：拱部120°范围内设置的超前小导管和180°范围外边墙设置的超前小导管[5]。

3.4 初期支护

初期支护类型采用双层支护，第1层初支采用HW175型钢，第2层初支采用180格栅钢架。第1层初期支护钢架由12个单元组成，第2层初期支护钢架由10个单元组成。第1层钢架单元由HW175型钢、连接钢板焊接成型，单元间由螺栓连接，接头处焊缝高度，腹板9 mm，翼缘12 mm。钢架在初喷4 cm混凝土后架设，架设完毕后须再喷混凝土，并保证不小于5 cm的覆盖厚度[6]。相邻钢架间采用∅22 mm钢筋连接，间距1.0 m，斜向内侧布置，并焊于钢架内翼缘处。钢架纵向连接示意见图8，双层初支钢架位置示意见图9。

图6 超前钻孔探测结果二

图7 超前预支护纵断面布置(单位：mm)

图8 钢架纵向连接示意图(单位：mm)

3.5 仰拱及二次衬砌

仰拱超前施工，衬砌紧跟，Ⅴ级围岩仰拱封闭成环距离掌子面距离不大于35 m，二衬距离掌子面距离不大于70 m。仰拱施工采用15 m长简易栈桥，整体式移动模架全幅一次浇筑11.9 m施工[7]。二次衬砌模板采用12 m长液压模板台车，HBT60混凝土泵送入模。仰拱、二衬混凝土均一次灌注成型，形成封闭结构，提高衬砌结构的承载力[8]。