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龙泉驿断层破碎带隧道处理技术浅析

  摘要: 结合成都多座穿越龙泉驿断层破碎带隧道的工程地质、施工情况,重点分析了穿越龙泉驿断层破碎带的隧道出现初期支护变形、开裂、塌方等施工病害原因及其处理技术,为以后类似地质的隧道设计与施工提供参考。

  关键词:断层破碎带,隧道,施工病害,处理技术

  前言

  随着我国经济实力的不断增强,交通事业也得到了空前的发展,在地形高差大、地质复杂和需要重点保护的原始森林、河流、水库及城市森林公园等情况下修建的公路隧道也越来越多,地质复杂的成都龙泉山即是如此,据不完全统计,通过龙泉山的隧道工程大概有20多座(如成简快速路的龙泉山1#、2#隧道,成安渝高速公路的龙泉山1#~4#隧道等),其中有多座隧道通过龙泉驿断层,这些隧道施工中均出现了地表开裂塌陷、初期支护变形不收敛甚至开裂现象,洞内多次发生坍方、冒顶等严重影响施工安全的工程问题。

  在此笔者就产生以上工程问题的原因及处理技术与大家作初步探析,以期对类似地质隧道设计与施工具有指导意义。

  1. 龙泉驿断层概况

  龙泉驿断层属区域性压扭型逆断层,且为活动断裂,位于龙泉山大背斜西翼,其中龙泉驿至金堂东,断层因第四系掩盖为隐伏断层。断层南起仁寿陈大山之西,向南断裂形迹逐渐消失而代之以岩层陡立带;向北,陈大山至老君庙之间。成都龙泉驿以北断层走向近南北,倾向东,倾角75°;以南断层走向北15°东,倾向南东,倾角35°。东盘(下盘)上沙溪庙组、遂宁组与西盘(下盘)灌口组接触,地层垂直断距达10米,破碎带及其影响带宽约200米。

  断层破碎带由断层角砾及断层破碎岩组成(局部泥岩风化严重),该岩层表现为紫红、褐黄、灰白、棕红色,由泥岩、泥质砂岩等受挤压形成,其中泥岩多呈土状,砂岩、泥质砂岩岩体破碎,分布于龙泉驿逆断层及其影响带内。

  2. 龙泉驿区域性气象资料

  该区属亚热带温湿季风气候,春早夏热、秋多绵雨日照少,冬无严寒时间长且多雾、霜雪少,四季分明,雨量充沛、气候温和等特征。

  据成都市龙泉驿区气象局提供气象资料显示:降水量分布不均,年际内变幅大,年平均降水量为887.8mm,主要集中在5~9月份,占全年降水量的75~80%,雨热同季,冬季少有降雪;相对湿度77~82%;年平均蒸发量1146.5mm;年平均日照时间1036.8小时;冬季多雾,年平均雾天天数31.1天;年平均无霜期350天;主导风向为东北风,年平均风速1.2m/s,最大风速20 m/s。

  3. 施工病害表现

  从成简路龙泉山一号隧道、成安渝高速公路龙泉山3#隧道及成都铁路第二货运通道龙泉山隧道的施工情况来看,隧道从进入断层破碎带至施工完毕,进展均不顺利,出现了较多影响施工安全的工程问题,主要表现为以下几个方面:

  (1)隧道施工中多次发生塌方事故,洞顶地表开裂、变形甚至出现塌陷坑

  据调查成简路龙泉山一号隧道施工现状,曾出现右洞洞口约40m范围洞顶山体出现多条裂纹,其中,最大纵缝长度约15m,最大缝宽达25cm,同时地面产生了局部塌陷,并形成一小型的塌陷漏斗。

  (2)洞内初期支护变形不收敛、洞身拱顶下沉、边墙部位侵限。根据监控量测资料,隧道拱顶最大沉降累计值最大达150cm左右,边墙收敛值最大达140cm左右,部分初期支护已侵入二次衬砌空间。

  4.原因分析

  4.1地质原因:

  (1)龙泉驿断层属活动性断层,其破碎带宽约200米,主要为强风化的断层压碎泥岩,岩体极破碎。受断层影响,附近岩体节理发育,风化严重(全、强风化带厚度大于20米)。前述隧道主要穿行于泥岩的全、强风化层及断层压碎岩中,加之层面及不利节理面的影响,岩体自稳性差。

  (2)由于上部围岩为粘性土及泥岩全、强风化带,表土松散,土体在地表水作用下本身存在溜坍变形,加之隧道开挖卸荷变形和围岩应力重分布等的作用,施工若不及时支护便会引起拱顶围岩圈的松弛及坍顶现象,并在坍顶处形成空腔,不良反应在表土荷载的作用下被加剧,加上地表水的入渗,继而引起地表开裂及局部塌陷。

  (3)断层破碎带中岩体极为破碎,地表水与隧道围岩具有贯通性,隧道开挖使远处地下水汇集于此,地下水增多,导致泥岩遇水软化、物理力学性能指标降低、自稳能力下降,继而造成围岩变形和地层压力加大。加之前述多座隧道施工均为雨季施工,大量雨水通过地表渗入隧道周边岩层,加剧了围岩变形和地层压力的发展。

  4.2施工原因:

  (1)多数隧道采用台阶法施工,仰拱施作严重滞后于开挖面,上台阶暴露时间过长,致使初期支护不能及时封闭成环。加之施工排水不畅,致使上台阶钢架脚基础变软,承载力降低,最终导致初期支护长时间变形不收敛、下沉、甚至侵限、塌方。

  (2)存在钢架施作不规范和间距拉得过大、初期支护拱部系统锚杆少打或未打、超前支护少打或未注浆等现象,减弱了初期支护刚度,降低了超前支护的预加固作用。

  5 处理措施

  5.1 初期支护变形、不收敛及侵限处理

  隧道初期支护变形、不收敛及侵限处理方案:一是调整路线纵坡满足隧道净空,二是加固围岩、拆换初期支护,三是既调整路线纵坡又进行初期支护拆换。

  (1)方案适用条件

  方案一:尽管洞内初期支护变形过大,但有条件通过降低路面设计高程、对已施工段支护和衬砌进行加强后仍可满足使用功能的地段。

  方案二:洞内初期支护变形过大,通过降低路面设计高程不能满足隧道净空要求的地段。

  方案三:既通过调整路线纵坡降低工程处理造价,又通过加固已施作初期支护段围岩和拆换初期支护以保证施工及结构安全。

  (2)处理技术

  调整路线纵坡需根据不同隧道的变形及坡度设计情况确定,在此仅对拆换初期支护方案进行详细论述如下:

  1)初期支护拆换措施

  ①洞内初期支护变形较小(侵占二次衬砌空间≤15cm)但不收敛时主要采取围向注浆加固岩径、加强二次衬砌结构、紧跟二次衬砌等措施。

  ②初期支护变形较大(侵占二衬空间大于15cm)且不收敛,但仅局部段落侵限严重时主要采取局部径向注浆加固围岩、局部拆换初期支护、加强二次衬砌结构、紧跟二次衬砌等措施。

  ③对初期支护变形较大,不收敛,但大部分侵限严重段(侵占二衬空间大于15cm)主要采取拱墙围岩径向注浆加固、拱墙拆换初期支护、加强二次衬砌结构、二次衬砌紧跟等措施。

  2)初期支护拆换步骤

  第一步:架立拆换段临时钢架。

  第二步:注浆加固周边围岩。

  第三步:逐步凿除初期支护混凝土和拆换钢架。

  第四步:逐步恢复上半断面初期支护,开挖下半断面时及时施工下半断面初期支护并封闭成环。

  第五步:施作仰拱、仰拱填充及拱墙二次衬砌。

  3)初期支护拆换施工注意事项

  ①初期支护拆换施工时,一次拆换进尺不能大于2榀钢架间距,并应加强监控量测工作,根据监控量测信息指导拆换施工。

  2初期支护拆换完成后,开挖下半断面时施作下半断面初期支护并封闭成环,及时施作仰拱、仰拱填充,紧跟二次衬砌。

  5.2隧道塌方、冒顶处理

  隧道出现塌方、冒顶现象主要采取封闭塌方面、注浆加固坍塌体、加强初期支护及二次衬砌结构、设置护拱后回填等措施进行处理

  5.3 前方未施工段处理

  (1)加强结构

  加强初期支护刚度(如加密钢架),加大初期支护预留变形量、加强二次衬砌结构、加强超前支护措施(如采用超前双层小导管注浆加固)。

  (2)优化施工方法

  未施工段采用微台阶法或中壁法施工,微台阶法施工时设置临时仰拱或竖撑。上台阶开挖完成后及时进行下台阶开挖,及时施作仰拱及仰拱填充,初期支护尽早封闭成环,二次衬砌及时跟上。

  6 治理效果

  从前述隧道的监控量测资料来看,主要取得了以下效果:

  (1)多处塌方段按前述措施进行处理后,拱顶不再下沉,边墙很快收敛,隧道洞内变形得到了有效控制,地表裂缝不再继续发展、扩大。

  (2)初期支护变形段通过对围岩进行注浆加固后,初期支护在拆换过程中及拆换后变形没有新的发展,从而保证了隧道施工及结构的安全。

  (3)随着洞内初期支护的及时封闭成环及二次衬砌的及时跟进,隧道掌子面后方的地表裂缝逐渐趋于稳定,且在回填密实后无新的发展。

  7 结束语

  通过前述分析研究,对穿越断层破碎带的隧道设计和施工总结如下:

  (1)断层破碎带土质隧道的设计与施工,应特别注意地下水对围岩稳定性的影响,地下水丰富的地段,其围岩级别、稳定性应重新评估,并结合实际情况调整处理方案。

  (2)断层破碎带土质隧道的设计与施工,应充分认识到初期支护及时封闭成环、二次衬砌紧跟的重要性,应选用方便初期支护及时封闭成环、有效控制隧道变形及开裂甚至塌方的施工工法及工序。

  (3)土质隧道的施工,应加强防排水工程的管理,尽量减少地下水对围岩的侵蚀软化,做好钢架基底处的排水措施,加强抽水设备能力及设置临时排水沟。

  (4)在处理好洞内坍塌、变形的同时,对地表开裂变形处应及时进行夯实回填处理并做好防排水措施。

  参考文献

  [1]铁道部第二勘测设计院·铁路工程设计技术手册.隧道[K]·北京·中国铁道出版社

  [2]《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)

  [3]王梦恕 等·《中国隧道及地下工程修建技术》·北京·人民交通出版社

  [4]徐学深 王俊强·公路浅埋土质隧道塌方后的技术处理措施·见《现代隧道技术》第39卷第3期·2002年6月

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