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砂岩地层隧道穿越断层破碎带塌方处治技术

2024-10-14 61 上传者：管理员

摘要：断层破碎带是公路隧道建设过程中难以避免的不良地质工况之一，其地质情况的多变、复杂极易导致塌方，给隧道建设带来困扰。文章依托上思至防城港公路太阳岛隧道，针对砂岩地层断层破碎带处塌方具体工况，提出反压回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“长短结合”的超前支护体系、整体提高支护参数等综合处治方案。通过实际监控量测数据及雷达探测结果验证，该方案处治效果满足实际工程需要，可为类似工况隧道的设计施工提供借鉴。

关键词：
公路隧道
塌方处治
断层破碎带
物探检测
监控量测
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公路隧道在修建过程中，不可避免地会穿越断层破碎带。断层破碎带地质情况复杂、多变，极易形成塌方。如处治不善，不仅会增加施工风险，还会在隧道建成后易导致二衬开裂、渗水等病害。因此，研究隧道穿越断层破碎带塌方处治具有重要的意义。朱胜祥[1]通过现场试验论证了采用超前小导管虽然可以控制围岩变形，但止水效果差；杨江峰[2]依托亚曲滩隧道具体工况进行模拟分析，结果表明超前管棚对隧道拱顶沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰；宋洋等[3]通过理论分析及现场监测验证，对富水软岩破碎带隧道预留变形量进行了优化研究。本文以上思至防城港公路太阳岛隧道ZK7+132处断层破碎带处塌方处治为例，提出了砂岩地层断层破碎带隧道塌方合理可行的处治方案。

1、工程概况

1.1基本工况

上思至防城港公路位于广西防城港市，采用双向四车道高速公路技术标准，设计速度为100 km/h,路基宽度为26 m。太阳岛隧道位于上思至防城港公路K6+252～K8+540段，隧道左右洞平均长度为2 278 m,属长隧道。隧道洞口段主要穿越第四系残积层(Q4el)地层，洞身段主要穿越侏罗系下统百姓组中段(J1b1)砂岩及泥质粉砂岩地层。勘察阶段判断在K7+410(ZK7+380)段附近穿越F1断层，该断层为非全新活动断层。施工阶段在ZK7+127～ZK7+137段揭露断层破碎带，该破碎带处围岩为极破碎黄褐色泥质粉砂岩，无水，呈松散碎石土状(见图1)。

1.2原设计方案

ZK7+127～ZK7+137段前期勘察结果为Ⅳ1级，原设计超前支护为A25超前中空注浆锚杆(L=450cm,环距为50cm,纵距为300cm);初期支护采用Ⅰ14钢架(纵距为100cm)、20cm厚C25喷射混凝土+A8钢筋网@20cm×20cm、C22药卷锚杆(L=300cm,100cm×100cm梅花形布置);二次衬砌为40cm厚C30防水混凝土，预留变形量为7cm。

图1断层破碎带位置示意图

1.3超前地质预报

本段超前地质预报采用地质雷达法，探测桩号为ZK7+119,探测结果如图2所示。仪器设备采用SIR-4000型探地雷达系统，该系统由仪器主机和100MHz天线两部分组成。具体检测方式：在上台阶掌子面拱腰位置两条测线，上下错开约1m,均为从左向右探测。探测结果显示距ZK7+119掌子面8～18m的波形异常，即ZK7+127～ZK7+137段为地质异常段。

图2掌子面ZK7+119地质雷达探测结果示意图

1.4塌方情况

结合超前地质预报情况，按照强支护、短进尺的施工原则，在ZK7+127～ZK7+137地质异常段增设超前小导管，并实施逐榀开挖逐榀支护。

隧道掌子面进至ZK7+132时地质情况发生突变，拱顶出现40～50cm厚的泥质夹层，受施工扰动泥质夹层在短时间内失稳，拱顶大量由极破碎泥质粉砂岩构成的松散体呈倾泻状快速垮塌，堆积在掌子面前方，最终形成塌方。已施工的超前小导管被塌方体一并冲弯、脱落。塌方导致拱顶出现长约5m、高约6m、宽约4.6m的塌腔。据现场作业人员描述，现场管理人员组织设备清理塌方体时，拱顶又有新的松散石块不断塌落，破碎带处围岩几乎无自稳能力。

2、处治方案

经过现场工况调查，推断为断层导致的破碎带，判定此处破碎带围岩等级属Ⅴ2级。综合考虑围岩质量的急剧变化与现场坍塌的持续，提出处治思路：应先稳定掌子面，止住塌方，再通过超前注浆加固土体，之后按照调整后的支护参数重新开挖支护。同时，塌方形成的空腔应及时填充，完成后应对填充效果进行检测，确保填充密实。为此，结合现场设备、材料，拟定如下处治方案。

2.1反压回填

先用洞渣对掌子面进行反压回填，回填分上下两台阶，上台阶应覆盖塌腔范围，并尽量填至拱顶，拱顶处机械不便作业时，可采用少量人工辅助。下台阶与上台阶错台3～5m,下台阶空间以能够容纳现场设备作业为宜。反压回填既能限制掌子面及塌方体的变形，又能起到阻止塌方持续发展的作用。

2.2超前预加固

考虑拱顶塌方体过于松散、无法自稳的特征，超前支护采用强度较大、纵向支护区间较长的洞内超前管棚，其参数为：管径为ϕ89mm,长度L=10m,外插角≤12°,纵向间距为3m,环向间距为40cm。按照规范[4]要求，在管棚内设置由3根C18主筋和固定环构成的钢筋笼。管棚注浆采用水泥浆，水灰比为1∶1,注浆压力为0.5～2MPa。

管棚纵向间距中的岩块较为松散，如果其在管棚注浆过程中未充分固结，容易发生掉块。为防止以上现象发生，在两环管棚中间设置一环超前小导管，其参数为：管径为ϕ42mm,长度L=10m,外插角≤14°(可微调，不得与管棚冲突),纵向间距为3m,环向间距为40cm。小导管注浆采用水泥浆，水灰比为1∶1,注浆压力为0.5～1MPa。

超前管棚与超前小导管有机配合，形成高强度、高密度的超前支护体系。这种“长短结合”的超前支护体系既起到了对未开挖围岩的预支护作用，又起到了对拱顶松散体的预加固作用。

2.3支护参数调整

由于地质条件的急剧变化，需调整支护参数以适应V2级围岩：初期支护调整为Ⅰ20a钢架(纵距为60cm)、26cm厚C25喷射混凝土+ϕ8mm钢筋网@20cm×20cm、ϕ25mm中空注浆锚杆(L=350cm,75cm×60cm梅花形布置),二次衬砌调整为50cm厚C35防水钢筋混凝土，预留变形量调整为15cm。为限制拱脚沉降及左右侧初支的收敛变形，初期支护增设仰拱，封闭成环。

考虑适应反压回填土形态，方便施工，开挖工法采用上下台阶预留核心土法，采用机械开挖，每循环进尺为0.6m,严格落实边开挖边支护原则。此外，施工初期支护时在拱顶塌腔位置预留泵送管、吹砂管和排气管。

2.4塌腔处治

初支变形稳定后，通过预埋管道向塌腔分层泵送C25混凝土，厚度≥1m。填充混凝土强度形成80%后，通过吹砂管吹砂填充剩余空腔。考虑减轻拱顶荷载，选用轻质砂。吹砂完成后，在铺设防水板之前，需通过物探雷达扫描是否有剩余空腔。如存在空腔，通过预留的吹砂管或排气管向内部注浆，直至空腔内填充密实；如物探雷达确认无空腔，用水泥砂浆封闭所有预留的管道，剪除多余部分，防止其刺破防水板(见图3)。

图3处治方案设计示意图

3、监控量测

针对该段地质反常段，设置拱顶下沉、拱脚下沉、周边位移、初支状态观察4个监测项目。由于该段隧道埋深达到220m,属深埋段，不再设置地表下沉测点。处治段落每3m设置一个监测断面，按照2次/d的频率加强观测。处治过程中，掌子面无失稳，初支在ZK7+135处出现轻微环向裂缝，其他位置无开裂。最大变形出现在ZK7+135处：拱顶下沉最大变形速率为4.5mm/d,最大累计变形量为112mm;拱脚下沉(上台阶)最大变形速率为3.5mm/d,最大累计变形量为86mm;周边位移(收敛变形)最大变形速率为4mm/d,最大累计变形量为108mm。隧道初支在刚施工后初期变形速率较高，之后急剧降低，直至二次衬砌施工前，累计变形量趋于收敛，初支未侵限。

4、空腔检测

为检测处治效果，待初支变形稳定后，在铺设防水板之前采用SIR-4000型探地雷达系统对处治段进行扫描探测(图4)。以塌腔中点为中心，沿隧道纵向和隧道横向各布置一条测线。因为轻质砂和砂岩反射率差别较大，在图5可以清晰地看到塌腔的范围。结果显示塌腔位置已基本被轻质砂全部填充，空腔处治效果较好。另外，通过测线2的波形图可以看到塌腔顶部以上约10m范围内的围岩处于非常破碎的状态，如处治不及时，极有可能发生更大规模的坍塌，说明处治方案的实效性较好。

图4空腔处雷达探测结果示意图

5、结语

本文针对太阳岛隧道左洞ZK7+127～ZK7+137段断层破碎带塌方工况，制定了反压回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“长短结合”的超前支护体系、整体提高支护参数等综合的处治方案，并应用于施工。处治后初支变形可控，雷达扫描空腔填充密实。施工完二次衬砌后经过持续观察，处治段未见集中裂缝，衬砌结构稳定可靠。该方案工艺简便，就地利用洞渣等材料，处治周期短，施工过程安全可靠，为砂岩地层断层破碎带隧道塌方提供了一种有效、稳妥的处治技术，可为类似工况的隧道设计施工提供借鉴。

参考文献:

[1]朱胜祥.超前小导管注浆预加固穿越隧道断层破碎带效果分析[J].青海大学学报,2023,41(6):41-47.

[2]杨江峰.隧道穿越软弱破碎带超前支护加固效果分析[J].建筑机械,2023(12):67-72.

[3]宋洋,于英杰,杨辉,等.富水软岩隧道破碎带围岩稳定性及预留变形量优化研究[J].中国安全生产科学技术,2023,19(10):100-105.

[4]JTG 3370.1-2018,公路隧道设计规范第一册土建工程[S].

文章来源:陈增稳,欧阳慕,王瑞慧,等.砂岩地层隧道穿越断层破碎带塌方处治技术[J].西部交通科技,2024,(10):116-118.