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断层条件下的隧道预支护设计与施工

更新时间 2011-6-14 7:34:12 点击数:

断层条件下的隧道预支护设计与施工
    谢达文,彭峰,单红雨(北京中铁瑞威基础工程有限公司,北京100055)
    摘要:齐岳山隧道穿越F11断层。此断层规模宏大,断层带导水,核心带岩体破碎,富含高压水,其主要工程地质问题是岩溶富水、突水突泥,高压裂隙水等,施工难度极大。其中,进口处为反坡施工,施工难度和安全风险尤为突出。为确保顺利通过,采取隧道超前预支护综合措施,即通过实践更新注浆设计理念,确定了断层条件下的注浆设计及注浆参数,优化了超前大管棚的支护措施,辅以开挖过程中的超前支护,最终实现了隧道的贯通,形成了无工作间管棚快速施工技术以及玻璃纤维锚杆稳固掌子面技术等,为类似工程提供了借鉴。
     关键词:F11断层隧道预支护注浆超前大管棚
    随着国内城市地铁和铁路隧道的修建,出现了复杂地质和环境下的隧道,需要严格控制地表沉降和隧道中富水高压等情况。普通的隧道修建工法已不适应目前的隧道建设的发展,必须采取相关的辅助工法。
    隧道的超前预支护综合手段显得尤为重要。超前管棚支护、预注浆施工技术因具有成本低、见效快、施工简便等优点而获得广泛的应用。然而,注浆技术中仍存在不少待研究的问题,尤其是注浆孔距、浆液压力、注浆效果检测一般需要根据既往工程经验和现场试验等合理确定,同样,隧道洞身的超前管棚的管径、管间距、管长等参数也存在此类问题。
    本文介绍宜万铁路齐岳山隧道工程,采用超前管棚及预注浆辅助措施,应用了新的注浆设计理念,优化了支护参数,研究确定了断层条件下的相关注浆设计与施工参数。
    1工程概况
    齐岳山隧道位于湖北利川市西北23 km处,全长10 528 m,是宜万线八座Ⅰ级高风险隧道之首,是全线的重点、难点和控制性工程。设计坡度为-13.0‰(345 m)和-15.3‰(10 183 m)的一字单面坡。全隧道穿越二叠系、三叠系灰岩和侏罗系砂岩、泥岩、页岩地层;隧道最大埋深670 m。地质构造有齐岳山背斜和箭竹溪向斜以及15条较大规模的断层,发育大、小鱼泉和得胜场3条暗河。其中,位于隧道顶220 m的得胜场暗河规模最大,水量丰富;位于得胜场槽谷段的F11断层规模宏大,岩体破碎,富含高压水,断层带导水,隧道正常涌水量176 000 m3/d,最大涌水量743 000 m3/d;主要的工程地质问题有岩溶富水、突水突泥,高压裂隙水和瓦斯突出等,施工难度极大。进口的可溶岩地层为反坡施工,施工难度和安全风险尤为突出。
    2主要存在的风险源和难点
    齐岳山隧道施工至DK365+096遭遇F11大型断层带,为隧道施工的最高风险区域,是国内专家确认的宜万铁路最难的隧道施工地段,地质极其复杂,主要表现为:1)F11断层长,影响区域的长度为98 km,宽度为245 m,且受三峡蓄水影响,断层活动有加剧的趋向。
    其中,DK365+096—DK365+333为F11断层核心带,长度达237 m,规模宏大。
    2)水压高,水量大。出口平导掌子面单孔水量达到750 m3/h,水压实测2.3~2.6 MPa,设计DK365+110—DK365+450段正常涌水量为11 296 m3/d,最大涌水量为114 632 m3/d;进口DK364+923—DK365+110段正常水量37 678 m3/d,最大447 270 m3/d。断层核心带为齐岳山隧道受地下水威胁最严重的地段。
    3)地质破碎,注浆难。该断层分为上下,盘破碎岩体接触带和核部破碎软弱带,构造裂隙发育。上盘出露在地表DK364+095—DK364+180段。隧道DK365+096—DK365+340为主断裂带,发育有T1j4白云岩为主的硬质可溶岩与T2b1含钙质成分的页岩、泥岩为主的软弱非可溶岩的交界部位,具有多期性、次级构造发育,岩性成分复杂,胶结松散,岩体破碎,饱和水使岩土性态恶化,中间核心地带以类似于含碎石粉质黏土或碎石土状的松软物质为主,透水性强,实际注浆施工中参数难以把握。
    3注浆设计与施工
    根据齐岳山隧道F11断层的裂隙水量大、水压高的特点,采取“注浆加固、分水降压、交替推进、带水作业”的总体施工方案。先探明掌子面前方地下水分布情况,通过钻孔注浆堵住水后加固破碎地层,后进行开挖施工。正洞平导交替向前推进,允许隧道存在少量滴水,以减压减少高水压带来的施工风险,但不允许出现股状水流,以防造成突水、突泥。3.1注浆设计F11断层存在软硬地层交替变化、层层叠加的特点,地下水多由层与层之间的裂隙向四周传递,局部联通性较强,因此,设计理念上须更新与改变。确立“堵裂隙、减少水量,固围岩、稳定地层”的总体注浆堵水加固理念,由全断面帷幕注浆改变成环环相扣设计原则,隧道开挖轮廓线外设置外圈孔、二圈孔、掌子面稳定孔、检查孔(注浆补孔)、管棚孔,互为补充加强。详见图1。3.2注浆施工隧道开挖轮廓线外两圈孔后,通过外围注浆封堵与开挖隧道轮廓线内的水力联系,并且形成加固圈抵抗水压力,辅以玻璃纤维锚杆加固掌子面控制前方变形,依据注浆过程分级控制重点补强、重点检查注浆,探孔、注浆孔、检查孔互相利用,三孔合一,加快施工速度。
    注浆施工工艺采用分段前进式:
    1)标定孔位确定钻进角度后,采用钻头开孔至2.3 m,安设孔口管;
    2)孔口管采用108 mm,壁厚δ=4 mm钢管加工,管长2.5 m,孔口管外壁缠绕50~80 cm长的麻丝成纺锤形后安设到要求深度,并用水泥基锚固剂锚固,以保证孔口管安设牢固不漏浆;
    3)为防止钻孔过程中突发涌水突泥,孔口管安设完成后钻孔之前必须安装高压止水闸阀;4)按照设计分段长度进行钻孔注浆,当该段注浆到设计结束标准后,拆除注浆堵头在原孔深基础位再钻进,如此循环钻注到设计深度;
    5)掌子面注浆孔施工钻注到设计深度后,放入玻纤维锚杆,进行全孔注浆施工。
    .3注浆参数(见表1)3.4注浆材料
    根据F11断层地质情况及堵水加固的要求,注浆材料拟以硫铝酸盐水泥单液浆为主,普通水泥单液浆普通水泥—水玻璃双液浆为辅,施工中根据涌水情况及地质情况进行选择调整。注浆材料及规格型号如下:硫铝酸盐水泥:早强快硬,42.5;
    普通硅酸盐水泥:42.5;
    水玻璃:浓度为35Be′,模数为2.4~2.8。
    浆液配比参数如表2所示。施工过程中注浆材料的选择见表3。
    3.5施工顺序
    根据先前确定的“堵裂隙、减少水量,固围岩、稳定地层”注浆加固原则,先进行顶水注浆施工,选取外圈7孔注浆封堵水量大的裂隙,同时结合发散—约束型注浆原则进行,由外向内、由上到下、间隔跳孔注浆施工作业,逐步改良地层,施工结束后对水量大的孔进行重点检查,补孔加强注浆。3.6注浆质量检查控制标准1)水量法:依据注浆量分布,取薄弱环节设计检查孔。检查孔按不超过总注浆孔的10%设计,满足出水量不超过2 L/min/m。
    2)改良地层后稳定法:通过检查孔的成孔状态、完整性、有无坍孔进行判断地层改良的效果。
    3)开挖水量观察法:开挖过程中无股状水,开挖段落总水量不大于50 m3/h。
    4超前支护设计
    4.1超前管棚支护设计(见图2)通常管棚施工需要设备操作工作间。此操作间空间较大,

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