榆社隧道位于山西省晋中市榆社县境内,线路由榆社县境内的白北村南进入隧道,下穿地河滩、刘家五科、四十亩、东沟、辉教村、桥里沟、药峪、南窑,隧道出口位于榆社县河峪乡平底村北,进口里程为DK70+700,出口里程为DK81+370,隧道全长10 670m,最大埋深342m,位于DK75+480处,地面高程为1 524.180m。隧道施工过程中,从断层破碎带穿过,并涌出大量的碎石泥散体,持续清方量达3 000m³。结合实际情况,只对掌子面流出的散体进行清理。在对散体进行清理时,在隧道小里程DK76+232右拱位置产生1个散体带,文章以该工程为例,重点对隧道穿越地层破碎带施工技术进行探讨。

由于该工程所在地区地下水发育,再加1周的持续降雨,山顶的水不断汇集到沟底,并通过沟底排渗到洞内。此外,由于斜井坡度较大,进水量峰值超过泵站负荷,导致隧洞中的积水深度达40cm,在地下水和雨水排渗补给作用下,泥质粉砂岩一部分遇水软化,且其中一部分已完全崩解泥化,表现为软塑状,使岩体的力学指标进一步下降。在水流冲击作用下再次开挖后产生碎石流,并夹裹大块孤石,使掌子面出现失稳情况,持续出现涌泥、坍塌等地质灾害。

隧道通过地层主要为新黄土、砂岩、泥岩,砂岩为较硬岩,泥岩和泥质砂岩为软岩或较软岩。隧址区位于太岳山隆起带,经过南北构造和新华夏构造体的复合作用,构造较复杂,构造类型和形式也较多样,大多构造形迹均呈南北走向或北东走向。隧道工点穿过该构造中的多处向、背斜及多条断层,隧道区断裂构造发育断层共22条,其中9条为实测断层,13条为物探推测断层。隧道正常涌水量Q_cp=39 107.45m³/d,最大涌水量Q_max=85 029.01m³/d。

在隧道工程施工过程中,围岩结构出现严重破碎情况,钻孔难度非常大。结合类似工程经验,本工程中采用上台阶预留核心土、环形导坑开挖和下台阶左右侧错开开挖的方法开展施工。由于围岩结构较软,施工时设计使用机械和人工配合开挖的方法进行开挖作业。不仅可降低施工过程中对围岩产生的扰动,还可使上台阶的开挖面积缩小,及时做好上台阶的支护施工,使围岩变形得到有效控制。在进行下台阶开挖施工时会影响钢架应力,因此采用左右侧错开开挖的方法进行下台阶开挖,可有效防止两侧钢架产生悬空情况,更好地对钢架整体沉降进行控制。采用注浆小导管对隧道拱部120°的范围内进行支护,其他位置布置42mm径向注浆小导管,不仅可对四周围岩进行加固,还可提升围岩稳定性,使隧道围岩破碎的情况得到显著改善,有效避免隧道出现塌方情况。

在使用超短台阶进行开挖施工时,要将台阶长度控制好,每循环开挖进尺控制在0.5m。为了降低边墙的变形量,要在边墙位置布置横向水平钢梁支撑。

考虑到断面初期支护不均匀,边墙和拱部位置存在严重偏压情况,为进一步对洞内的变形情况进行平衡,设计采用I16临时横撑进行辅助施工。将仰拱和掌子面之间的距离控制在16m内,二衬和掌子面之间的距离控制在24m内。

施工过程中为保证施工安全,提升掌子面后方地段施工的稳定性,对DK76+247—DK76+217段(即30m)采用超前小导管(即42mm梅花管)进行注浆加固处理,梅花管间距为1.2m,管长为4m,采用双液浆液进行注浆。此外,该位置采用锁脚锚管进行进一步加固,每榀钢架增设12根42mm锁脚锚管,锁脚锚管与水平成45°夹角,设计锚杆长度值为4.5m。

该隧道工程施工过程中,DK76+250—DK76+200段破碎带存在碎石流地质灾害,采用小导管和89mm钢管管棚配合预支护措施对拱部进行支护(见图1)。设计钢管长度为12m,斜插角为10°～15°,环向间距保持在40cm。将拱架底部布置在基岩上,利用42mm锁脚锚管进行锚固,每榀设置8根钢架,将双层钢筋网布置在钢架之间,钢筋型号为8,钢筋网网格尺寸为15cm×15cm。

在掌子面布置止浆墙进行封闭,采用注浆管和18k轻轨沿边墙进行环向布置,间隔距离控制在30～50cm。纵向间距之间的间隔为3m,设计注浆管道的长度为3～6m,设计轻轨的长度为6～8m,将3～5根长度为5～9m的150mm泵送管预埋到边墙空腔位置。当封闭墙强度达到要求后,可采用分层分次方法进行坍腔灌浆,设计水泥浆液的比例为1∶1,回填固结完成后即可将封闭墙拆除。

在进行坍体开挖时,先进行上台阶开挖,然后进行下台阶开挖。开挖过程中,要求纵向开挖活动控制在50cm内,初期支护封闭后即可开展下道工序作业。将槽钢托梁布置到拱架底部,使用22钢筋作为纵向连接钢筋,纵向连接钢筋之间的环向间隔距离控制在80cm内。为避免钢架拱架落地和滑移时出现下沉,采用横向I20卡口布置在上台阶底部作为底梁。在空间和时间效应的累计作用下使隧道围岩进一步变形,如果不能及时处理会引发安全事故,完成钢支撑后需将水平横向支撑布置成环,在型钢和喷射混凝土之间增设楔形木进行塞缝。持续按照该方法循环作业,直到从破碎带顺利通过。

为进一步探明该隧道工程空腔向后蔓延的实际情况,设计采用潜孔钻分别对掌子面后方5.0,5.5,7.0m处拱部地质情况进行钻孔分析,摸清空腔向后蔓延的实际情况。根据探孔结果使用C25混凝土进行分次分层回灌。进行回灌作业时,要将观察孔、排气孔和回灌孔布置好,确定回灌效果,保证混凝土表面抗原形成保护层。为了对下落的孤石起到缓冲作用,需在混凝土保护层上吹1.2m砂,如图2所示。

此隧道工程在实际工程施工时,隧道DK76+247—DK76+217段多次出现碎石坍塌和流石坍塌等情况,使隧道拱顶空腔高度值达15～20m。为保证隧道安全运营,需要进一步加强二次衬砌施工,分2层进行衬砌作业。第1层使用C35钢筋混凝土进行衬砌,设计衬砌施工厚度为35cm,采用挂模模板进行混凝土的浇筑施工。使用V级加强衬砌配筋进行第2层施工,并对该段利用环向盲管加密。采用100mm透水管开展纵向盲沟施工,施工时为了提升施工质量,需要提高监测力度,并及时进行仰拱和衬砌施工,共同构成持力圈,以保证施工安全。

该高原隧道穿越断层破碎带时根据工程实际情况制订了具体施工方案,并通过努力,顺利从该破碎带穿过。结合测量结果,在该工程施工过程中出现了2次施工异常,通过采用注浆加固方法进行处理后取得良好的加固效果。目前,隧道开挖完成了6 200m,顺利通过了断层破碎带。