阿爾及利亞南北高速公路隧道穿越斷層破碎帶的方案探索實(shí)施

高海斌，劉 澤，張聯(lián)合，張鋒利

（1.中建股份阿爾及利亞公司 阿爾及爾 16101；2.中建五局阿爾及利亞公司 長(zhǎng)沙市 410004）

阿爾及利亞南北高速公路隧道穿越斷層破碎帶的方案探索實(shí)施

高海斌1，劉 澤2，張聯(lián)合2，張鋒利2

（1.中建股份阿爾及利亞公司 阿爾及爾 16101；2.中建五局阿爾及利亞公司 長(zhǎng)沙市 410004）

阿爾及利亞南北高速公路T1隧道遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶，項(xiàng)目借助超前地質(zhì)預(yù)報(bào)機(jī)制并通過(guò)對(duì)前期處理過(guò)程的總結(jié)分析，綜合考慮比較各種超前支護(hù)方案，最終選擇Φ76超前中管棚方案作為穿越該斷層破碎帶的主要手段，方案實(shí)施后效果良好，成功穿越了該小型斷層破碎帶，對(duì)后續(xù)的施工具有重要的指導(dǎo)意義。

隧道工程；斷層破碎帶；方案探索；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；超前中管棚

1　引言

阿爾及利亞南北高速公路T1隧道地質(zhì)情況復(fù)雜多變，隧道需要穿越多段軟弱、滲水地質(zhì)，此類(lèi)地質(zhì)條件，容易在施工中引起塌方等地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)隧道修建的過(guò)程中對(duì)超前支護(hù)重視不足，往往是在出現(xiàn)了較大變形后才做加強(qiáng)支護(hù)的措施，而歐洲隧道施工中重視超前支護(hù)的應(yīng)用，通過(guò)勘測(cè)、預(yù)判、設(shè)計(jì)調(diào)整、施工控制這一套流程，通過(guò)此套流程我們加深了對(duì)超前支護(hù)技術(shù)運(yùn)用的認(rèn)識(shí)。在安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本等多方面綜合考慮下，本文就針對(duì)各種規(guī)格的超前管棚對(duì)應(yīng)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)展開(kāi)了研究，希望能給其它類(lèi)似地質(zhì)情況的隧道超前管棚施工提供參考。

2　工程概述及前期施工情況

2.1工程概述

阿爾及利亞南北高速公路T1隧道位于BLIDA省CHIFFA鎮(zhèn)以南約6km處，位于阿爾及利亞國(guó)家森林公園核心保護(hù)區(qū)內(nèi)，穿越阿特拉斯山脈。左右線分離式設(shè)計(jì)，里程分別為 PK5+757～PK8+145及LK5+758～LK8+128，右線隧道長(zhǎng)度2388m，左線隧道長(zhǎng)度2370m。以目前設(shè)計(jì)資料及施工現(xiàn)狀看地質(zhì)條件較為復(fù)雜。巖層主要由白堊系紀(jì)頁(yè)巖及石灰?guī)r組成，多處鉆點(diǎn)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)破碎巖體，同時(shí)富含水分。

施工區(qū)線路在西法峽谷由峽谷西側(cè)谷坡坡體以隧道形式穿越，屬低山地貌，山高、坡陡，地形起伏大，“V”字形沖溝發(fā)育，自然坡面一般30°～50°，路線軸線最低點(diǎn)高程為292.13m，最高點(diǎn)高程為683.13m，隧道最大埋深345.89m?？v斷面體現(xiàn)為駝峰狀地形。阿爾及利亞RN1國(guó)道沿著峽谷穿過(guò)，沿線發(fā)現(xiàn)山體極為破碎，多地段層壓水豐富，巖體表面常年流水。

2.2前期施工情況

T1隧道自2014年8月25日進(jìn)洞以來(lái)，整體上來(lái)說(shuō)，圍巖較軟弱、地質(zhì)條件較差，涌水塌方事故頻發(fā)，除施工洞口段無(wú)涌水外，其余時(shí)間兩洞均持續(xù)存在涌水現(xiàn)象。截至2016年6月10日，左洞上導(dǎo)已掘進(jìn)支護(hù)545m，其中IV級(jí)圍巖僅10m，其余均為V級(jí)圍巖（細(xì)分為Vf、V1、V2）；右洞上導(dǎo)已掘進(jìn)支護(hù)585m，其中IV級(jí)圍巖僅17m，其余均為V級(jí)圍巖。該隧道按新奧法原理施工，開(kāi)挖方式為機(jī)械開(kāi)挖，斷面尺寸較大（約160m2），分為三臺(tái)階逐步開(kāi)挖支護(hù)。圖1主要體現(xiàn)了該隧道V2類(lèi)型支護(hù)的相關(guān)支護(hù)參數(shù)。

3　遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶及現(xiàn)場(chǎng)處理

2015年11月，隧道左洞上導(dǎo)當(dāng)前圍巖支護(hù)等級(jí)為V2，在施工至里程LK6+197附近時(shí)遭遇嚴(yán)重塌方（見(jiàn)圖2），導(dǎo)致工序暫停，已立鋼拱架（尚未來(lái)得及噴射混凝土）被壓沉50～60cm。所塌落圍巖軟弱破碎松散，伴隨大量涌水?？沙醪脚卸ㄇ胺酱嬖谲浫鯂鷰r斷層破碎帶。

（1）現(xiàn)場(chǎng)盡快對(duì)掌子面核心土附近反壓回填渣土后，以RN30混凝土對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行初噴加固。

（2）對(duì)鋼拱架進(jìn)行換拱調(diào)整，同時(shí)預(yù)埋Φ125回填泵送鋼管，以噴射混凝土封閉鋼拱架支撐系統(tǒng)及掌子面。

（3）泵送回填混凝土填充塌方空洞。

（4）嘗試恢復(fù)上導(dǎo)掌子面開(kāi)挖，期間圍巖破碎、掉塊、小坍塌、涌水情況未見(jiàn)好轉(zhuǎn)。以Φ42mm超前小導(dǎo)管、泵送回填混凝土、上導(dǎo)掌子面分部開(kāi)挖（半邊處理）等方式艱難完成數(shù)個(gè)循環(huán)，至里程 LK6+ 201處暫停掌子面作業(yè)，等待進(jìn)一步處理方案。

（5）在步驟（1）至步驟（4）處理期間，聯(lián)合體（中國(guó)建筑CSCEC及兩家當(dāng)?shù)貒?guó)企）已聯(lián)系業(yè)主（阿爾及利亞高速公路管理局）、BCS監(jiān)理（葡萄牙及兩家當(dāng)?shù)乇O(jiān)理公司）、業(yè)主助理AMO（加拿大及法國(guó)聯(lián)合體）、設(shè)計(jì)院（中交一公局勘察設(shè)計(jì)院北非分院）、設(shè)計(jì)外監(jiān)BCE（意大利公司）等各方單位加入，現(xiàn)場(chǎng)勘察掌子面狀況，研究探討，會(huì)議確定：引入超前地質(zhì)預(yù)報(bào)機(jī)制，每周上報(bào)一次地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告，同時(shí)要求在地質(zhì)情況改變前提下需要調(diào)整支護(hù)方案時(shí)，聯(lián)合體提前上報(bào)方案。

4　穿越施工方案的探索與實(shí)施

4.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)機(jī)制的介入

項(xiàng)目引入超前地質(zhì)預(yù)報(bào)機(jī)制。預(yù)報(bào)測(cè)試采用TRT6000隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，TRT是隧道地震波反射層析成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收，通過(guò)分析，被用來(lái)了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規(guī)模。

4.2地質(zhì)預(yù)報(bào)情況分析

在各方探討塌方處理方案的過(guò)程中，本部安排進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。測(cè)試日期為2015年1月18日，安裝了10個(gè)傳感器，隧道左右邊墻各布置4個(gè)，拱頂2個(gè)，錘擊震源點(diǎn)共計(jì)12個(gè)，隧道左右邊墻各六個(gè)，勘測(cè)范圍：高程為292.497～330.497m，左洞橫向中心線左側(cè)20m、右側(cè)50m，縱向?yàn)?20m，掌子面在圖中的位置為27m，掌子面里程為L(zhǎng)K6+ 201。

儀器的工作過(guò)程為：在震源點(diǎn)上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時(shí)，觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給基站，然后基站給無(wú)線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令，并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦，完成地震波數(shù)據(jù)采集（如表1）。

4.2.1原始波形圖

地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測(cè)到。通過(guò)分析，被用來(lái)了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置、形狀、大小。

表1　震源點(diǎn)坐標(biāo)及檢波器坐標(biāo)

判斷圍巖地質(zhì)情況原則：一般來(lái)說(shuō)，軟件設(shè)定圍巖相對(duì)背景值破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)域呈藍(lán)色顯示，相對(duì)背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示；從整體上對(duì)成像圖進(jìn)行解釋?zhuān)荒軉为?dú)參照一個(gè)斷面的圖像；具體如圖3所示。

4.2.2三維成像圖及結(jié)論分析

從立體圖（見(jiàn)圖4）中可以看出藍(lán)色區(qū)域代表波阻相對(duì)較低的地方，地震波反射離散，代表反射體相對(duì)不完整；黃色區(qū)域代表波阻較高的地方，地震波反射成像相對(duì)完整，代表反射體相對(duì)完整。具體分段結(jié)論如下：

（1）掌子面LK6+201處巖體強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，巖體較破碎，裂隙水發(fā)育，須加強(qiáng)支護(hù)及時(shí)排水。

（2）LK6+201～LK6+232里程處圍巖同掌子面基本類(lèi)似。

（3）LK6+232～LK6+292巖體較前方相對(duì)完整，局部裂隙較發(fā)育，含少量裂隙水，開(kāi)挖易產(chǎn)生較小范圍落塊和塌方，施工時(shí)應(yīng)注意及時(shí)支護(hù)。

4.3超前支護(hù)方案的選擇

圍繞超前支護(hù)鋼管的直徑和長(zhǎng)度，BCS監(jiān)理與聯(lián)合體有嚴(yán)重的分歧。

方案A：Φ42mm超前小導(dǎo)管方案。小導(dǎo)管適用于處于無(wú)粘結(jié)、自穩(wěn)能力差的砂層及砂礫（卵）石層；小導(dǎo)管施工只是對(duì)開(kāi)挖掌子面局部土層進(jìn)行加固，開(kāi)挖土層不宜長(zhǎng)時(shí)間暴露；小導(dǎo)管注漿注入到軟弱地層里，使注漿材料在軟弱地層里向四周迅速擴(kuò)散和固結(jié)，并使小導(dǎo)管和土體固結(jié)在一起，起到棚護(hù)和加固地層的作用。由于此段圍巖極其破碎，裂隙較大并富含地下水，Φ42超前小導(dǎo)管支撐強(qiáng)度不足，無(wú)法有效地對(duì)前方圍巖進(jìn)行加固。

方案B：Φ101.5mm超前大管棚方案（見(jiàn)圖5）。采用Φ101.5mm無(wú)縫鋼管，壁厚6.3mm，長(zhǎng)度9～12m，角度4°，鉆孔直徑130mm，環(huán)向間距40cm。BCS監(jiān)理提出并一直反復(fù)強(qiáng)調(diào)需采用此方案。認(rèn)為Φ42mm超前小導(dǎo)管機(jī)制不良。而聯(lián)合體則認(rèn)為，此方案施工成本高，速度非常緩慢，無(wú)法滿足工期要求（同地區(qū)中鐵十二局有一隧道在施工，其采用Φ101.5mm超前大管棚在洞內(nèi)做超前支護(hù)，一年的進(jìn)度不足100m（法國(guó)監(jiān)理））。

方案C：Φ76mm超前中管棚方案（見(jiàn)圖6）。采用Φ76mm超前中管棚在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發(fā)揮了重要作用。由于超前中管棚做頂板及側(cè)壁支撐，中管棚打設(shè)注漿后剛度能滿足此段圍巖的穩(wěn)定性，為后續(xù)的隧道開(kāi)挖奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，且施工快、安全性高、工期短。

表2　方案對(duì)比

鑒于分歧，聯(lián)合體總結(jié)里程LK6+195～LK6+ 201段的施工教訓(xùn)，綜合考慮安全、進(jìn)度、成本（見(jiàn)表2）、可行有效性等因素，結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，最終提出此優(yōu)化方案C，并委托設(shè)計(jì)院細(xì)化設(shè)計(jì)。聯(lián)合體之前曾施工打設(shè)過(guò)Φ76mm微樁（長(zhǎng)度6m），已有相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)。該方案在進(jìn)度、成本、可行有效性方面比Φ101.5mm超前大管棚方案具有很大的優(yōu)勢(shì)，可作為穿越小型斷層破碎帶的方案選擇。

4.4Φ76mm超前中管棚方案的具體實(shí)施

聯(lián)合體在方案確定后即開(kāi)始著手施工Φ76mm超前中管棚，具體施工步驟如下：

（1）鉆孔前準(zhǔn)備工作。用混凝土和水泥漿主要對(duì)里程LK6+236～LK6+243范圍進(jìn)行填充處理，并做好監(jiān)控量測(cè)原始記錄，用小型潛孔鉆機(jī)對(duì)掌子面及附近打設(shè)若干排水孔以疏導(dǎo)排水，用噴射混凝土對(duì)掌子面提前做好封閉加固處理。

（2）采用小型潛孔鉆機(jī)鉆孔及安裝6m長(zhǎng)的Φ76mm無(wú)縫鋼花管。在最后兩榀拱架之間，按設(shè)計(jì)要求環(huán)向打設(shè)并頂管安裝。鉆孔時(shí)控制角度，錯(cuò)開(kāi)打設(shè)，并及時(shí)安裝鋼管。

（3）注漿前準(zhǔn)備工作。管棚打設(shè)安裝完成后，及時(shí)對(duì)管口焊接變徑注漿鋼管（帶閥門(mén)），并以噴射混凝土對(duì)管口周邊做再次封閉處理。

（4）采用注漿機(jī)對(duì)鋼管進(jìn)行灌注水泥漿。注漿水灰比為1∶1.0～2.5，注漿壓力0.5～1.5MPa。

（5）開(kāi)挖支護(hù)。開(kāi)挖支護(hù)一循環(huán)（進(jìn)尺1m）后，再次打設(shè)管棚重復(fù)（2）、（3）、（4）工作步驟。

4.5穿越方案實(shí)施后的效果及注意事項(xiàng)

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的指導(dǎo)及Φ76mm超前中管棚等工作具體實(shí)施后，隧道掌子面的開(kāi)挖支護(hù)工作逐漸趨于正常（見(jiàn)圖7），開(kāi)挖基本無(wú)掉渣現(xiàn)象，保證了初期支護(hù)穩(wěn)定及施工人員的安全。同時(shí)本部在后期段施工按照超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況及時(shí)調(diào)整了小管棚及中管棚，很好地灌輸了超前支護(hù)理念。在施工過(guò)程中，存在相關(guān)注意事項(xiàng)如下：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)機(jī)制介入越早越好。本隧道該段施工，預(yù)報(bào)探測(cè)還是滯后，導(dǎo)致前期穿越處理過(guò)程極為艱難，應(yīng)引以為戒。

（2）管棚施做前的準(zhǔn)備工作，如回填、排水、加固等一定要做好，以防止鉆機(jī)鉆孔產(chǎn)生圍巖擾動(dòng)而導(dǎo)致的塌方等不穩(wěn)定情況的發(fā)生。

（3）管棚注漿要充分飽滿，時(shí)刻觀察注漿壓力表的變化，以確定注漿速度及換管時(shí)機(jī)。

（4）管棚施工完后的開(kāi)挖要控制進(jìn)尺，本段不超過(guò)1m。最初可對(duì)掌子面進(jìn)行分部開(kāi)挖支護(hù)，先開(kāi)挖支護(hù)半邊，噴射覆蓋后，然后迅速開(kāi)挖支護(hù)另半邊，中間核心土一定要盡可能留大。

（5）管棚的施做頻率可具體根據(jù)管棚長(zhǎng)度及開(kāi)挖圍巖的情況，靈活調(diào)整。本段由最開(kāi)始的每循環(huán)施做一次管棚，逐漸變?yōu)槊績(jī)裳h(huán)施做一次管棚，提高了穿越該小型斷層破碎帶的進(jìn)度。

（6）整個(gè)施工過(guò)程中，需加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測(cè)，本次，確認(rèn)了已支護(hù)部分為穩(wěn)定狀態(tài)。

5　結(jié)論及體會(huì)

本次隧道遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶，在各相關(guān)合作單位參與支持下，聯(lián)合體借鑒前期的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，引入超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，綜合分析超前管棚支護(hù)方案，最終選擇采用Φ76mm超前中管棚，以較快速度、較低成本成功穿越了該20余米的小型斷層破碎帶。整個(gè)艱難的穿越過(guò)程對(duì)后續(xù)的施工具有極大的指導(dǎo)意義。下面分享幾點(diǎn)體會(huì)。

（1）隧道斷層破碎帶的開(kāi)挖支護(hù)施工難度較大，施工過(guò)程應(yīng)謹(jǐn)慎，最好提前合理做出方案選擇，對(duì)于隧道開(kāi)挖支護(hù)的穩(wěn)定順利、人員的安全具有重要意義。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)于隧道的安全施工具有重大的指導(dǎo)意義，尤其是遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶時(shí)，能夠提前讓施工單位做出適合的方案選擇。

（3）隧道穿越斷層破碎帶時(shí)，Φ42mm超前小導(dǎo)管會(huì)暴露其局限性。而Φ76mm超前中管棚對(duì)于穿越小型斷層破碎帶比之Φ101.5mm超前大管棚在施工速度、施工進(jìn)度、施工難度、成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（4）隧道穿越斷層破碎帶時(shí)，需加強(qiáng)施工過(guò)程控制、隧道監(jiān)控量測(cè)等，以保障施工質(zhì)量，保證施工安全順利進(jìn)行。

（5）隧道超前支護(hù)施工要重視預(yù)報(bào)、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工的良性循環(huán)程序，保證控制塌方頻率、塌方程度，甚至做到軟弱地質(zhì)零塌方施工。

［1］ 中建阿爾及利亞南北高速公路項(xiàng)目.南北高速公路T1和T2隧道支護(hù)設(shè)計(jì)圖［Z］.2015.

［2］ 臺(tái)啟民，張頂立，房倩，等.軟弱破碎圍巖隧道超前支護(hù)確定方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（1）：109-118.

［3］ 潘菊.隧道穿越斷層破碎帶開(kāi)挖支護(hù)的施工技術(shù)［J］.四川建材，2015，41（3）：184-185.

［4］ 衛(wèi)剛.高速公路斷層破碎帶隧道處理技術(shù)研究［J］.交通建設(shè)與管理，2014（10）：159-161.

［5］ 王敏.山區(qū)高速公路隧道斷層破碎帶施工技術(shù)探討［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2014（9）：149-150.

［6］ 肖瑞文.二郎山隧道管棚支護(hù)施工的設(shè)備選型及應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，1999（3）.

Exploration and Practice of the Fault Fracture Zones Crossing Solution for the Tunnel of Algeria North-South Highway

GAO Hai-bin1，LIU Ze2，ZHANG Lian-he2，ZHANG Feng-li2

（1.Algeria Branch of China State Construction Engineering Corp.，Ltd.，Algiers 16101，Algeria；2.China Construction Fifth Engineering Division Corp.，Ltd.，Changsha 410004，China）

The tunnel T1 of Algeria North-South highway suffered from the fault fracture zones composed of weak rock，the project by means of geological prediction mechanism and by a summary of the pre-process analysis，considering the comparison of various advance support solutions，find finally the option with 76 shedpipe as the main method of crossing the fracture zone.After the implementation of the solution，it works well，crossed successfully the small fault fracture zone，which has an important guiding significance for the subsequent construction.

Tunnel project；Fractured zone in fault；Exploration of solutions；Advance geological forecast；Medium shed-pipe

U455

B

1673-6052（2016）09-0053-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.09.014