穿越富水F4斷層鐵路隧道變形監(jiān)測(cè)與分析

鄒永祥

摘要：針對(duì)山嶺隧道穿越斷層破碎帶圍巖大變形問題，以某穿越富水F4斷層鐵路隧道工程為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)隧道穿越F4斷層時(shí)變形規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究工作主要包括：（1）V級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖段隧道開挖影響距離分析；（2）貫通施工對(duì)斷層破碎帶內(nèi)隧道工期及后期變形的影響分析。研究結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了隧道穿越F4斷層施工控制措施是可行的，圍巖及隧道變形得到了較好地控制；貫通施工對(duì)斷層破碎帶內(nèi)隧道施工變形和后期變形均有較大影響，且距離貫通斷面越近，影響越大；依托工程條件下V級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖的開挖影響距離分別為47m和47.6m。研究結(jié)論可為類似工程地質(zhì)條件下隧道設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；斷層破碎帶；隧道變形；貫通施工

中圖分類號(hào)： TU43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2017）04-0048-06

Abstract：Large deformation often occurs with mountain tunnel constructed through fault fracture zone. Based on the study of one railway tunnel， which passed through enriched water F4 fault， deformation law caused by tunnel through fault fracture zone was analyzed with monitoring method. The research mainly includes analyzing the influence distance of excavation in V and Ⅳ class rock and analyzing the effect of construction and later deformation in fault fracture zone. Some conclusions have been drawn. Firstly， the construction control scheme for F4 fault was verified as feasible by monitoring results and rock deformation could be control by that scheme. Secondly， breakthrough construction had an apparent effect on construction and later deformation of railway tunnel in fault fracture zone. And the nearer from the breakthrough section， the larger the effect is. Finally， average influence distance of excavation in V and Ⅳ class rock was 47m and 47.6m under this project condition. The experience and results in this paper can be referred to in similar projects in the future.

Key words：railway tunnel；fault fracture zones；tunnel deformation；tunnel breakthrough

隧道穿越斷層破碎帶受力狀態(tài)復(fù)雜[1]，目前，我國(guó)穿越斷層破碎帶鐵路隧道工程以烏鞘嶺隧道最為典型，眾多學(xué)者圍繞該隧道從多個(gè)方面開展了廣泛研究，也取得了豐碩成果[2-6]。此外，也有學(xué)者對(duì)斷層破碎帶條件下鐵路隧道進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[7]使用Flac5.0軟件比較了三臺(tái)階預(yù)留核心土法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等工法，得出了“雙側(cè)壁導(dǎo)坑法淺埋側(cè)導(dǎo)坑先行開挖能有效控制斷層破碎帶和淺埋偏壓條件下隧道收斂位移”的結(jié)論；文獻(xiàn)[8]對(duì)喀拉薩依隧道斷層破碎帶綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[9]以某高地震烈度區(qū)穿越斷層破碎帶的鐵路隧道工程為依托，開展設(shè)置減震層的振動(dòng)臺(tái)物理模型試驗(yàn)，對(duì)設(shè)置減震層的減震效果進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[10]等分析了斷層破碎帶鐵路隧道大變形原因及相關(guān)機(jī)制，并探討了后期施工中采取的控制措施如結(jié)構(gòu)支護(hù)加強(qiáng)、注漿及臨擋護(hù)墻增設(shè)等；文獻(xiàn)[11]通過工程地質(zhì)條件調(diào)查、圍巖穩(wěn)定性和變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了雁門關(guān)鐵路隧道擠壓變形問題，得出影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素和主要誘發(fā)事件，并提出了一些控制措施；文獻(xiàn)[12]對(duì)近水庫(kù)穿F4斷層隧道施工方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并分析了監(jiān)測(cè)結(jié)果；文獻(xiàn)[13]介紹了圍巖破碎、地下水發(fā)育的壁板坡隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。文獻(xiàn)[14-15]開展了鐵路隧道穿越斷層破隧道條件下的鐵路隧道監(jiān)測(cè)分析工作。

本文以某穿越F4斷層鐵路隧道為工程背景，在闡述隧道施工方案的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道施工變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究，分析了穿越F4斷層時(shí)隧道變形規(guī)律。

1工程概況

1.1隧道概況

依托隧道工程起訖里程為DK14+380～DK24+025，全長(zhǎng)9 645m，總體呈NW-SE向展布。隧道分進(jìn)口、1～3#斜井共7個(gè)掌子面進(jìn)行施工，平面布置情況如圖1所示。

1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1）工程地質(zhì)條件

圍巖地質(zhì)條件十分復(fù)雜，洞身范圍內(nèi)圍巖主要為火山噴溢巖，巖性為侏羅系上統(tǒng)（J3）流紋斑巖、侏羅系上統(tǒng)（J3）西山頭組巖屑凝灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體較完整。節(jié)理裂隙較發(fā)育，斷層十分發(fā)育，有18條斷層直接影響斷層，其中以F4斷層為最。F4斷層位于進(jìn)口和1#斜井之間，斷層縱斷面和地質(zhì)平面情況如圖2所示。F4斷層在地表于DK16+660處與線路相交，夾角約為58°，

2）水文地質(zhì)條件

F4斷層地表特征明顯，呈U字形溝谷發(fā)育形式，谷中泉水、水塘線狀分布。溝谷下游為三汶塘水庫(kù)，水域面積2.5km2，深約20m，平面形態(tài)略呈瓜子狀，長(zhǎng)軸正南向，隧道距水庫(kù)邊緣約為218m，隧道開挖過程滲水、涌水及坍塌風(fēng)險(xiǎn)非常高。

DK16+530～DK16+730里程范圍為F4斷層破碎帶（200m）。其中DK16+600～DK16+660里程范圍圍巖為V級(jí)圍巖，隧道施工采用3臺(tái)階4步開挖方法（圖3為具體開挖步序）；Ⅳ級(jí)圍巖段（DK16+530～DK16+600）近水庫(kù)，亦采用3臺(tái)階4步開挖方法；另一Ⅳ級(jí)圍巖段（DK16+660～DK16+730）則采用全斷面開挖方式。

穿越F4斷層過程時(shí)，除采用3臺(tái)階4步法開挖減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)外，需輔助超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、加固圈3m超前預(yù)注漿、洞身長(zhǎng)管棚等控制措施。此外，因隧道與水庫(kù)距離較近，所以在施工二次襯砌時(shí)，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)防水措施。

3監(jiān)測(cè)方案布置

3.1現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度概況

隧道是由進(jìn)口和1#斜井2個(gè)方向掘進(jìn)，圖4為穿越F4斷層時(shí)施工進(jìn)度圖，具體進(jìn)度如下：2013年2月28日1#斜井方向掌子面到達(dá)DK16+730，開始進(jìn)入F4斷層影響區(qū)域，此時(shí)，進(jìn)口方向掌子面距斷層影響段較遠(yuǎn)；此后，1#斜井方向掌子面繼續(xù)推進(jìn)，而進(jìn)口方向開挖也朝斷層方向掘進(jìn)，2方向掌子面于2013年9月23日在DK16+533斷面貫通。

3.2監(jiān)測(cè)方案與布置

DK16+530～DK16+730段圍巖為Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)，最淺埋深僅為24m，故監(jiān)控量測(cè)需同時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)圍巖變形和地表沉降監(jiān)測(cè)，本文只研究洞內(nèi)變形，對(duì)地表沉降監(jiān)測(cè)不做分析。

圖5為DK16+600～DK16+660段洞內(nèi)變形監(jiān)測(cè)布置圖，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上臺(tái)階布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，中臺(tái)階布置2個(gè)（共監(jiān)測(cè)1組拱頂沉降和2組水平收斂），每隔5m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。DK16+530～DK16+600段監(jiān)測(cè)布置方式與DK16+600～DK16+660段相同，每隔10m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)1組拱頂沉降和2組水平收斂。DK16+660～DK16+730段同樣每隔10m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，具體布置為：拱頂沉降1組，水平收斂1組（測(cè)點(diǎn)位于邊墻處）。

3.3監(jiān)測(cè)工作概況與分析斷面選取

F4斷層影響段共完成了26個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)開始時(shí)掌子面與各監(jiān)測(cè)斷面的距離如圖6所示。隧道施工時(shí)，掌子面在監(jiān)測(cè)斷面附近開挖時(shí)隧道會(huì)產(chǎn)生一定的變形，若開始監(jiān)測(cè)時(shí)，掌子面離開監(jiān)測(cè)斷面距離過大會(huì)導(dǎo)致該斷面的變形測(cè)試數(shù)據(jù)失真。故文本以6m為標(biāo)準(zhǔn)，以開始監(jiān)測(cè)時(shí)與掌子面6m距離內(nèi)的監(jiān)測(cè)斷面為主（DK16+685、675、667、660、655、650、645、640和635等9個(gè)斷面），輔助以其他17個(gè)斷面，對(duì)近水庫(kù)穿越F4斷層的隧道變形規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析與研究。

4隧道變形監(jiān)測(cè)與分析

4.1斷層影響帶隧道變形測(cè)試數(shù)據(jù)分析

隧道在施工過程為不連續(xù)，會(huì)出現(xiàn)暫停掘進(jìn)的狀態(tài)，表現(xiàn)在拱頂沉降和水平收斂曲線上，同一橫坐標(biāo)上出現(xiàn)多測(cè)值，該情況表示在暫停掘進(jìn)時(shí)隧道變形是隨時(shí)間發(fā)展。坐標(biāo)軸正負(fù)值規(guī)定：因隧道由斜井方向掘進(jìn)，分析某斷面隧道變形時(shí)，掌子面里程始終小于監(jiān)測(cè)斷面里程，掌子面離開監(jiān)測(cè)斷面距離在橫坐標(biāo)軸上規(guī)定為正值。

1）拱頂沉降

9個(gè)斷面拱頂沉降隨掌子面進(jìn)展變化曲線如圖7所示。DK16+660～DK16+730里程范圍隧道施工采用全斷面開挖，結(jié)合其他監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降變化情況可知：該里程范圍內(nèi)隧道拱頂沉降相對(duì)較大，其中最大測(cè)值超過4mm（DK16+667斷面）；不考慮停工狀態(tài)下拱頂沉降隨時(shí)間變形情況，隨掌子面向進(jìn)口方向推進(jìn)，拱頂沉降逐漸增大，當(dāng)掌子面離開監(jiān)測(cè)斷面15m左右時(shí)，沉降開始減小，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。DK16+590～DK16+730里程范圍隧道施工采用三臺(tái)階四步開挖，圍巖擾動(dòng)程度得到控制，綜合該范圍各監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降變化情況可知：拱頂沉降測(cè)值相對(duì)較小，在1.5mm范圍內(nèi)變化；拱頂沉降隨掌子面向進(jìn)口方向推進(jìn)逐漸增大，當(dāng)掌子面距離較遠(yuǎn)時(shí)，沉降趨于穩(wěn)定。

2）水平收斂

9個(gè)斷面水平收斂隨掌子面進(jìn)展變化曲線如圖8所示。以9個(gè)斷面水平收斂變化為基礎(chǔ)，結(jié)合其他監(jiān)測(cè)斷面測(cè)試結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)：在隧道掘進(jìn)停止時(shí)，拱頂沉降和水平收斂會(huì)產(chǎn)生較大的變形，需加強(qiáng)隧道變形監(jiān)控，及時(shí)施加二次襯砌，抑制隧道變形的發(fā)展；不考慮掘進(jìn)停止?fàn)顟B(tài)下水平收斂隨時(shí)間變形情況，DK16+660～DK16+730和DK16+590～DK16 +730里程范圍內(nèi)水平收斂測(cè)值均在1.5mm范圍，其變化規(guī)律為先隨掌子面向進(jìn)口方向逐漸增大，后趨于穩(wěn)定。

4.2貫通施工對(duì)斷層帶隧道變形影響

DK16+540～DK16+590里程范圍距貫通斷面較近，受2個(gè)方向開挖影響，變形情況比較復(fù)雜， 隨著掌子面向貫通斷面推進(jìn)， 隧道變形逐漸發(fā)展（以DK16+580斷面為例， 貫通前至少產(chǎn)生了1.9mm的拱頂沉降和2.4mm的水平收斂，即使忽略了后期變形量，也較4.3節(jié)中DK16+590斷面變形要大）。貫通對(duì)圍巖擾動(dòng)程度較大，后期隨時(shí)間亦會(huì)產(chǎn)生一定的變形。該里程范圍內(nèi)5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的在貫通后隨拱頂沉降和水平收斂時(shí)程曲線如圖9所示。由圖9可知：5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降和水平收斂變化規(guī)律基本相同；一般來(lái)說，距DK16+533斷面近的監(jiān)測(cè)斷面后期變形遠(yuǎn)大于距DK16+533斷面遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)斷面后期變形，即貫通作業(yè)對(duì)隧道變形隨時(shí)間發(fā)展具有空間效應(yīng)，距離貫通斷面越近，影響越大。

4.3隧道開挖影響距離分析

進(jìn)口和1#斜井2個(gè)方向的掌子面在DK16+533斷面完成貫通，DK16+580、570、560、550和540斷面變形距貫通斷面較近，受2個(gè)方向開挖影響，較斷層破碎帶范圍內(nèi)的其他斷面，上述斷面屬于特殊監(jiān)測(cè)斷面，故無(wú)法判定其隧道開挖影響距離。本文以其他21個(gè)監(jiān)測(cè)斷面變形情況為基礎(chǔ)，分析隧道開挖影響距離。

隧道開挖影響距離的判定方法為：基于鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程規(guī)定的拱頂沉降和水平收斂速度的0.15mm/d 和0.2mm/d標(biāo)準(zhǔn)，分別給出拱頂沉降和水平收斂穩(wěn)定時(shí)掌子面距監(jiān)測(cè)斷面的距離，取結(jié)果中的最大值為隧道開挖影響距離。不同監(jiān)測(cè)斷面開挖影響距離如圖10所示，按照統(tǒng)計(jì)方法，剔除最大值和最小值，V級(jí)圍巖段隧道開挖影響距離為47m；同理，對(duì)于斜井方向的Ⅳ級(jí)圍巖段，隧道開挖影響距離平均值為47.6m。V級(jí)圍巖段圍巖質(zhì)量差，但采用了三臺(tái)階四步方法開挖，圍巖擾動(dòng)程度受到控制；Ⅳ級(jí)圍巖段圍巖質(zhì)量相對(duì)較好，但開挖方法為全斷面方法，隧道開挖引起的圍巖擾動(dòng)程度較大，故2種圍巖下開挖影響距離差異不大。

5結(jié)論

以穿越富水F4斷層的某鐵路隧道為工程背景，隧道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，初步結(jié)論與建議如下：

1）監(jiān)測(cè)結(jié)果揭示了本隧道所采用的施工控制方案能很好地控制隧道穿越F4斷層時(shí)變形，保證了隧道安全施工。

2）隧道穿越F4斷層采用了三臺(tái)階四步開挖和全斷面開挖2種施工方法，三臺(tái)階四步法下隧道變形略小于全斷面法。同時(shí)比較其他區(qū)段隧道變形情況，穿越斷層時(shí)主要采用的三臺(tái)階四步法控制隧道變形控制效果也十分明顯。

3）V級(jí)圍巖段采用3臺(tái)階4步開挖方法，能減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，故本工程施工、工程與水文地質(zhì)條件下隧道開挖影響距離與全斷面開挖的Ⅳ級(jí)圍巖段隧道開挖影響距離接近，約為47m。

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（責(zé)任編輯：李麗，編輯：丁寒）