大斷面隧道穿越斷層破碎帶施工方案及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

■丘禮球

（福建廈蓉高速公路漳龍段擴(kuò)建工程有限公司，龍巖 364000）

山嶺隧道建設(shè)過程中，受道路選線與地形因素影響，難以避免地遇到穿越斷層破碎帶的情況。 斷層破碎帶地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層兩側(cè)圍巖往往松散軟弱、強(qiáng)度低、且抗擾動(dòng)能力差，在施工中稍有不慎就容易導(dǎo)致隧道掌子面的失穩(wěn)甚至坍塌[1]。 對(duì)于大斷面隧道而言，如何選擇合適的施工方法及支護(hù)參數(shù)成為穿越破碎帶中的重難點(diǎn)問題。 三臺(tái)階七步開挖法是大斷面隧道軟弱圍巖施工中的常用工法，具有利于控制掌子面穩(wěn)定、利于圍巖變形控制、利于支護(hù)閉合等優(yōu)點(diǎn)， 適用于破碎帶松散軟弱的圍巖情況[2]。三臺(tái)階法施工主要通過分布開挖減小開挖斷面大小， 同時(shí)利用核心土的支撐作用以維持掌子面穩(wěn)定，保證隧道正常施工[3-4]。

目前，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)斷層破碎帶處隧道施工工法及其支護(hù)技術(shù)已開展了一些研究。 張志強(qiáng)等[5]利用GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)斷層破碎帶圍巖的變形時(shí)序進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可有效指導(dǎo)隧道的施工及支護(hù)設(shè)計(jì)；李翔等[6]針對(duì)舊堡隧道斷層破碎帶施工中遇到的涌水塌方難題， 提出了排堵地下水、注漿加固、強(qiáng)化支護(hù)的治理措施；高文山[7]在西秦嶺特長(zhǎng)隧道穿越F6 斷層施工中， 采用超短臺(tái)階法開挖結(jié)合仰拱整體模架分區(qū)技術(shù)有效防止了塌方事故并順利通過了斷裂層；宋瑞剛等[8]利用總勢(shì)能原理對(duì)斷層破碎帶圍巖的突發(fā)破壞進(jìn)行了分析，提出圍巖失穩(wěn)尖點(diǎn)突變模型；田野等[9]利用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證方法，提出上臺(tái)階高度和跨矢比的選擇對(duì)確保大跨度破碎圍巖段施工穩(wěn)定性具有重要意義；馮毅[10]結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性因素進(jìn)行了總結(jié)；郝曉燕[11]利用有限元軟件研究了隧道穿越斷層破碎帶時(shí)臺(tái)階工法的適用性；杜可耕等[12]利用FLAC 3D 有限元軟件對(duì)預(yù)留核心土工法下圍巖的變形進(jìn)行了研究，指出破碎帶區(qū)域拱腳形變量遠(yuǎn)大于拱肩，應(yīng)重點(diǎn)控制拱腳處支護(hù)安全。

本文以龍巖夏蓉高速公路邦山隧道穿越斷層破碎帶為工程依托，通過分析隧道圍巖多期交叉效應(yīng)與變形機(jī)制，利用開挖數(shù)值模擬等手段進(jìn)行隧道穿越斷層破碎帶三臺(tái)階七步開挖法施工過程分析，并提出相應(yīng)的支護(hù)建議，可為同類隧道穿越斷層破碎帶的施工和設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該隧道為分離式雙洞三車道高速公路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，隧道右線全長(zhǎng)1809 m，起訖樁號(hào)YK144+700～YK145+711；隧道左線全長(zhǎng)1804 m，起訖樁號(hào)ZK143+915～ZK145+719。主洞凈空寬14 m，隧址區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，斷裂、褶皺、巖漿活動(dòng)均發(fā)育，地形起伏大，隧道最大埋深157.58 m。 隧道整體圍巖破碎，主要穿越中-微風(fēng)化花崗巖、變質(zhì)砂巖、石英砂巖、砂礫巖夾粉砂巖等。 邦山隧道左線ZK144+994～ZK145+145 縱斷面如圖1 所示。

圖1 邦山隧道左線ZK144+994～ZK145+145 縱斷面

邦山隧道左線ZK145+036～ZK145+091 穿越F135a 斷層破碎帶，F(xiàn)135a 斷層走向近東北向，傾角70°左右。 斷層主要由坡積粉質(zhì)粘土、碎石坡積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂巖等構(gòu)成，具有構(gòu)造透鏡體，層理發(fā)育，裂面舒緩波狀，其圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖。

根據(jù)隧道圍巖變形特性并結(jié)合該斷層破碎帶特殊地質(zhì)情況，通過方案比選，確定隧道施工方案為“超前物探、鉆探結(jié)合探水、超前注漿堵水、預(yù)留核心土超短臺(tái)階人工開挖（局部輔以弱爆破）、初支加強(qiáng)、仰供超前、二襯緊跟”，采用“上部弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土三臺(tái)階七步開挖法”施工。 施工步序?yàn)椋旱? 步： 上部弧形導(dǎo)坑開挖， 在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行，環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核心土長(zhǎng)度宜為3～5 m， 寬度宜為隧道開挖寬度的1/3～1/2；第2、3 步：左、右側(cè)中臺(tái)階開挖；第4、5 步：左、右側(cè)下臺(tái)階開挖；第6 步：上、中、下臺(tái)階預(yù)留核心土開挖，開挖進(jìn)尺與各臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺相一致；第7 步：隧底開挖，開挖后及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)。 三臺(tái)階七步開挖法施工步驟如圖2 所示。

圖2 三臺(tái)階七步開挖法工序

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

拱墻、 拱腳處均采用C25 噴射混凝土， 厚度28 cm；型鋼/格柵鋼架全環(huán)設(shè)置，間距0.6～0.8 m；鋼筋網(wǎng)采用φ8 鋼筋網(wǎng)， 設(shè)置拱墻部位， 網(wǎng)格間距20 cm×20 cm， 保護(hù)層厚度≥3 cm； 仰拱填充采用C20 混凝土，中心線處設(shè)計(jì)厚度138 cm。 具體支護(hù)參數(shù)如表1 所示。

表1 初期支護(hù)參數(shù)

三臺(tái)階七步開挖法施工過程中由于施工場(chǎng)地狹小，錨桿施工難度大，尤其是拱部錨桿往往不能及時(shí)徑向施作， 致使砂漿注滿度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 同時(shí)，軟弱圍巖中砂漿錨桿與圍巖的黏結(jié)力較差，極大地影響支護(hù)效果的發(fā)揮。 鎖腳錨桿的錨固效果顯著，對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)起著重要作用，故針對(duì)該地段上述隧道支護(hù)方案，并結(jié)合隧道穿越斷層破碎帶地質(zhì)及圍巖情況，采用取消系統(tǒng)錨桿并增設(shè)鎖腳錨桿的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。 鎖腳錨桿通過對(duì)隧道拱、墻腳一定范圍圍巖的錨固，可有效限制鋼架及整個(gè)初期支護(hù)的下沉，同時(shí)防止初期支護(hù)向隧道凈空方向位移，進(jìn)而充分發(fā)揮初期支護(hù)承載作用，增加圍巖自穩(wěn)時(shí)間和初期支護(hù)整體性[13-14]。 鎖腳錨桿下插角45°，直徑為42 mm，考慮圍巖塑形區(qū)范圍較Ⅳ級(jí)圍巖增大，錨管長(zhǎng)度取4 m，打設(shè)位置為隧道拱、墻腳以上50 cm，為雙排布置，每個(gè)拱、墻腳各4 根，共24 根。鎖腳錨桿布置示意圖如圖3 所示，鎖腳錨管示意圖如圖4 所示。

圖3 鎖腳錨桿布置示意圖

圖4 鎖腳錨管示意圖（單位：cm）

3 斷層破碎帶開挖數(shù)值模擬

按圣維南原理隧道開挖的影響范圍一般為3～5 倍洞室直徑， 結(jié)合隧道斷面尺寸與斷層破碎帶的寬度，計(jì)算模型尺寸確定為寬80 m×高120 m。隧道三維數(shù)值模型地面線、斷層分布均為實(shí)際地面線與斷層分布情況，模擬計(jì)算利用MIDAS GTSNX 有限元軟件，其間斷層選用實(shí)體單元模擬，初支選用板單元，鎖腳錨桿選用桁架單元，巖石本構(gòu)采用摩爾庫倫模型，初支采用彈性模型。 整體模型及模型透視圖如圖5 所示。

圖5 整體網(wǎng)格模型及模型透視圖

圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)如表2 所示。 隧道開挖過程的數(shù)值模擬，主要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形特征和施工開挖經(jīng)驗(yàn)對(duì)荷載釋放系數(shù)進(jìn)行取值，對(duì)每一步的開挖部分開挖時(shí)荷載釋放系數(shù)取0.5， 施作初期支護(hù)時(shí)取0.3，下一步開挖過程中荷載再釋放0.2。

表2 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 圍巖變形分析

隧道開挖過程中， 隧道周圍土體失去原有支承，土體原有受力平衡狀態(tài)被打破，引起一定范圍內(nèi)土體應(yīng)力重分布和局部應(yīng)力的釋放，改變了相鄰?fù)馏w的相對(duì)平衡狀態(tài)。選取斷層處ZK145+058 斷面及其斷面上3 個(gè)特征點(diǎn)，點(diǎn)位分別是拱頂A、左拱腰B 和右拱腰C，進(jìn)行開挖階段的位移分析。

4.1.1 開挖過程中位移變形

斷層處ZK145+058 斷面拱頂A 豎向位移，左拱腰B 及右拱腰C 橫向位移隨施工開挖跟蹤變化圖如圖6、7 所示。

2012年后，阿4段高達(dá)75%的措施有效率引起地質(zhì)研究人員的重視。他們通過地震資料精細(xì)解釋及實(shí)鉆資料分析，首次發(fā)現(xiàn)并刻畫出阿4段河道砂巖性油氣藏，并陸續(xù)部署DK32X、DK33H、DK35H、DK37H等井，均實(shí)現(xiàn)良好建產(chǎn)。截至2018年10月初，阿4段河道砂巖性油氣藏日產(chǎn)油27.8噸，占該油田日產(chǎn)量的42%，已累計(jì)產(chǎn)油4.27萬噸，累計(jì)產(chǎn)氣0.47億立方米。

圖6 拱頂A 豎向位移跟蹤變化圖

4.1.2 開挖完成后位移變形

斷層處ZK145+058 斷面在隧道最終開挖完成后的豎向及橫向位移圖如圖8、9 所示。

圖7 拱腰B 與拱腰C 橫向位移跟蹤變化圖

圖8 斷面最終豎向位移云圖

圖9 斷面最終橫向位移云圖

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出， 采用三臺(tái)階法開挖， 控制各臺(tái)階開挖間距為6 m 時(shí)，ZK145+058 斷面處拱頂A 點(diǎn)最終沉降64.6 mm，左、右拱腰B、C點(diǎn)處橫向位移最終達(dá)到68.7 mm 和-71.5 mm，隧道整體變形量較大。 左、右拱腰開挖時(shí)出現(xiàn)收斂，隨著拱頂位移的加大，拱腰向外擴(kuò)張，支護(hù)混凝土反復(fù)受力極易出現(xiàn)疲勞裂縫。 由于該斷面處于強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與斷層交界處，斷層巖性較差，隧道整體最大豎向和橫向位移均出現(xiàn)在該斷面處。

4.1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移變形

現(xiàn)場(chǎng)選取ZK145+058 斷面進(jìn)行隧道穿越斷層破碎帶段監(jiān)測(cè)，采用收斂計(jì)、全站儀及水平尺對(duì)隧道斷面周邊位移及拱頂沉降進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量頻率1 次/d，共監(jiān)測(cè)歷時(shí)30 d，測(cè)點(diǎn)布置情況如圖10 所示。

圖10 ZK145+058 斷面拱頂、拱腰測(cè)點(diǎn)布置圖

隧道穿越過程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大拱頂沉降累計(jì)值為72.3 mm， 拱腰處最大累積水平收斂值155.7 mm，較數(shù)值模擬結(jié)果最大沉降值64.6 mm 和收斂值140.2 mm 均偏大。 考慮隧道斷層破碎帶圍巖巖性極差，同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)施工前后擾動(dòng)影響，故實(shí)測(cè)值比數(shù)值模擬值偏大一些，但誤差范圍在10%左右，數(shù)值模擬結(jié)果總體可靠。

4.2 圍巖應(yīng)力與支護(hù)應(yīng)力分析

4.2.1 圍巖應(yīng)力分析

圍巖第一、第三主應(yīng)力等色圖如圖11 所示，隧道中線處剖斷面圍巖第一、第三主應(yīng)力圖如圖12 所示。

圖11 圍巖第一、第三主應(yīng)力等色圖

圖12 剖斷面處圍巖第一、第三主應(yīng)力等色圖

從圖11 可以看出， 最大主拉應(yīng)力為0.029 MPa，遠(yuǎn)小于地質(zhì)勘察報(bào)告中提供的圍巖抗拉強(qiáng)度；最大主壓應(yīng)力為2.53 MPa，也遠(yuǎn)小于地質(zhì)報(bào)告中提供的抗壓強(qiáng)度；且最大主拉應(yīng)力及最大主壓應(yīng)力均未出現(xiàn)在斷層附近，圍巖在整體上穩(wěn)定。 但由圖12 可以看出，在隧道上方斷層處拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均比其附近圍巖地段要大，斷層處圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖易發(fā)生坍塌。

4.2.2 支護(hù)應(yīng)力分析

隧道開挖完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖如圖13、14所示（圖中應(yīng)力負(fù)為受壓，正為受拉）。

圖13 軸力圖

圖14 彎矩圖

由上圖可知襯砌混凝土的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與斷層接觸段，這是由于斷層處巖體性質(zhì)較差，開挖過后使混凝土承擔(dān)了更大的圍巖開挖過后產(chǎn)生的應(yīng)力，若混凝土強(qiáng)度較低可能產(chǎn)生混凝土掉塊現(xiàn)象；錨桿最大壓應(yīng)力同樣出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)化砂巖與斷層接觸段，由于斷層的影響，斷層處錨桿可能發(fā)生彎折，應(yīng)加強(qiáng)錨桿密度及強(qiáng)度。 臨時(shí)支護(hù)也承擔(dān)了較大的應(yīng)力作用， 勿過早對(duì)其進(jìn)行拆除，應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料確定其拆除時(shí)間。 考慮到斷層處圍巖條件較差，為了更好地發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承變作用，控制圍巖變形，必要時(shí)應(yīng)將上、下臺(tái)階進(jìn)一步分部開挖，并預(yù)留核心土支撐掌子面，同時(shí)將左、右導(dǎo)坑進(jìn)一步分臺(tái)階開挖，并在每一部分開挖過后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，從而可更好地發(fā)揮錨桿及襯砌混凝土的承變能力，進(jìn)一步控制圍巖變形，尤其在斷層處應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

5 結(jié)論與建議

依托邦山隧道跨越斷層破碎帶工程，通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行三臺(tái)階七步法施工過程分析，得到主要結(jié)論及建議如下：

（1）襯砌混凝土的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與斷層接觸段，斷層處巖體性質(zhì)較差，開挖過后使混凝土承擔(dān)了更大的二次應(yīng)力，以致產(chǎn)生混凝土掉塊現(xiàn)象；錨桿最大壓應(yīng)力同樣出現(xiàn)在強(qiáng)風(fēng)化砂巖與斷層接觸段，受斷層的影響，斷層處錨桿可能發(fā)生彎折現(xiàn)象，施工中應(yīng)加強(qiáng)錨桿布置密度同時(shí)提高錨桿強(qiáng)度級(jí)別。

（2）基于有限元法對(duì)三臺(tái)階法開挖進(jìn)行數(shù)值模擬， 控制各臺(tái)階開挖間距為6 m 時(shí)，ZK145+058 斷面處拱頂A 點(diǎn)最終沉降64.6 mm，左、右拱腰B、C點(diǎn)處橫向位移最終達(dá)到-71.5 mm 和68.7 mm，隧道整體變形量較大，由于斷面處于強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與斷層交界處，且斷層巖性較差，隧道整體最大豎向和橫向位移均出現(xiàn)在斷面ZK145+058 處。建議縮小開挖進(jìn)尺，加強(qiáng)支護(hù)，做好監(jiān)控量測(cè)工作，必要時(shí)可將上、下臺(tái)階進(jìn)一步分臺(tái)階開挖并預(yù)留核心土支撐掌子面，同時(shí)可將左、右導(dǎo)坑分臺(tái)階開挖；左、右拱腰在開挖出先收斂，隨著拱頂位移的加大，拱腰向外擴(kuò)張，混凝土反復(fù)受力，極易出現(xiàn)疲勞，此處也容易出現(xiàn)拉裂縫，應(yīng)格外注意施工安全。

（3）最大主拉應(yīng)力為0.029 MPa，遠(yuǎn)小于地質(zhì)報(bào)告提供的圍巖抗拉強(qiáng)度； 最大主壓應(yīng)力為2.53 MPa， 也遠(yuǎn)小于地質(zhì)報(bào)告中提供的抗壓強(qiáng)度；且最大主拉應(yīng)力及最大主壓應(yīng)力均未出現(xiàn)在斷層附近，圍巖整體上穩(wěn)定。 但在隧道上方斷層處拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均比其附近圍巖地段要大，斷層處圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖易發(fā)生坍塌。 建議采用雙排注漿小導(dǎo)管對(duì)斷層段進(jìn)行超前支護(hù)以達(dá)到加固地層的目的，同時(shí)又可起到超前錨桿支護(hù)的作用，從而有效控制地層變形，確保隧道順利通過斷層區(qū)段。