斷層破碎帶不良地質(zhì)隧道施工安全控制技術(shù)

孫國臣

摘要 斷層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境給隧道的安全建設(shè)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，通過研究提出了斷層破碎帶等不良地質(zhì)隧道施工安全控制技術(shù)，以“超前預(yù)報、注漿加固、變形監(jiān)測”全過程研究為核心思想，提出了不良地質(zhì)綜合預(yù)報技術(shù)，采用有限差分軟件進行注漿加固數(shù)值分析，優(yōu)化加固方案;在此基礎(chǔ)上，對圍巖壓力和鋼架應(yīng)力以及圍巖變形進行分析。相關(guān)方法與技術(shù)體系在隧道工程進行了成功應(yīng)用，可為類似隧道工程安全建設(shè)提供借鑒與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 隧道;斷層破碎帶;綜合預(yù)報;注漿加固;變形監(jiān)測

中圖分類號 U452.11 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0080-03

0 引言

隧道作為交通建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的控制性工程，迎來了快速建設(shè)期。截至2020年底，在建鐵路隧道2 746座，規(guī)劃鐵路隧道6 354座，其中特長隧道更是多達134座[1]。然而，隨著隧道建設(shè)向西部山區(qū)延伸，賦存的斷層破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)在施工擾動下極易造成塌方、突水等重大災(zāi)害，輕者導(dǎo)致工期延誤、經(jīng)濟損失，嚴(yán)重制約隧道建設(shè)的質(zhì)量和成敗。因此，對隧道沿線斷層破碎帶等災(zāi)害源科學(xué)有效控制，是保障隧道建設(shè)安全面臨的關(guān)鍵共性問題[2-5]。

針對隧道穿越斷層破碎帶安全控制，諸多學(xué)者研究并取得了階段性進展[6-7]：如曹勝根等[8]采用頂板注漿加固技術(shù)預(yù)防斷層破碎帶頂板的跨落;翁賢杰[9]研究隧道斷層突水突泥機理，建立了隧道斷層突水突泥注漿治理技術(shù)體系;張健儒[10]研究了隧道注漿堵水的方式優(yōu)化選取方法;杜志龍等[11]運用化學(xué)注漿新技術(shù)對斷層破碎帶進行注漿加固處理;陶文斌等[12]研究“預(yù)注漿+超前支護+架棚+二次注漿”全斷面一次通過斷層破碎帶支護技術(shù);Chen等[13]采用超前預(yù)報技術(shù)對斷層破碎區(qū)進行準(zhǔn)確探測，并實現(xiàn)加固質(zhì)量檢驗。綜上，現(xiàn)有隧道穿越斷層破碎帶的安全控制多聚焦于注漿處理，缺乏對不良地質(zhì)超前預(yù)報、圍巖變形監(jiān)測的系統(tǒng)性結(jié)合，亟待建立不良地質(zhì)“超前預(yù)報、注漿加固、監(jiān)測檢驗”全過程的安全控制技術(shù)方法，為隧道穿越斷層破碎帶等提供有力支撐。

在充分技術(shù)調(diào)研和現(xiàn)場實踐的基礎(chǔ)上，提出了基于“超前預(yù)報、注漿加固、變形監(jiān)測”的三階段安全控制方法與技術(shù)。

1 隧道穿越斷層破碎帶災(zāi)害安全控制方法

1.1 斷層破碎帶等綜合超前預(yù)報

斷層破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)是鐵路隧道施工面臨的重大風(fēng)險源，如何有效探明其分布位置及含水性是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報方法主要可分為兩大類[14]：地質(zhì)分析法和地球物理方法。其中，地質(zhì)分析法有超前導(dǎo)洞、超前鉆探、經(jīng)驗分析法等;地球物理方法包括隧道地震波法（SAP法、TSP法、TRT法等）、電磁波法（瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法等）、電法（激發(fā)極化法等）。不同的預(yù)報方法各有特點，如何優(yōu)選和科學(xué)組合，實現(xiàn)不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確性探測解譯，是隧道工程安全建設(shè)需要解決的首要問題。

針對隧道前方斷層破碎帶等不良地質(zhì)準(zhǔn)確探測的需求，提出了地震波法遠(yuǎn)距離識別斷層、地質(zhì)雷達近距離精細(xì)刻畫邊界、超前鉆探揭露含水特征相結(jié)合的綜合預(yù)報方法，對不良地質(zhì)位置、規(guī)模、形態(tài)、含水性等進行比對分析和綜合解譯，提升探測準(zhǔn)確性（圖1）。

（1）隧道地震波法遠(yuǎn)距離識別。在隧道空腔中利用錘擊或炸藥等激發(fā)地震波并在巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到斷層破碎帶發(fā)生反射并被邊墻檢波器陣列采集;通過數(shù)據(jù)處理與分析，實現(xiàn)前方不良地質(zhì)體的較準(zhǔn)確成像，探測距離約為100～150 m。

（2）隧道地質(zhì)雷達法精細(xì)刻畫。在地震法判斷的風(fēng)險區(qū)開展地質(zhì)雷達的近距離精細(xì)探測，利用發(fā)射天線向巖體內(nèi)部發(fā)射電磁波，遇到界面發(fā)生反射并被天線接收;通過分析電磁波的走時、幅值和波形，可對斷層含水帶、破碎帶等較好識別，探距約為30 m。

（3）隧道超前水平鉆探驗證。在地球物理探測結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對重大高風(fēng)險區(qū)段，進一步施作超前鉆孔進行地質(zhì)特征的精準(zhǔn)、直觀揭示，對超前預(yù)報結(jié)果進行進一步確認(rèn)。

1.2 基于有限差分模擬的注漿加固方案優(yōu)化

復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層破碎帶隱蔽，穩(wěn)定性差，需提前加固處治，以保障隧道安全。結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果，利用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法對注漿目標(biāo)地質(zhì)進行三維建模并進行數(shù)值模擬及注漿參數(shù)設(shè)計。計算采用彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，模型邊界取四倍洞徑，隧道底部約束豎向位移，四周約束水平位移等。重點研究注漿圈厚度和注漿范圍與巖體沉降之間的控制關(guān)系;進而為注漿范圍、注漿孔位布置、注漿參數(shù)設(shè)計、注漿量等提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

研究中計算采取圍巖及支護等力學(xué)參數(shù)如表1所示，同時分析中取無支護時應(yīng)力釋放率為30%，初期支護承擔(dān)70%的圍巖應(yīng)力釋放。注漿后彈性模量提高30%，密度提高10%，摩擦角提高30%，黏聚力提高50%。

1.3 圍巖變形監(jiān)控量測與安全評估

監(jiān)控量測是通過對圍巖支護應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)進行長周期監(jiān)測的方式，及時獲取隧道結(jié)構(gòu)各部分的實際特征，通過分析圍巖形狀變化、變形地段對周邊巖體的影響以及支護結(jié)構(gòu)的受力情況，指導(dǎo)工程實施，保障隧道建設(shè)安全。監(jiān)控量測應(yīng)根據(jù)預(yù)報斷層破碎帶分布以及加固注漿進行設(shè)計，并依據(jù)風(fēng)險等級加密。重點分析監(jiān)測點位置、控制性指標(biāo)、測點位置，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析圍巖變形特征，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值超出災(zāi)變臨界指標(biāo)，則立即預(yù)警。

針對隧道斷層破碎帶區(qū)段穿越安全評估重點開展洞內(nèi)支護結(jié)構(gòu)受力和變形情況監(jiān)測，具體監(jiān)控量測指標(biāo)如下：①初支與圍巖之間接觸壓力;②鋼架內(nèi)力;③周邊收斂;④拱頂沉降。如埋設(shè)的測點在測試期間遭到破壞，恢復(fù)以后按新埋測點要求采集讀數(shù)。量測過程中若遇圍巖變形速率較快時，量測頻率應(yīng)在表中的基礎(chǔ)上加密。當(dāng)測試結(jié)果已完全穩(wěn)定之后，可結(jié)束測試?，F(xiàn)場試驗段監(jiān)測匯總?cè)绫?所示，現(xiàn)場監(jiān)測頻率如表3所示。

2 現(xiàn)場實驗

2.1 斷層等不良地質(zhì)超前預(yù)報

綜合超前預(yù)報在某公路隧道進行了試驗與驗證，在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用主動源地震波法探明了隧道前方的強反射分布區(qū)域。在隧道掌子面前方42 m左右開始出現(xiàn)多次正負(fù)反射，存在異常。為進一步明確反射界面的形態(tài)特征，在隧道施工至38 m處進行地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報，探測結(jié)果顯示，在當(dāng)前隧道前方4～5 m處存在兩條強反射，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷存在兩個強反射界面，開挖揭露顯示為與隧道大角度相交的傾斜小斷層。由此，驗證了利用地震波法遠(yuǎn)距離判斷異常區(qū)、地質(zhì)雷達法精細(xì)刻畫異常體及邊界形態(tài)的可行性。該方法為注漿加固研究與治理提供了重要依據(jù)。

2.2 注漿加固方案參數(shù)優(yōu)化

采用有限差分法進行注漿模擬數(shù)值計算，斷層破碎帶注漿加固效果模擬計算結(jié)果云圖如圖2所示，對不同注漿情況（注漿厚度、注漿范圍等）下的隧道拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起規(guī)律總結(jié)如下：

（1）隨著注漿圈厚度的增大，拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起的變形逐漸減小。當(dāng)注漿厚度由40 cm遞增至90 cm時，拱頂沉降值分別為169 mm、158 mm、152 mm、148 mm、144 mm、142 mm;水平收斂值分別為85 mm、79 mm、75 mm、72 mm、70 mm、68 mm;仰拱隆起變形值分別為138 mm、130 mm、125 mm、122 mm、119 mm、117 mm。

（2）隨著注漿圈范圍的增大，拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起的變形也呈現(xiàn)逐漸減小特征。當(dāng)注漿范圍由140?增加至240?時，拱頂沉降值分別為166 mm、

159 mm、152 mm、149 mm、147 mm、146 mm。水平收斂值分別為85 mm、79 mm、75 mm、72 mm、70 mm、

69 mm。仰拱隆起值分別為138 mm、132 mm、125 mm、120 mm、118 mm、116 mm。

依據(jù)鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該隧道處于V類圍巖環(huán)境中，其拱頂沉降需控制在150 mm以內(nèi)、水平收斂控制在80 mm以內(nèi)。綜合考慮施工成本，對注漿參數(shù)進行優(yōu)化選?。哼x取注漿厚度為70 cm、注漿范圍為200°。

2.3 圍巖變形監(jiān)控量測分析

采用鋼筋應(yīng)力計進行鋼架內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力量測，隧道每個斷面布設(shè)6個測位，每個測位內(nèi)外2個測點;圍巖與噴射混凝土之間的壓力盒在噴混凝土施工前埋設(shè)，埋設(shè)時，壓力盒承壓面緊貼圍巖面和噴射混凝土面;在三個測點進行拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測斷面布置。

隧道圍巖壓力和鋼架應(yīng)力在50 d時能夠保持基本不變，依托工程采取的支護措施在斷層破碎帶有效。其中隧道拱腳鋼架內(nèi)側(cè)的應(yīng)力最大，拱頂外側(cè)次之，左側(cè)拱腰應(yīng)力最小。對于圍巖壓力則表現(xiàn)為隧道拱頂圍巖壓力最大，為146.9 kPa，而其他位置的壓力大小接近且明顯小于拱頂位置。隧道圍巖變形在30 d內(nèi)能夠基本保持穩(wěn)定，其中拱頂?shù)淖畲蟪两禐?40.71 mm，水平收斂的最大值為72.63 mm。綜上可知，該方法為隧道安全支護體系安全提供了有效的技術(shù)支撐，具有較好的實用性。

3 結(jié)語

針對隧道穿越斷層破碎帶等高風(fēng)險地層的安全控制方法與技術(shù)進行了研究，提出了“超前預(yù)報、注漿加固、變形監(jiān)測”等相結(jié)合的技術(shù)體系。具體創(chuàng)新與特色如下：

（1）針對前方斷層破碎帶等不良地質(zhì)準(zhǔn)確探測難題，形成了基于地震波法遠(yuǎn)距離識別、地質(zhì)雷達法近距離刻畫和超前鉆探直觀揭露相結(jié)合的高風(fēng)險不良地質(zhì)綜合探測方法，實現(xiàn)了目標(biāo)地質(zhì)位置、規(guī)模、形態(tài)、含水性等特征的綜合獲取，為斷層等超前處治提供地質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）基于實際隧道地質(zhì)工況，采用有限差分方法進行隧道圍巖加固數(shù)值模擬研究，揭示了圍巖變形與注漿類型之間的相互關(guān)系，為實際工程破碎帶加固處治參數(shù)選取提供了科學(xué)指導(dǎo)。

（3）開展重點段落監(jiān)控量測分析，實現(xiàn)了破碎加固區(qū)的圍巖變形實時感知，有效評估隧道結(jié)構(gòu)安全，支撐隧道的高質(zhì)量建設(shè)。

在依托隧道工程開展測試與驗證，證明了研究所提出的方法與技術(shù)體系在實際工程中有較好的實用性和可行性。

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