某高速深埋隧道斷層構(gòu)造帶圍巖變形破壞分析與防控

楊曉芳,李玉倩,吳金剛

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京 100055； 3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

0 引言

自2000年以來，我國進(jìn)入了山區(qū)鐵路、公路等線路交通工程建設(shè)的高峰期，大量山嶺隧道得以建設(shè)并投入運(yùn)營。在這些隧道的建設(shè)過程中，多遇斷層構(gòu)造，尤其是長(zhǎng)大深埋的隧道在穿越長(zhǎng)段落斷層構(gòu)造帶時(shí)多引致圍巖大變形、塌方、涌水突泥等變形破壞現(xiàn)象的發(fā)生。針對(duì)此類隧道施工地質(zhì)問題及相關(guān)防控措施，很多技術(shù)工作人員和專家學(xué)者進(jìn)行了研究與總結(jié)[1-8]。

以往的研究工作多以單線、雙線鐵路隧道或較規(guī)則斷面公路隧道為研究對(duì)象，與大斷面、扁平化公路隧道的變形破壞特征有所偏差。另外，以往的研究工作多局限于具體斷層構(gòu)造帶地質(zhì)條件下的隧道圍巖變形破壞現(xiàn)象分析及控制措施方面，很少從斷層構(gòu)造的宏觀分帶與施工過程中影響因素的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行普適性及規(guī)律性總結(jié)。

本研究對(duì)某高速公路隧道穿越斷層構(gòu)造帶的圍巖變形破壞案例分析，旨在總結(jié)扁平化、大斷面、深埋隧道斷層構(gòu)造帶圍巖變形破壞的影響因素、變形特征、演化規(guī)律，在闡明防控措施的同時(shí)分析其時(shí)效性與適用性，以便為類似條件的隧道工程開挖與支護(hù)提供相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)借鑒。

1 工程概況

某高速公路是京津冀一體化路網(wǎng)格局的重要組成部分，全線最長(zhǎng)的某山嶺隧道是控制施工周期的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)工程。采用分離式雙線隧道，左、右線設(shè)計(jì)全長(zhǎng)分別約5 751 m和5 880 m，建筑界限全寬14.25 m，路面以上凈空高度5.0 m，斷面為扁平的寬馬蹄形，隧道內(nèi)輪廓示意如圖1所示。

圖1 右側(cè)隧道內(nèi)輪廓示意(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of right tunnel inner contour (unit: cm)

該隧道全線穿越的地貌單元主要為中低山地貌單元與山間溝谷地貌單元更迭區(qū)，整體呈“四溝夾三山”的地形格局，沿線地表相對(duì)高差最大達(dá)500 m以上。通過勘察工作查明：沿線地層巖性主要為中生界火山巖及火山碎屑巖、燕山運(yùn)動(dòng)期侵入巖脈(體)與元古界白云巖等；沿線構(gòu)造地質(zhì)條件復(fù)雜，主要受區(qū)域斷塊構(gòu)造控制，共查明特征明顯的斷裂構(gòu)造32條。另外，侵入巖脈(體)發(fā)育，造成周邊巖體的擠壓破碎、節(jié)理產(chǎn)狀錯(cuò)亂，并具有一定的富水性，通過物探查明沿線存在54處低阻異常區(qū)。

在施工過程中，該隧道多段出現(xiàn)坍塌、變形侵限等施工地質(zhì)問題，尤其在該隧道埋深最大的左洞里程ZK31+380～ZK31+600段，開挖揭示了多條小斷層迭加構(gòu)成的構(gòu)造復(fù)合帶，帶內(nèi)軟弱破碎巖體多次發(fā)生涌水突泥、變形侵限、坍塌、圍巖大變形等，以下做具體分析。

2 典型區(qū)段工程地質(zhì)條件

根據(jù)采用TRT技術(shù)[9]獲得的典型段落超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果(如圖2所示)，段內(nèi)巖體的地震波反射界面明顯，與周圍背景值有明顯差異，呈現(xiàn)一定規(guī)律性的雜亂無序，富水軟弱區(qū)域沿隧道呈條帶狀貫通分布，判定隧道左洞樁號(hào)ZK31+380大里程區(qū)段圍巖完整性差，軟弱富水，開挖穩(wěn)定性差。

圖2 典型段落TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果(側(cè)視圖)Fig.2 Result of TRT advanced geological prediction in typical sections (side view)

經(jīng)參建各方會(huì)商，確定對(duì)應(yīng)里程段的隧道圍巖按Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行開挖支護(hù)，并應(yīng)加強(qiáng)施工過程中的地質(zhì)配合與追蹤，根據(jù)圍巖變化動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖支護(hù)方案。后經(jīng)地質(zhì)追蹤查證，該里程段內(nèi)巖體共交錯(cuò)發(fā)育5條特征明顯的斷層，每條斷層的破碎帶寬約3～8 m，斷層復(fù)合影響的范圍較大，導(dǎo)致復(fù)合帶內(nèi)的巖體軟弱破碎，除構(gòu)造面發(fā)育碎粉化、糜棱化現(xiàn)象及夾泥外，多鑲嵌硬質(zhì)構(gòu)造透鏡體，并賦存構(gòu)造裂隙水。該區(qū)段內(nèi)隧道沿線發(fā)育斷層的空間分布情況如圖3所示，各斷層的發(fā)育狀態(tài)與開挖揭示情況如表1所示。依據(jù)相關(guān)規(guī)范[10-13]，該斷層構(gòu)造復(fù)合帶內(nèi)的巖體呈Ⅲ級(jí)～Ⅴ級(jí)圍巖間續(xù)帶狀分布，分布規(guī)律與單一斷層構(gòu)造或多斷層復(fù)合控制影響的劇烈程度具有較明顯的對(duì)應(yīng)性。

圖3 典型區(qū)段斷層構(gòu)造空間分布Fig.3 Spatial distribution of fault structure in typical section

表1 ZK31+380～ZK31+600段斷層構(gòu)造分布Tab.1 Distribution of fault structure in ZK31+380～ZK31+600 section

3 圍巖變形現(xiàn)象

3.1 涌水突泥

(1)里程ZK31+390～ZK31+400段

隧道采用“三臺(tái)階法”[14]開挖。當(dāng)上臺(tái)階開挖至里程ZK31+390處時(shí)，左拱腳部位出現(xiàn)股狀流水，水流稍顯渾濁，并隨水流存在松散巖體滑落、垮塌現(xiàn)象；當(dāng)上臺(tái)階開挖至ZK31+396處時(shí)，左拱腳處出現(xiàn)大量涌水，并攜帶碎屑物，碎屑物的總涌出量約20 m3，邊墻圍巖出現(xiàn)坍塌，并逐漸向兩側(cè)發(fā)展。伴隨注漿加固處理，水流逐漸清澈，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)估算涌水量1 500～2 000 m3/d。

(2)里程ZK31+590～ZK31+595段

至里程ZK31+431，隧道轉(zhuǎn)為CRD法[14]開挖。當(dāng)上導(dǎo)洞開挖至里程ZK31+590處時(shí)，掌子面拱頂及左拱肩發(fā)生涌流式坍塌，伴隨涌流狀出水的同時(shí)，大量碎屑涌出及破碎巖體坍塌，造成掌子面前方洞頂及初支結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大范圍空腔。經(jīng)估算，碎屑物總涌出量近150 m3，涌水量最大時(shí)達(dá)到了2 000 m3/d。

上述段落的涌水突泥還造成了一定范圍隧道拱頂及拱肩部位的圍巖坍塌，并連帶初支結(jié)構(gòu)及周圈巖體產(chǎn)生收斂變形，使得初支結(jié)構(gòu)嚴(yán)重扭曲和侵限。

3.2 圍巖大變形

該隧道左洞里程ZK31+361～ZK31+431段的初支結(jié)構(gòu)與圍巖，在原Ⅴ級(jí)支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上增設(shè)拱部120°范圍T76超前管棚支護(hù)[14]與利用管棚鋼管進(jìn)行超前排水的前提下，仍產(chǎn)生了大變形。其中，里程ZK31+385處產(chǎn)生拱頂下沉784 mm、周邊位移631 mm的大變形，嚴(yán)重侵入二襯界限，具體情況如圖4所示。

圖4 變形監(jiān)測(cè)歷史曲線Fig.4 Historical curves of deformation monitoring

4 圍巖變形特征與影響因素分析

4.1 變形特征分析

(1)拱頂下沉較周邊位移更為突出

從圖4可以看出，該隧道拱頂下沉變形較洞周位移變形更為突出。首先，從開挖斷面的形態(tài)與尺寸來看，該隧道斷面形狀趨于扁平化，小扁平率的隧道斷面不利于圍巖應(yīng)力的協(xié)調(diào)均勻釋放，在應(yīng)力重分布[15-16]的過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，拱頂部位圍巖產(chǎn)生拉應(yīng)力的集中，拱腰部位圍巖產(chǎn)生壓應(yīng)力的集中。其次，扁平的寬馬蹄形結(jié)構(gòu)形式易造成施工組織脫節(jié)，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟弱圍巖的承載與內(nèi)部結(jié)構(gòu)力的傳遞，拱頂部位的支頂作用難以及時(shí)有效發(fā)揮，加劇了拱頂下沉變形的發(fā)生。

(2)變形速度快，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)

變形速率及變化較快，上臺(tái)階開挖后1周內(nèi)變形速率基本達(dá)到峰值出現(xiàn)拐點(diǎn)；中臺(tái)階開挖時(shí)仍存在20～30 mm/d的變形，初支結(jié)構(gòu)施作后才能基本控制在3～10 mm/d；下臺(tái)階及仰拱施作后，還存在2～5 mm周邊位移變形。根據(jù)歷史曲線，在開挖后40 d左右變形方才達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3)“雙峰型”間斷累進(jìn)式變形

里程ZK31+385處的代表斷面拱頂下沉變形監(jiān)測(cè)歷史曲線呈“雙峰型”特征。通過對(duì)圍巖狀態(tài)及伴生現(xiàn)象的查證與分析，推斷“雙峰型”間斷累進(jìn)式拱頂下沉變形的演變過程為：初始大速率變形是由隧道開挖引致原垂向與水平向高應(yīng)力比的初始應(yīng)力平衡狀態(tài)改變和斷層構(gòu)造帶軟弱圍巖難以承載造成的；當(dāng)洞周松弛巖體蠕變逐漸與剛性初支結(jié)構(gòu)達(dá)到共同承載時(shí)，下沉變形趨于短暫穩(wěn)定；伴隨上述整個(gè)從變形到穩(wěn)定的過程，松動(dòng)圈內(nèi)巖體節(jié)理裂隙張開形成貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，改變了隧道影響范圍內(nèi)的地下水滲流場(chǎng)，引起地下水與帶內(nèi)軟弱圍巖發(fā)生水-巖作用，不斷弱化圍巖的承載能力，初步減緩穩(wěn)定的下沉變形進(jìn)一步加劇。

4.2 影響因素分析

通過以上變形現(xiàn)象與變形特征分析，可將控制斷層構(gòu)造復(fù)合帶內(nèi)軟弱圍巖變形破壞的主要因素歸納為構(gòu)造分帶性、應(yīng)力狀態(tài)變化、地下水作用、開挖支護(hù)參數(shù)等。

4.2.1 構(gòu)造分帶性

壓性(壓扭性)斷裂構(gòu)造帶自斷裂中心向兩側(cè)存在“斷層磨礫巖帶-糜棱巖帶-粒化巖帶-碎裂巖帶”的分帶現(xiàn)象[17]，而不同規(guī)模與性質(zhì)斷裂構(gòu)造帶的分帶過渡現(xiàn)象有著不同的組合[17-18]。

根據(jù)對(duì)該隧道開挖揭示斷層構(gòu)造帶圍巖的地質(zhì)追蹤，結(jié)合筆者參與的多座山嶺隧道工程綜合判斷，因斷層構(gòu)造引起的隧道圍巖變形破壞主要發(fā)生在未重結(jié)晶巖化的斷層構(gòu)造帶內(nèi)。隧道圍巖的狀態(tài)從“兩側(cè)斷層影響帶邊緣至斷層破碎帶中心”存在明顯的從“正常圍巖-碎裂化-角(磨)礫化-糜棱化-斷層泥”的分帶過渡，圍巖的巖體完整性、堅(jiān)硬程度與節(jié)理發(fā)育等工程性質(zhì)存在由好至差、由硬變軟、由疏到密的變化趨勢(shì)，圍巖分級(jí)出現(xiàn)由高到低的降級(jí)變化?？傊瑪鄬訕?gòu)造帶內(nèi)巖體的結(jié)構(gòu)類型、物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)等工程特性與正常圍巖存在明顯的差異。

結(jié)合該隧道典型區(qū)段的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，斷層構(gòu)造帶巖體的穩(wěn)定狀態(tài)與變形情況隨構(gòu)造分帶的由外而內(nèi)變化呈負(fù)相關(guān)。另外，不同性質(zhì)的斷層構(gòu)造帶、斷層與隧道之間不同的空間關(guān)系都將會(huì)引致隧道在穿越斷層的不同部位時(shí)產(chǎn)生不同程度與類型的變形破壞。

4.2.2 應(yīng)力狀態(tài)變化

深埋山嶺隧道作為敷設(shè)于深部巖體中的結(jié)構(gòu)，擬開挖的巖體在地質(zhì)演變過程中經(jīng)歷了多期次應(yīng)力場(chǎng)作用，變形能[16]以彈塑性變形的形式儲(chǔ)存在隧道洞周巖體內(nèi)。一旦開挖，變形能將以彈塑性變形向臨空面釋放；另一方面，開挖巖體應(yīng)力狀態(tài)由三維轉(zhuǎn)為二維甚至一維，在應(yīng)力狀態(tài)的改變過程中，隧道圍巖及初支結(jié)構(gòu)發(fā)生方向性明顯的變形及破壞。尤其是深埋的以斷層泥、糜棱巖、碎粉巖及斷層角礫等為主的斷層構(gòu)造帶軟弱破碎巖體，強(qiáng)度低，基本處于極高初始應(yīng)力狀態(tài)[12]，作為隧道圍巖，一經(jīng)開挖變形能向臨空區(qū)釋放，產(chǎn)生塑性擠壓與流動(dòng)變形。

4.2.3 地下水作用

地下水對(duì)隧道圍巖的作用可分為物理化學(xué)作用和力學(xué)作用2部分。當(dāng)在含水破碎巖體內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，首先，圍巖受到地下水的靜水壓力作用，尤其爆破振動(dòng)荷載引致瞬間超空(孔)隙水壓力的產(chǎn)生，加劇應(yīng)力重分布中釋放應(yīng)力對(duì)圍巖的作用；其次，地下水滲流對(duì)圍巖產(chǎn)生動(dòng)水壓力，并帶走細(xì)小顆粒，降低圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使支護(hù)難度增加；再次，應(yīng)力釋放造成節(jié)理裂隙張開，形成新的地下水滲流途徑，使帶內(nèi)巖土體中的泥質(zhì)物浸泡膨脹，溶散軟化，降低巖體強(qiáng)度，增加圍巖壓力?？傊?，地下水作用加劇了斷層構(gòu)造帶隧道圍巖的變形與破壞。

4.2.4 開挖支護(hù)參數(shù)

斷層構(gòu)造帶的隧道圍巖變形產(chǎn)生除受上述地質(zhì)因素的控制外，往往還與開挖支護(hù)參數(shù)有著直接關(guān)系。開挖支護(hù)參數(shù)偏弱或因施工野蠻無序、脫節(jié)造成開挖支護(hù)參數(shù)與之不匹配，導(dǎo)致圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)難以承載，引致變形破壞的產(chǎn)生與加劇。

5 控制與處理技術(shù)措施

通過上述分析，斷層構(gòu)造帶引起隧道圍巖變形破壞的原因有多方面，最主要原因就是構(gòu)造帶巖體自身的軟弱破碎。軟弱破碎導(dǎo)致隧道開挖在巖體中形成的松動(dòng)圈層范圍擴(kuò)大，加大了初支結(jié)構(gòu)背面的側(cè)壓力，最終引致初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形或破壞。

為抑制該隧道斷層構(gòu)造帶軟弱破碎圍巖已開挖段落變形破壞的加劇，預(yù)防未開挖段落圍巖在開挖后繼續(xù)產(chǎn)生過大變形，經(jīng)參建各方會(huì)商，并咨詢業(yè)內(nèi)專家，設(shè)計(jì)與施工單位對(duì)已開挖變形段落和未開挖段落采取了控制與預(yù)防處理。

5.1 已開挖變形段落的控制措施

5.1.1 徑向注漿

徑向注漿[14]是通過向初支結(jié)構(gòu)背后破碎圍巖內(nèi)壓注水泥漿來固結(jié)圍巖，使破碎圍巖形成整體，減小對(duì)初支結(jié)構(gòu)側(cè)壓力的控制措施，往往是在圍巖變形超過設(shè)定警戒值而小于極限值或預(yù)留變形值的前提下采用的。注漿時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖性狀及地下水涌滲狀態(tài)確定注漿加固的厚度、漿液類型與配比，必要時(shí)可摻加速凝劑以控制凝結(jié)時(shí)間，采用其他輔助措施配合進(jìn)行徑向注漿試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)和涌水量及變形控制效果，該隧道最終控制涌滲水的注漿采用的是C30水泥漿與水玻璃的體積比為1∶1的雙液漿，控制變形的注漿采用的是C30水泥漿水灰比為0.8∶1的單液漿，現(xiàn)場(chǎng)徑向注漿的情況如圖5所示。通過注漿，該段落發(fā)生的涌水突泥與圍巖持續(xù)變形現(xiàn)象得以很好的控制。

圖5 徑向注漿Fig.5 Radial grouting

5.1.2 剛性支頂

在圍巖變形已超過設(shè)定警戒值并采用徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)加固后仍未穩(wěn)定，且變形量已基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的極限，但尚未造成初支結(jié)構(gòu)開裂及侵限的情況下，為抑制變形繼續(xù)發(fā)展，預(yù)防長(zhǎng)段落大規(guī)模圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的塌落，并給二襯施作贏得時(shí)間，采用剛性支頂?shù)拇胧?。這種措施主要有橫撐加固與豎撐支頂。剛性支頂?shù)脑O(shè)置間距需根據(jù)初期支護(hù)鋼架的間距進(jìn)行調(diào)整，安裝后應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，如受力后有明顯的彎曲現(xiàn)象，須及時(shí)補(bǔ)做加強(qiáng)措施，防止受力過大，剛性支撐結(jié)構(gòu)遭到突然破壞。

對(duì)于扁平率較大的隧道斷面，圍巖變形往往表現(xiàn)為整體的周邊位移變形；對(duì)于扁平率較小的隧道斷面，拱頂下沉變形往往較兩側(cè)拱墻位移變形更為突出。考慮斷面尺寸和對(duì)施工的影響，采用豎撐或豎撐與橫撐聯(lián)合施作抑制扁平化隧道斷面的過大變形初支段落繼續(xù)變形更為方便、有效。

在該隧道的大變形段落，橫撐采用I25型鋼結(jié)合分步開挖預(yù)留的臺(tái)階巖體與支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行布設(shè)，并在拱部鋼架連接部位增設(shè)φ609鋼管豎撐支頂，上端采用工字鋼或方木作為傳力構(gòu)件，下端坐于穩(wěn)定的基巖或已達(dá)到強(qiáng)度要求的仰拱之上。在豎撐單獨(dú)加固段落，采用橫筋或斜筋焊接各受力鋼管，以保證撐體受力的穩(wěn)定，避免發(fā)生旋轉(zhuǎn)。具體臨時(shí)橫撐與豎撐的施作如圖6、圖7所示。

圖6 臨時(shí)橫向支撐Fig.6 Temporary lateral support

圖7 臨時(shí)豎向支撐Fig.7 Temporary vertical support

具體施作時(shí)，剛性支頂結(jié)構(gòu)物可根據(jù)施工物材采用初支拱架中的高標(biāo)準(zhǔn)型鋼或熱軋無縫鋼管等。橫撐須撐在工字鋼起拱位置的連接鋼板部位，必要時(shí)可在起拱部位沿著隧道縱向設(shè)置工字鋼，橫撐直接頂在工字鋼上。豎撐除需滿足撐體自身的強(qiáng)度要求外，還需保證自身受力的穩(wěn)定性。

5.1.3 套拱加固

對(duì)于易發(fā)生變形的Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖，為防止變形的發(fā)生，施工單位在隧道開挖時(shí)會(huì)結(jié)合自身工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)圍巖狀態(tài)和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整隧道開挖的預(yù)留變形量，在保證套拱施作后初支結(jié)構(gòu)不會(huì)侵入二襯空間的前提下適時(shí)對(duì)超挖段落增設(shè)套拱結(jié)構(gòu)，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，做好及時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)措施(例如徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)加固)，防止變形的進(jìn)一步發(fā)展。

該隧道已變形段落的設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為8～10 cm，而局部段落實(shí)際實(shí)施的預(yù)留變形量為20～40 cm，并施作了套拱支護(hù)，具體如圖8所示。通過后續(xù)的監(jiān)控量測(cè)，驗(yàn)證變形未得到很好的抑制，產(chǎn)生變形的套拱結(jié)構(gòu)嚴(yán)重侵入襯砌空間，最終不得不等到變形穩(wěn)定后結(jié)合二襯施作跳倉對(duì)初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆換。

圖8 套拱加固Fig.8 Arch reinforcement

5.2 未開挖段落的預(yù)防處理措施

非施工因素引致的隧道圍巖變形破壞往往是由于對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)不足、支護(hù)措施偏弱造成的。圍巖變形破壞發(fā)生后，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖性狀與地下水條件，結(jié)合變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，找出產(chǎn)生圍巖變形破壞的原因，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整和補(bǔ)足尚未實(shí)施的開挖支護(hù)方案，預(yù)防在未開挖的隧道斷層構(gòu)造帶軟弱圍巖段落再次發(fā)生較嚴(yán)重的圍巖變形與破壞。

5.2.1 超前加固與支護(hù)

經(jīng)歷已初支段落的圍巖變形破壞后，針對(duì)同等地質(zhì)條件的未開挖圍巖段落采取了適宜的超前加固與支護(hù)措施。超前加固與支護(hù)的作用：一是通過注漿與排(堵)水措施，減少開挖支護(hù)中的不利因素(例如結(jié)構(gòu)碎散、地下水滲流等)影響，提高未開挖洞周破碎圍巖的整體性和強(qiáng)度；二是通過增加輔助支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高圍巖開挖后抵抗變形與破壞的能力。

在該隧道的開挖支護(hù)中，針對(duì)上述斷層構(gòu)造復(fù)合帶內(nèi)的軟弱破碎巖體，除常規(guī)超前錨桿、小導(dǎo)管外，采用外徑76 mm、壁厚15 mm、管長(zhǎng)20～30 m的超前管棚注漿，相鄰管棚間距40 cm，沿隧道軸線對(duì)稱分布于拱頂約120°范圍，具體施作情況如圖9所示。T76超前管棚的施作較好地控制了該段落破碎圍巖持續(xù)變形與拱頂坍塌破壞的發(fā)生。

圖9 T76超前管棚施作Fig.9 Construction of T76 advance pipe shed

5.2.2 加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)

該隧道斷層構(gòu)造復(fù)合帶內(nèi)圍巖與初支結(jié)構(gòu)過大變形的發(fā)生主要是由富水軟弱破碎巖體在深埋高初始應(yīng)力狀態(tài)下開挖支護(hù)的初支參數(shù)偏弱造成的。加強(qiáng)初支參數(shù)的措施一般為：加厚噴混凝土、采用雙層鋼筋網(wǎng)、加密鋼架間距或者加大鋼架型號(hào)、加長(zhǎng)錨桿或采用中空注漿錨桿、加大預(yù)留變形量等措施。

5.2.3 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

該隧道優(yōu)化前后的初支參數(shù)對(duì)比如圖10與表2所示。

圖10 隧道復(fù)合式襯砌斷面(單位:cm)Fig.10 Tunnel composite lining sections(unit:cm)

表2 優(yōu)化前后初期支護(hù)參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of initial support parameters before and after optimization

在里程ZK31+361～ZK31+431段發(fā)生圍巖大變形后，開挖工法由三臺(tái)階法轉(zhuǎn)為CRD法，并采用優(yōu)化后的S5c型初支參數(shù)，在后續(xù)斷層構(gòu)造復(fù)合帶軟弱破碎巖體的開挖中，整體變形得到了較好的控制，未再出現(xiàn)過大的變形。

6 結(jié)論

本研究通過對(duì)某高速公路扁平化、大斷面、深埋隧道穿越斷層構(gòu)造復(fù)合帶段落圍巖變形案例的變形現(xiàn)象闡明與地質(zhì)分析，總結(jié)出以下結(jié)論。

(1)控制斷層構(gòu)造帶破碎軟弱圍巖變形的影響因素主要包含構(gòu)造分帶性、應(yīng)力狀態(tài)變化、地下水作用、開挖支護(hù)參數(shù)等。

(2)扁平化、大斷面、深埋隧道穿越斷層構(gòu)造帶的圍巖大變形往往表現(xiàn)為變形速度快、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)、下沉變形較位移變形更突出、“雙峰型”間斷累進(jìn)式的特征。

(3)對(duì)于扁平化、大斷面的隧道，采取徑向注漿、剛性支頂、超前加固與支護(hù)、加強(qiáng)與優(yōu)化初支參數(shù)等措施對(duì)斷層構(gòu)造復(fù)合帶軟弱破碎巖體產(chǎn)生大變形均有較好的控制作用；然而，適用于扁平率大、小斷面隧道的套拱加固措施難以取得“1+1=2”的效果。

(4)隧道開挖支護(hù)遵從動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，建議落實(shí)勘察設(shè)計(jì)配合機(jī)制，尤其針對(duì)穿越斷層構(gòu)造帶不良地質(zhì)段落，力促勘察設(shè)計(jì)單位現(xiàn)場(chǎng)巡視與核查常態(tài)化，及時(shí)規(guī)避大規(guī)模、長(zhǎng)段落圍巖變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)及隱患。