強(qiáng)富水區(qū)山嶺隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)研究

譚艷臣 李德 唐亮 常澤洲 王富春 宋健 王志浩 金熙賓

第一作者簡(jiǎn)介：譚艷臣（1987-），男，工程師。研究方向?yàn)楦咚俟匪淼罉蛄郝访媸┕ぁ?/p>

*通信作者：李德（1999-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)閹r土工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.040

摘? 要：為降低隧道穿越斷層破碎帶施工中的涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)，該文依托古兜山隧道實(shí)體工程，采用“TSP+地質(zhì)雷達(dá)+超前地質(zhì)鉆孔”的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，探明隧道掌子面前方的地層狀況和富水程度，提出富水區(qū)隧道穿越斷層破碎帶施工關(guān)鍵技術(shù)。提出隧道洞口明挖法與隧道洞內(nèi)光面爆破技術(shù)及洞內(nèi)圍巖段的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七部法的開(kāi)挖方式；采用S-Ⅴb型隧道襯砌結(jié)構(gòu)型式與全斷面帷幕注漿、加強(qiáng)泄水等技術(shù)相結(jié)合的支護(hù)方式，其中的整體承載結(jié)構(gòu)為初期支撐系統(tǒng)和二次模筑襯砌的組合結(jié)構(gòu)。該施工關(guān)鍵技術(shù)可有效避免古兜山隧道施工的突水涌泥現(xiàn)象，可指導(dǎo)類似工程的施工。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)富水區(qū)；斷層破碎帶；隧道；施工技術(shù)；超前探測(cè)

中圖分類號(hào)：U455? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0173-04

Abstract： In order to reduce the risk of water gushing and mud outburst in the construction of the tunnel passing through the fault fracture zone， based on the physical project of Gudoushan Tunnel， this paper adopts the geological prediction technology of "TSP+ geological radar and advanced geological drilling" to find out the stratum condition and water-rich degree in front of the tunnel face， and puts forward the key construction technology of the tunnel crossing the fault fracture zone in the water-rich area. The main contents are as follows. The tunnel entrance open excavation method and the tunnel smooth blasting technology are put forward， and the excavation methods of double side wall guide method， single side wall guide method and three-step seven-part method in the surrounding rock section of the tunnel are put forward. The supporting method of combining S-Vb tunnel lining structure with full-section curtain grouting and strengthening water discharge technology is adopted， in which the whole bearing structure is the combined structure of initial support system and secondary mold lining. The key construction technology effectively avoids the phenomenon of water inrush and mud gushing in the construction of Gudoushan Tunnel and can guide the construction of similar projects.

Keywords： strong water-rich area; fault fracture zone; tunnel; construction technology; advanced detection

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，為在地勢(shì)復(fù)雜的山區(qū)快速通行而修建公路隧道成為必然的趨勢(shì)。隧道施工中也遇到很多的難題，當(dāng)隧道穿越斷層破裂帶時(shí)，由于其圍巖條件復(fù)雜、隧道掘進(jìn)的難度大，安全性不易得到保證。如遇到強(qiáng)富水的斷層破碎帶，常因發(fā)生滲漏甚至突水、突泥、冒頂?shù)裙こ虇?wèn)題而導(dǎo)致工期延誤，甚至?xí)霈F(xiàn)施工安全問(wèn)題。因此，采用合理的施工方法穿越斷層破碎帶，是隧道施工的關(guān)鍵問(wèn)題。

Huang等[1]通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算，給出了向下通過(guò)水體隧洞跨越斷裂破碎帶掌子面穩(wěn)定性的解析模式。王涵等[2]基于FLAC 3D數(shù)值模擬提出了錨－網(wǎng)－噴－鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方案，從而使隧道能夠安全通過(guò)斷層破碎帶。陳劍等[3]采用以地表模袋注漿為主、堵水注漿材料為輔的洞區(qū)綜合處理手段，隧道通過(guò)突水涌砂段。崔光耀等[4]提出了二襯防坍塌的單層配筋抗震技術(shù)，并提出了對(duì)斷層破裂地段隧洞內(nèi)的二襯防坍落的配筋抗震標(biāo)準(zhǔn)。馬棟等[5]通過(guò)地表抽水測(cè)量，獲得斷層破碎帶巖土體滲透系數(shù)等水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，并提出了“超前鉆孔+TSP+地質(zhì)雷達(dá)”的預(yù)測(cè)技術(shù)。王超[6]采用ABAQUS數(shù)值分析軟件，建立流固耦合的模型，選取徑向注漿結(jié)合排水孔的方法，對(duì)隧道注漿所用材料的滲透系數(shù)進(jìn)行改良。萬(wàn)飛等[7]對(duì)隧道的支撐構(gòu)件位移率、張拉錨桿軸向動(dòng)力、施工區(qū)域壓力進(jìn)行檢測(cè)，提出邊墻小導(dǎo)管注漿、增強(qiáng)鋼柱整體強(qiáng)度的改善方法。鄭文筠[8]針對(duì)西秦嶺鐵路隧道的斷層破碎帶區(qū)域，實(shí)施了超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法。彭超[9]在隧道進(jìn)口段施工穿越淺埋斷層破碎帶的設(shè)計(jì)中，采用了微臺(tái)階開(kāi)挖工法及設(shè)置加大拱腳、圍巖注漿加固等處理措施。李生杰等[10]基于隧道穿越斷層的工程條件，制定了封堵掌子面、打設(shè)排水洞、改進(jìn)施工技術(shù)的工作技術(shù)。傅鶴林等[11]通過(guò)建立三維數(shù)值分析模型，研究圍巖與隧洞結(jié)構(gòu)在穿越高壓富水?dāng)鄬悠扑閹н^(guò)程中的穩(wěn)定性，提出留核心土、增加一定的注漿圈厚度等措施保證施工安全。

目前，國(guó)內(nèi)外在隧道穿越斷層破碎帶的應(yīng)對(duì)措施方面主要以隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、改進(jìn)注漿加固技術(shù)和材料及動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)為主。然而，由于巖土體參數(shù)的不同，不同隧道穿越軟弱破碎帶時(shí)，隧洞巖體的穩(wěn)定性不同。因此，對(duì)于具體工程，結(jié)合隧道周圍的實(shí)際斷層破碎帶的工程地質(zhì)條件選取合理的施工措施是保證隧道施工安全亟須研究的問(wèn)題。

1? 工程概況

古兜山隧道為雙向分離式，進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高左線88.16 m、右線88.07 m，出洞88.07 m，出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高左線44.28 m、右線44.90 m；隧道最大埋深：左線224.64 m、右線222.35 m，屬特長(zhǎng)深埋隧道。

1.1? 工程地質(zhì)條件

1.1.1? 地形地貌

古兜山隧址區(qū)地形、地貌總體上是西高東低，中部高、進(jìn)出口兩端低的特征。受區(qū)域構(gòu)造影響，隧址區(qū)主要為北東、近東西走向的低山丘陵夾山間谷地地貌，其次為少量北西走向丘陵夾溝谷地貌。隧道場(chǎng)地最高標(biāo)高為288.3 m，入口端附近的沖溝最低標(biāo)高為43.0 m，出口端附近沖溝最低標(biāo)高為33.0 m。隧道場(chǎng)地中部山勢(shì)相對(duì)平緩，溝谷多發(fā)育寬且略具半封閉溝谷，地表溪流屬常年流水，水庫(kù)水利設(shè)施較多。隧道穿越地段的溪流由于高差較小，水力聯(lián)系通道可能因施工擾動(dòng)發(fā)生變化，可能在強(qiáng)降雨條件下，通過(guò)發(fā)育的節(jié)理裂隙帶、張性斷層等形式滲入隧道，向開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)域聚集排泄。

1.1.2? 地層巖性

古兜山隧道范圍內(nèi)涉及的主要地層：地表為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，下部主要為燕山期的花崗巖、花崗巖斑巖脈及基性巖脈等，局部發(fā)育少量石英脈沿節(jié)理裂隙穿插。沉積地層以第三系地層為主。變質(zhì)巖主要為寒武系地層；第四系地層廣泛分布于低緩丘陵表層及三角洲平原、山間洼地地段。

1.1.3? 水文地質(zhì)條件

古兜山隧道地下水主要是細(xì)粉質(zhì)黏土、砂土等之間的孔隙水，含量不同受季節(jié)影響，主要的來(lái)源為大氣降水補(bǔ)充。隨著斷層向不同類型的構(gòu)造面發(fā)展，局部滲透系數(shù)逐漸增大，地面與土壤表層地下水又經(jīng)過(guò)不同類型的構(gòu)造面進(jìn)入地下水，增加了地下水來(lái)源，使隧洞區(qū)的地下水層更加發(fā)育，可能出現(xiàn)涌水等不良工況。

1.2? 斷層破碎帶工程地質(zhì)特性

古兜山隧道區(qū)有3條斷層破碎帶通過(guò)，其具體形跡如圖1所示。

WF1破碎帶：該破碎帶為隱伏斷層，鉆孔揭露巖體碎裂，物探表明低阻失常，斷層影響范圍約30～50 m；受構(gòu)造影響，隧洞場(chǎng)地的破碎帶圍巖以碎塊巖為主。

WF2破碎帶：該破碎帶產(chǎn)狀約5～20°∠75～85°，影響范圍約100～120 m；受構(gòu)造影響，隧洞場(chǎng)地的破碎帶圍巖以碎塊巖為主。

WF3破碎帶：該破碎帶為隱伏斷層，鉆孔揭露巖體碎裂，物探顯示低阻失常，斷層影響范圍約30～50 m；受構(gòu)造影響，隧洞場(chǎng)地的破碎帶圍巖以碎塊巖為主。

上述3條斷層破碎帶隧道圍巖不穩(wěn)定，易坍落，有涌水的可能性。

圖1? 古兜山隧道破碎斷裂帶分布

2? 隧道工程穿越斷層破碎帶工程技術(shù)研究

2.1? 超前探測(cè)技術(shù)

超前地質(zhì)探測(cè)是隧道施工中不可分割的一環(huán)，在隧道基礎(chǔ)建設(shè)、自然災(zāi)害防治、安全維護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用[12]。利用超前地質(zhì)探測(cè)技術(shù)在一定程度上摸清古兜山隧道掌子面前方的地質(zhì)情況和不良地質(zhì)現(xiàn)狀，并及時(shí)進(jìn)行圍巖的分類評(píng)價(jià)，古兜山隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用以下3種方法。

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：采用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，間隔約150 m進(jìn)行一次探測(cè)，設(shè)置了4 000個(gè)不同的采樣區(qū)域，采樣頻率為100 m/次，各采樣點(diǎn)的距離在300 mm以上，采集數(shù)據(jù)后及時(shí)分析，判斷出前方不良地質(zhì)體的方位。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)：地質(zhì)雷達(dá)選用MALA型雷達(dá)裝置，采用100 MHz羅盤，測(cè)線的頻率為100 MHz，采樣時(shí)間為450 ns，每秒的采樣數(shù)為1 024個(gè)，采集方式為連續(xù)采集，測(cè)速后每隔20～30 m檢測(cè)一次。

超前地質(zhì)鉆孔：利用物探手段，初步推測(cè)前方的富水區(qū)或斷層破碎帶，再運(yùn)用超前鉆孔對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，古兜山隧道超前地質(zhì)鉆孔長(zhǎng)度20～30 m，保護(hù)段長(zhǎng)度不小于10 m，在確定處理措施時(shí)必須依據(jù)探孔探測(cè)結(jié)果和出水狀況而定。

2.2? 隧道開(kāi)挖方式

古兜山隧道穿越WF2、WF3兩條斷層破碎帶，施工過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)情況和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)地下水采取“以堵為主、限量排放”的原則。施工過(guò)程中根據(jù)超前鉆孔涌水量大小選取“超前帷幕注漿”及“開(kāi)挖后局部注漿堵水”等一系列合適的涌水處理方法，避免因隧道施工地下水排放從而影響水庫(kù)蓄水的功能，并做好施工期和營(yíng)運(yùn)期臨近水庫(kù)段的排水量監(jiān)測(cè)、水庫(kù)水位及附近地表水的監(jiān)測(cè)。隧道通過(guò)斷層破碎帶部分，采取的開(kāi)挖方式如下。

隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，主要采用機(jī)械開(kāi)挖方式，對(duì)于局部圍巖較好區(qū)段采用爆破開(kāi)挖。

隧道洞內(nèi)開(kāi)挖采用光面爆破或預(yù)裂爆破技術(shù)。在Ⅴ級(jí)圍巖中需爆破時(shí)，采用微震光面爆破技術(shù)，盡可能減少超挖及減輕對(duì)圍巖的擾動(dòng)和破壞。選用合理的爆破參數(shù)，根據(jù)圍巖的變化適時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，以確保開(kāi)挖斷面有良好的光爆效果。

隧道主洞洞口或洞身地質(zhì)條件較差的Ⅴ級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或單側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖。隧道主洞地質(zhì)條件較好的Ⅴ級(jí)圍巖段采用三臺(tái)階七部法開(kāi)挖。隧道主洞Ⅲ級(jí)和Ⅱ級(jí)圍巖區(qū)段采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖。

2.3? 支護(hù)方式

古兜山隧道支護(hù)采用S-Ⅴb型襯砌結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。襯砌向兩端較好圍巖各延伸28 cm，如地下水水量較大則調(diào)整為抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)，采用全包放水措施。初期支護(hù)系統(tǒng)由噴射砼、錨索、鋼拱架和鋼網(wǎng)等為一體，組成主體防護(hù)系統(tǒng)；二次模筑襯砌則使用了防水性較強(qiáng)的鋼筋砼構(gòu)件；隧道整體承載結(jié)構(gòu)則為初期支撐系統(tǒng)和二次模筑襯砌的組合。

初期支護(hù)：依據(jù)工程地質(zhì)條件、埋深、施工方式和施工步驟等采用噴射砼、錨索、鋼筋直徑網(wǎng)和鋼柱等單獨(dú)或復(fù)合的支護(hù)形式。錨索使用的是全長(zhǎng)的黏結(jié)式錨索，需要在各種錨索上安裝墊板，確保注漿方法的飽滿性。緊靠圍巖一側(cè)的工字鋼鋼架防護(hù)層厚度約為4 cm，臨空側(cè)為2 cm；緊靠圍巖側(cè)的格柵鋼架防護(hù)層厚度為4.5 cm，臨空側(cè)為2.5 cm。

二次襯砌：由噴錨初期支護(hù)和圍巖段基礎(chǔ)共同構(gòu)成的支撐系統(tǒng)，在二次襯砌段中采用模筑砼或鋼筋大直徑砼構(gòu)件，并結(jié)合分析支護(hù)圍巖段和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等量測(cè)數(shù)據(jù)后，才能實(shí)施第二次模筑襯砌。同時(shí)對(duì)于較薄弱支護(hù)圍巖段的仰拱應(yīng)緊隨開(kāi)挖層的澆筑，并盡早合攏成環(huán)，拱墻的第二次模筑襯砌工期也不可滯后或過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)因圍巖變化太大初期支撐變形不能收斂，或無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)充的，為提高支撐圍巖的穩(wěn)定性，進(jìn)行臨時(shí)仰拱的側(cè)向支承或封閉挖面，在必要時(shí)預(yù)先進(jìn)行二次模筑襯砌，此時(shí)就必須考慮增加二次模筑襯砌的方法。為了確保仰拱具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度與剛性，在邊墻與仰拱之間選擇有圓順的銜接形式，填充后，邊墻可和仰拱分別完成。

若斷層破碎帶附近的靜水壓力較大，則采用超前帷幕注漿、開(kāi)挖后預(yù)注漿處治方案，并根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)地下水、地表水庫(kù)水位、地表沖溝水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為保證隧道斷層破碎帶段的安全，對(duì)于不同地段的圍巖施工時(shí)還應(yīng)通過(guò)超前小導(dǎo)管、超前長(zhǎng)管棚等措施加以輔助施工，加強(qiáng)圍巖的強(qiáng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度。

3? 工程應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)

探明掌子面前方的工程地質(zhì)情況時(shí)，利用TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)測(cè)手段，及時(shí)摸清隧道前方掌子面地質(zhì)狀況，支護(hù)參數(shù)或開(kāi)挖方式可以及時(shí)得到修改。

隧道開(kāi)挖時(shí)采用隧道洞口明挖法與隧道洞內(nèi)光面爆破技術(shù)及洞內(nèi)圍巖段的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七部法的開(kāi)挖方式。隧道支護(hù)采用S-Ⅴb型襯砌結(jié)構(gòu)型式，斷層破碎帶周邊地下水靜水壓力過(guò)大時(shí)，采取加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)與超前支護(hù)、全周邊環(huán)向注漿，加強(qiáng)排水等措施相結(jié)合的方法，盡可能地減小了地下水對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的不良影響。

Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖及時(shí)施作了二次襯砌，Ⅲ級(jí)圍巖段在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作。當(dāng)圍巖變形過(guò)大，初期支護(hù)支護(hù)力不足時(shí)，及時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)，或修改二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)及提前施作模筑混凝土。在施作帶仰拱的二次襯砌時(shí)，應(yīng)先澆筑仰拱，再澆筑洞身墻拱二襯混凝土。

古兜山隧道現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵施工技術(shù)有效避免了富水區(qū)隧道穿越斷層破碎帶的突水涌泥現(xiàn)象，保證了施工安全和施工進(jìn)度。

圖2? 古兜山隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

4? 結(jié)論

綜上所述，本文結(jié)合強(qiáng)富水區(qū)山嶺隧道穿越斷層破碎帶的工程實(shí)例，深入分析了隧道斷層破碎帶部分的工程措施，得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)隧洞通過(guò)斷層破碎區(qū)后，根據(jù)隧洞的工程地質(zhì)情況，及超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步判斷工程地質(zhì)、水文條件和掌子面前方的情況，以避免在隧址附近發(fā)生地下水突涌等影響施工的現(xiàn)象。

2）穿越斷層破碎帶的隧道開(kāi)挖時(shí)，采用隧道洞口明挖法與隧道洞內(nèi)光面爆破技術(shù)及洞內(nèi)圍巖段的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七部法的開(kāi)挖方式，以確保圍巖穩(wěn)定。

3）支護(hù)方式采取S-Ⅴb型襯砌結(jié)構(gòu)型式等二次襯砌結(jié)構(gòu)，初始支撐方式由錨索、噴涂砼、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)等構(gòu)成；使用了與防水鋼筋砼結(jié)合的二次模筑襯砌；一次支護(hù)則與二次模筑襯砌，組成了整個(gè)隧道的主要承重構(gòu)件。

4）對(duì)于隧道中的軟弱圍巖采用小導(dǎo)管和預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行預(yù)加固，提高掌子面前圍巖的剛度，控制地表的沉降量。

5）斷層破碎帶周邊地下水靜水壓力大時(shí)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)、超前帷幕注漿、開(kāi)挖后進(jìn)行預(yù)注漿，降低地下水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的不良作用。

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