長大隧道穿越斷層破碎帶的施工方案研究

楊玉泉YANG Yu-quan

（中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司，南京 210000）

1 概述

地質(zhì)斷層破碎帶的圍巖屬于軟弱圍巖，其自支護(hù)能力比較弱，甚至沒有自支護(hù)能力，易發(fā)生隧道地質(zhì)災(zāi)害。在以往的隧道施工過程中，比較容易產(chǎn)生的5 種掌子面塌方現(xiàn)象：①在強(qiáng)風(fēng)化圍巖中，如果伴隨著涌水情況的出現(xiàn)，可能會產(chǎn)生較大規(guī)模的掌子面塌方。②在有層理面的圍巖當(dāng)中，如果出現(xiàn)層理面的強(qiáng)度較低、涌水較大的狀況，則可能在短時間內(nèi)就會發(fā)生多次規(guī)模不一的掌子面塌方，也經(jīng)常會出現(xiàn)瞬間發(fā)生大規(guī)模塌方的情況。③在斷層破碎帶中，由于圍巖破碎導(dǎo)致一次甚至多次規(guī)模不一的掌子面塌方。④由于砂層圍巖自穩(wěn)能力較差，發(fā)生規(guī)模不一的掌子面塌方情況是比較常見的，還可能會發(fā)生小規(guī)模拱頂?shù)袈涞那闆r。⑤在互層圍巖中由于裂隙水的涌出導(dǎo)致塌方，塌方的時間一般發(fā)生在掌子面涌水狀況出現(xiàn)大幅度變化的時期。

因此，在研究地質(zhì)斷層破碎帶中施工方案中，最重要的思路就是：如何提高圍巖的自承能力，以確保圍巖順利開挖、初支施作及后續(xù)工序的安全進(jìn)行。從目前國內(nèi)外許多的隧道施工經(jīng)驗來看，采用的基本方法就是要控制好圍巖的松弛和流失問題。總的原則是確保掌子面的穩(wěn)定、初支全面斷面要及時閉合、加固周邊圍巖，在目前很多工程實踐中，都很充分地證實了這一點。

2 項目概況

云南省高速公路網(wǎng)丘北至硯山高速公路土建1 標(biāo)沖革隧道，為一座分離式隧道；左、右兩幅測設(shè)線距離約25.0～29.0m。該隧道為全線控制性工程，左幅長4087m、右幅長4092m，主要設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計時速100km/h，分離式雙向四車道；凈寬10.75m，凈高5.0m；緊急停車帶凈寬13.75m，凈高5.0m；設(shè)置車行和人行橫洞。隧道主洞內(nèi)輪廓尺寸詳見圖1。

圖1 隧道主洞內(nèi)輪廓設(shè)計圖

該隧道斜穿一座北東南西走向的山脈，山脊狹窄，縱向沖溝發(fā)育。隧道區(qū)屬構(gòu)造侵蝕低中山地貌，隧道區(qū)地形變化大，隧道頂部坡度較緩；隧道區(qū)海拔高程1546～1797m，相對高差251m。根據(jù)設(shè)計單位提供的地質(zhì)勘察報告顯示，沖革隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段穿越斷層破碎帶，斷層兩盤均為粉砂質(zhì)泥巖，巖體較破碎～破碎，呈碎塊、碎石狀；結(jié)構(gòu)面發(fā)育～極發(fā)育。沿該斷層有泉點出露，地下水類型為裂隙水，富水性中等～豐富，出水為淋雨狀或涌流狀。

由于該隧道在穿越斷層破碎帶施工過程中，斷層段地質(zhì)情況復(fù)雜多樣，地下水豐富，存在突水涌泥的可能性，隧道巖體的穩(wěn)定性較難把控。因此，如何實現(xiàn)該隧道斷層破碎帶的地質(zhì)和水文情況的提前預(yù)判斷尤為重要，從而制定出針對性較強(qiáng)的施工技術(shù)措施，對超前地質(zhì)預(yù)報、全斷面超前注漿堵水技術(shù)、圍巖開挖工法等一系列施工技術(shù)進(jìn)行研究和探討。

圍巖級別為V2，襯砌類型SF5c。

SF5c 型復(fù)合式襯砌參數(shù)：①噴射混凝土：C25 濕噴混凝土，全環(huán)厚度27cm。②鋼筋網(wǎng)：鋼筋網(wǎng)采用Φ8 鋼筋，規(guī)格為15×15cm。③鋼架：I20 工字鋼架，設(shè)計鋼架縱向間距0.6m，縱向采用Φ20 螺紋鋼鋼筋連接，環(huán)向間距1m，上一榀與下一榀連接筋位置錯開50cm。④預(yù)留變形量15cm。⑤400g/m2土工布及PVC 防水板。⑥C30 防水鋼筋混凝土襯砌厚60cm。⑦設(shè)計預(yù)留變形量為15cm。

3 施工方案

按照“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測”的施工方案，來進(jìn)行斷層破碎帶的施工，以確保掌子面的穩(wěn)定。穩(wěn)定掌子面的方法有：正面噴混凝土；注漿加固；超前支護(hù)；開挖方式選擇預(yù)留核心土的“三臺階七步法開挖”施工，每循環(huán)進(jìn)尺控制在1 榀拱架間距（0.6m），確保斷層破碎帶段施工安全。加強(qiáng)過程控制，充分利用超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測等手段輔助指導(dǎo)施工，對施工過程實行動態(tài)、全過程監(jiān)控。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

對于地勘資料所述存在斷層破碎帶或巖性接觸帶地段，超前地質(zhì)預(yù)報工作需探明斷層破碎帶圍巖的類型、涌水量大小、產(chǎn)狀情況、規(guī)模和物質(zhì)組成等，以及分布在隧道中的位置，并得出其對隧道的施工安全的風(fēng)險系數(shù)。

該隧道穿越斷層破碎帶時采用地質(zhì)調(diào)查法+TSP 地震波法+地質(zhì)雷達(dá)+超前地質(zhì)鉆孔的綜合超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)測前方圍巖及地下水情況。具體步驟為：①采用地質(zhì)調(diào)查法進(jìn)一步核實斷層破碎帶及巖性接觸帶的產(chǎn)狀、位置與規(guī)模等；②采用TSP 地震波法進(jìn)行長、中長距離探測，確定斷層破碎帶或巖性接觸帶在隧道內(nèi)的大致位置和寬度；③輔以地質(zhì)雷達(dá)對斷層破碎帶或巖性接觸帶進(jìn)行短距離精確探測；④必要時，采用高分辨直流電法探測斷層破碎帶或巖性接觸帶的地下水發(fā)育情況；⑤根據(jù)物探資料，采用超前地質(zhì)鉆探法預(yù)報斷層的確切位置和規(guī)模、破碎帶的物質(zhì)組成及地下水的發(fā)育情況等。

超前地質(zhì)鉆探：在隧道掌子面利用水平鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，通過對巖樣的取芯分析，可直觀揭露出隧道掌子面前方的地質(zhì)狀況。在需連續(xù)鉆探時，每循環(huán)可鉆進(jìn)30～50m；連續(xù)鉆孔時，前后兩循環(huán)孔應(yīng)重疊5～8m。對于可能發(fā)生涌水、突泥的地段必須進(jìn)行超前鉆探，且超前鉆探必須設(shè)有防突裝置。超前地質(zhì)鉆孔布置見圖2。

圖2 超前地質(zhì)鉆孔布置圖

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，該隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段為斷層破碎帶，斷層兩盤均為粉砂質(zhì)泥巖，巖體破碎，呈碎塊、碎石狀；結(jié)構(gòu)面發(fā)育～極發(fā)育，富水性中等，圍巖自穩(wěn)能力差。據(jù)此確定后續(xù)施工方案。

3.2 正面噴射混凝土

掌子面開挖完成后，由于圍巖裂隙水的全面流出，立即噴射一層混凝土（厚度5cm）進(jìn)行封閉，以縮短圍巖暴露時間，控制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松馳剝落。噴射時自下而上進(jìn)行，噴嘴作小圓周運(yùn)動；工作風(fēng)壓0.4～0.5MPa，噴拱部時稍大。

3.3 全斷面注漿

當(dāng)探水孔5-6 孔中至少4 孔出水，總流量≧10m3/h 時應(yīng)進(jìn)行全斷面深孔注漿堵水。注漿加固范圍為半徑12m的圓，注漿段一般長30m，分三環(huán)實施，分別為12m、10m、8m。需要注意的是，為了給下一個注漿段作止?jié){巖盤的需要，故需預(yù)留6m 已注漿段的圍巖，暫不進(jìn)行開挖施工。注漿孔的布置方法：在工作面按照梅花狀進(jìn)行排列布設(shè)，每個注漿孔之間的距離不得大于3m，并采用長短孔結(jié)合的方式，以達(dá)到充分注漿的目的，開孔直徑Φ115mm，終孔直徑Φ75mm，注漿前，埋設(shè)Φ127mm 無縫鋼管于止?jié){巖盤內(nèi)作為孔口管，孔口外露長度為0.2-0.3m，孔口管長度為3m。注漿材料為水泥漿，水泥漿的水灰比為1:1，設(shè)計注漿壓力為注漿處靜水壓力的2～3 倍，或者預(yù)估注漿壓力為初壓0.5-1MPa，終壓3-5MPa。

結(jié)束本孔注漿的條件為：當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓后，并繼續(xù)注漿10min 以上。注漿效果以鉆2-3 個孔的方式進(jìn)行檢查，檢查孔內(nèi)涌水量不應(yīng)大于0.2L/min·m，且某一處的漏水量不大于10L/min，否則應(yīng)進(jìn)行加密鉆孔注漿。距預(yù)測突水處5-8m 左右作為深孔全斷面預(yù)注漿的開始工作面，預(yù)注漿終點位置需超過預(yù)測突水段5m。

3.4 超前支護(hù)

①小導(dǎo)管從鋼拱架腹部穿過，尾端與鋼架焊接。小導(dǎo)管長4.5m，環(huán)向間距30～50cm，小導(dǎo)管的上仰角為5°～15°，設(shè)置于襯砌拱部約120°范圍，前后環(huán)搭接長度不小于1.0m。②注漿液為水泥漿，其水灰比按為1:1 配制，注漿壓力按0.5～1.0MPa 進(jìn)行控制。注漿順序由下而上、漿液先稀后濃、注漿量先大后小。注漿效果滿足開挖后拱部基本無滲漏水、無坍塌的要求。③地下水大時采用水泥-水玻璃注漿，注漿參數(shù)如下：1）水泥漿/水玻璃1∶0.8（體積比）；水泥漿液水灰比1∶1。2）水玻璃模數(shù)m=2.6 濃度為35～40°Be。3）注漿壓力：0.5～1.0MPa。

3.5 預(yù)留核心土三臺階開挖法

斷層破碎帶圍巖采用預(yù)留核心土三臺階開挖法施工，上部留核心土支擋工作面環(huán)形開挖。將開挖面分成拱部環(huán)形導(dǎo)坑、上臺階核心土、中臺階和下臺階。上部留核心土的目的是對開挖工作面起支擋作用，以便對隧道拱部的初支及時施作，來增強(qiáng)工作面的穩(wěn)定性，在拱部初支的保護(hù)下進(jìn)行核心土及下部開挖施工；左右側(cè)中下導(dǎo)交錯開挖，開挖后及時施作初期支護(hù)，施工安全性較好。為盡量減少開挖施工過程對圍巖的擾動，對隧道開挖線的周邊30cm 的區(qū)域要以人工開挖的方式施工；其余部位采用機(jī)械開挖的方式，開挖中、下臺階左、右側(cè)時，嚴(yán)禁以對開方式進(jìn)行，以錯開2～3m 距離為宜。以初支的鋼拱架間距（0.6m）來確定每循環(huán)的開挖進(jìn)尺，臺階長度8～10m。在每一步開挖完成后，需立即對開挖面進(jìn)行初噴4cm 厚的混凝土，初期支護(hù)施工及時跟進(jìn)。在每一步開挖完成后，緊貼初噴混凝土面進(jìn)行鋼拱架的架設(shè)。在架立的鋼拱架拱腳設(shè)計位置（一般位于鋼拱架拱腳0.3m 高的位置），按鎖腳小導(dǎo)管設(shè)計的下傾角度，緊貼好鋼拱架的兩側(cè)，將四根直徑為Φ42mm、長度為4.5m 鎖腳小導(dǎo)管打設(shè)好，并牢固焊好連接部位，然后進(jìn)行第二次噴射混凝土的施工。具體開挖的施工順序見圖3。

圖3 三臺階預(yù)留核心土法施工順序圖

施工步驟及工藝如下：第1 步：開挖上部弧形導(dǎo)坑。在隧道拱部超前小導(dǎo)管打設(shè)、注漿施工完畢、對工作面形成有效保護(hù)后，即可進(jìn)行上部弧形導(dǎo)坑的開挖施工，如圖3中所示斷面Ⅰ部位，按隧道開挖寬度的1/2～1/3 預(yù)留好核心土，長度以3～5m 這宜。上臺階開挖矢跨比應(yīng)大于0.3。第2、3 步：開挖左、右側(cè)中臺階，如圖3 中所示斷面Ⅱ、Ⅲ部位。開挖高度一般為3～3.5m，左、右側(cè)臺階錯開2～3m。第4、5 步：左、右側(cè)下臺階開挖，如圖3 中所示斷面Ⅳ、Ⅴ部位。開挖高度一般為3～4m，左、右側(cè)臺階錯開2～3m。第6 步：上、中、下臺階預(yù)留核心土開挖，如圖3 中所示斷面Ⅵ-1、Ⅵ-2 部位。第7 步：最后進(jìn)行如圖3 中斷面Ⅶ部位的開挖施工。每次開挖長度以2～3m 為宜，開挖完成后對仰拱初支及時施作，以便全斷面初支能夠及時封閉成環(huán)。然后對仰拱及仰拱回填及時進(jìn)行施作。

3.6 鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片施工

嚴(yán)格按設(shè)計及規(guī)范要求加工、制作和架設(shè)鋼拱架。鋼拱架嚴(yán)禁出現(xiàn)懸空情況，嚴(yán)禁采用虛碴進(jìn)行回填，必須架設(shè)在堅實的基面上，并且要加墊槽鋼。

鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格可在鋼筋配送中心內(nèi)進(jìn)行自動下料、加工、點焊成網(wǎng)片。網(wǎng)片與網(wǎng)片間、錨桿、鋼架間要焊接牢固，在噴射混凝土?xí)r不得晃動。

3.7 監(jiān)控量測

根據(jù)本項目的具體情況，施工中進(jìn)行了以下監(jiān)控量測項目：地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察、圍巖收斂、拱頂下沉。

測點布置情況：在隧道每個量測斷面共布置5 個測點，其中三個為拱頂下沉測點、左右2 個為凈空水平收斂量測線。監(jiān)測范圍在隧道開挖影響范圍以外。

施工期間，該隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段斷層破碎帶拱頂最大斷面累計沉降量為38mm，累計最大水平收斂量為21mm，變化曲線趨于穩(wěn)定，滿足了設(shè)計和施工規(guī)范要求。見圖4、圖5。

圖4 拱頂下沉累計變化量時態(tài)曲線圖

圖5 圍巖收斂累計變化量時態(tài)曲線圖

3.8 防排水及二襯施工

根據(jù)量測情況和圍巖地質(zhì)情況，及時進(jìn)行防排水及二襯施工，二次襯砌與掌子面的距離要求≤50m。二次襯砌拱墻（鋼筋）混凝土從整平層處采用模板臺車一次整體澆筑成型。

4 結(jié)論和措施

本文以丘硯高速公路沖革隧道為依托，對穿越斷層破碎帶施工方案進(jìn)行了研究和實施。研究表明：該方案能夠確保長大隧道順利穿越富水破碎斷裂帶時的施工安全，拱頂累積沉降值和累計水平收斂量均滿足了設(shè)計和施工規(guī)范要求。實踐證明，該施工方案切實可行，與常規(guī)的CD 法施工相比較，在開挖施工過程中節(jié)約了大量的臨時支護(hù)工程成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過測算，每單洞延米節(jié)約成本為0.8327 萬元，詳見表1。沖革隧道左、右幅穿越斷層破碎帶單洞總長為115m，總計節(jié)約成本95.76 萬元。

表1 三臺階七步開挖法與CD 法施工方案經(jīng)濟(jì)對比分析表（每單洞延米）

該方案為今后類似施工提供了如下借鑒經(jīng)驗：①精心做好各個臺階開挖過程中各項工序的銜接工作，其目的是要及時對開挖出來的圍巖進(jìn)行封閉，避免出現(xiàn)崩塌情況。②為確保發(fā)揮初期支護(hù)對圍巖的承載能力，故需對全斷面初期支護(hù)及早進(jìn)行封閉成環(huán)。③在初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)2～3 個循環(huán)后，立即施作仰拱。仰拱與掌子面的距離宜控制在30～40m 之間。隨后相關(guān)的后續(xù)工序，如鋪設(shè)防水板、二次襯砌等及時跟進(jìn)。④對超前支護(hù)小導(dǎo)管的打設(shè)角度、搭接長度要嚴(yán)格按設(shè)計要求進(jìn)行施作，注漿工藝嚴(yán)格進(jìn)行控制，以確保達(dá)到加固地層的效果，使開挖作業(yè)能夠安全實施。⑤嚴(yán)禁初期支護(hù)與圍巖出現(xiàn)不密貼的情況，嚴(yán)禁發(fā)生初支背后出現(xiàn)空洞的情況，必要時要對初支背后進(jìn)行鉆孔、注漿處理。⑥為防止拱（墻）腳的基底承載力下降，嚴(yán)禁積水浸泡，需規(guī)劃、完善好洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)。⑦對監(jiān)控量測工作要高度重視，做好量測數(shù)據(jù)的處理和分析工作，根據(jù)數(shù)據(jù)及時對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且通過數(shù)據(jù)來確定后續(xù)工序的施工時間。