砂巖地層隧道穿越斷層破碎帶塌方處治技術(shù)

斷層破碎帶是公路隧道建設(shè)過(guò)程中難以避免的不良地質(zhì)工況之一，其地質(zhì)情況的多變、復(fù)雜極易導(dǎo)致塌方，給隧道建設(shè)帶來(lái)困擾。文章依托上思至防城港公路太陽(yáng)島隧道，針對(duì)砂巖地層斷層破碎帶處塌方具體工況，提出反壓回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“長(zhǎng)短結(jié)合”的超前支護(hù)體系、整體提高支護(hù)參數(shù)等綜合處治方案。通過(guò)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及雷達(dá)探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，該方案處治效果滿足實(shí)際工程需要，可為類似工況隧道的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

公路隧道；斷層破碎帶；塌方處治；監(jiān)控量測(cè)；物探檢測(cè)

U457+.2A331163

作者簡(jiǎn)介：陳增穩(wěn)（1992—），碩士，工程師，主要從事公路隧道設(shè)計(jì)工作。

0" 引言

公路隧道在修建過(guò)程中，不可避免地會(huì)穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶地質(zhì)情況復(fù)雜、多變，極易形成塌方。如處治不善，不僅會(huì)增加施工風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)在隧道建成后易導(dǎo)致二襯開裂、滲水等病害。因此，研究隧道穿越斷層破碎帶塌方處治具有重要的意義。朱勝祥［1］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證了采用超前小導(dǎo)管雖然可以控制圍巖變形，但止水效果差；楊江峰［2］依托亞曲灘隧道具體工況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明超前管棚對(duì)隧道拱頂沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰；宋洋等［3］通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，對(duì)富水軟巖破碎帶隧道預(yù)留變形量進(jìn)行了優(yōu)化研究。本文以上思至防城港公路太陽(yáng)島隧道ZK7+132處斷層破碎帶處塌方處治為例，提出了砂巖地層斷層破碎帶隧道塌方合理可行的處治方案。

1" 工程概況

1.1" "基本工況

上思至防城港公路位于廣西防城港市，采用雙向四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬度為26 m。太陽(yáng)島隧道位于上思至防城港公路K6+252～K8+540段，隧道左右洞平均長(zhǎng)度為2 278 m，屬長(zhǎng)隧道。隧道洞口段主要穿越第四系殘積層（Q4el）地層，洞身段主要穿越侏羅系下統(tǒng)百姓組中段（J1b1）砂巖及泥質(zhì)粉砂巖地層。勘察階段判斷在K7+410（ZK7+380）段附近穿越F1斷層，該斷層為非全新活動(dòng)斷層。施工階段在ZK7+127～ZK7+137段揭露斷層破碎帶，該破碎帶處圍巖為極破碎黃褐色泥質(zhì)粉砂巖，無(wú)水，呈松散碎石土狀（見圖1）。

1.2" 原設(shè)計(jì)方案

ZK7+127～ZK7+137段前期勘察結(jié)果為Ⅳ1級(jí)，原設(shè)計(jì)超前支護(hù)為A25超前中空注漿錨桿（L=450 cm，環(huán)距為50 cm，縱距為300 cm）；初期支護(hù)采用Ⅰ14鋼架（縱距為100 cm）、20 cm厚C25噴射混凝土+A8鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm、C22藥卷錨桿（L=300 cm，100 cm×100 cm梅花形布置）；二次襯砌為40 cm厚C30防水混凝土，預(yù)留變形量為7 cm。

1.3" 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

本段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)雷達(dá)法，探測(cè)樁號(hào)為ZK7+119，探測(cè)結(jié)果如圖2所示。儀器設(shè)備采用SIR-4000型探地雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由儀器主機(jī)和100 MHz天線兩部分組成。具體檢測(cè)方式：在上臺(tái)階掌子面拱腰位置

兩條測(cè)線，上下錯(cuò)開約1 m，均為從左向右探測(cè)。探測(cè)結(jié)果顯示距ZK7+119掌子面8～18 m的波形異常，即ZK7+127～ZK7+137段為地質(zhì)異常段。

砂巖地層隧道穿越斷層破碎帶塌方處治技術(shù)/陳增穩(wěn)，歐陽(yáng)慕，王瑞慧，謝" 沃

1.4" 塌方情況

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，按照強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺的施工原則，在ZK7+127～ZK7+137地質(zhì)異常段增設(shè)超前小導(dǎo)管，并實(shí)施逐榀開挖逐榀支護(hù)。

隧道掌子面進(jìn)至ZK7+132時(shí)地質(zhì)情況發(fā)生突變，拱頂出現(xiàn)40～50 cm厚的泥質(zhì)夾層，受施工擾動(dòng)泥質(zhì)夾層在短時(shí)間內(nèi)失穩(wěn)，拱頂大量由極破碎泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成的松散體呈傾瀉狀快速垮塌，堆積在掌子面前方，最終形成塌方。已施工的超前小導(dǎo)管被塌方體一并沖彎、脫落。塌方導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)長(zhǎng)約5 m、高約6 m、寬約4.6 m的塌腔。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員描述，現(xiàn)場(chǎng)管理人員組織設(shè)備清理塌方體時(shí)，拱頂又有新的松散石塊不斷塌落，破碎帶處圍巖幾乎無(wú)自穩(wěn)能力。

2" 處治方案

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工況調(diào)查，推斷為斷層導(dǎo)致的破碎帶，判定此處破碎帶圍巖等級(jí)屬Ⅴ2級(jí)。綜合考慮圍巖質(zhì)量的急劇變化與現(xiàn)場(chǎng)坍塌的持續(xù)，提出處治思路：應(yīng)先穩(wěn)定掌子面，止住塌方，再通過(guò)超前注漿加固土體，之后按照調(diào)整后的支護(hù)參數(shù)重新開挖支護(hù)。同時(shí)，塌方形成的空腔應(yīng)及時(shí)填充，完成后應(yīng)對(duì)填充效果進(jìn)行檢測(cè)，確保填充密實(shí)。為此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、材料，擬定如下處治方案。

2.1" 反壓回填

先用洞渣對(duì)掌子面進(jìn)行反壓回填，回填分上下兩臺(tái)階，上臺(tái)階應(yīng)覆蓋塌腔范圍，并盡量填至拱頂，拱頂處機(jī)械不便作業(yè)時(shí)，可采用少量人工輔助。下臺(tái)階與上臺(tái)階錯(cuò)臺(tái)3～5 m，下臺(tái)階空間以能夠容納現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作業(yè)為宜。反壓回填既能限制掌子面及塌方體的變形，又能起到阻止塌方持續(xù)發(fā)展的作用。

2.2" 超前預(yù)加固

考慮拱頂塌方體過(guò)于松散、無(wú)法自穩(wěn)的特征，超前支護(hù)采用強(qiáng)度較大、縱向支護(hù)區(qū)間較長(zhǎng)的洞內(nèi)超前管棚，其參數(shù)為：管徑為89 mm，長(zhǎng)度L=10 m，外插角≤12°，縱向間距為3 m，環(huán)向間距為40 cm。按照規(guī)范［4］要求，在管棚內(nèi)設(shè)置由3根C18主筋和固定環(huán)構(gòu)成的鋼筋籠。管棚注漿采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～2 MPa。

管棚縱向間距中的巖塊較為松散，如果其在管棚注漿過(guò)程中未充分固結(jié)，容易發(fā)生掉塊。為防止以上現(xiàn)象發(fā)生，在兩環(huán)管棚中間設(shè)置一環(huán)超前小導(dǎo)管，其參數(shù)為：管徑為42 mm，長(zhǎng)度L=10 m，外插角≤14°（可微調(diào)，不得與管棚沖突），縱向間距為3 m，環(huán)向間距為40 cm。小導(dǎo)管注漿采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～1 MPa。

超前管棚與超前小導(dǎo)管有機(jī)配合，形成高強(qiáng)度、高密度的超前支護(hù)體系。這種“長(zhǎng)短結(jié)合”的超前支護(hù)體系既起到了對(duì)未開挖圍巖的預(yù)支護(hù)作用，又起到了對(duì)拱頂松散體的預(yù)加固作用。

2.3" 支護(hù)參數(shù)調(diào)整

由于地質(zhì)條件的急劇變化，需調(diào)整支護(hù)參數(shù)以適應(yīng)V2級(jí)圍巖：初期支護(hù)調(diào)整為Ⅰ20a鋼架（縱距為60 cm）、26 cm厚C25噴射混凝土+8 mm鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm、25 mm中空注漿錨桿（L=350 cm，75 cm×60 cm梅花形布置），二次襯砌調(diào)整為50 cm厚C35防水鋼筋混凝土，預(yù)留變形量調(diào)整為15 cm。為限制拱腳沉降及左右側(cè)初支的收斂變形，初期支護(hù)增設(shè)仰拱，封閉成環(huán)。

考慮適應(yīng)反壓回填土形態(tài)，方便施工，開挖工法采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法，采用機(jī)械開挖，每循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，嚴(yán)格落實(shí)邊開挖邊支護(hù)原則。此外，施工初期支護(hù)時(shí)在拱頂塌腔位置預(yù)留泵送管、吹砂管和排氣管。

2.4" 塌腔處治

初支變形穩(wěn)定后，通過(guò)預(yù)埋管道向塌腔分層泵送C25混凝土，厚度≥1 m。填充混凝土強(qiáng)度形成80%后，通過(guò)吹砂管吹砂填充剩余空腔?？紤]減輕拱頂荷載，選用輕質(zhì)砂。吹砂完成后，在鋪設(shè)防水板之前，需通過(guò)物探雷達(dá)掃描是否有剩余空腔。如存在空腔，通過(guò)預(yù)留的吹砂管或排氣管向內(nèi)部注漿，直至空腔內(nèi)填充密實(shí)；如物探雷達(dá)確認(rèn)無(wú)空腔，用水泥砂漿封閉所有預(yù)留的管道，剪除多余部分，防止其刺破防水板（見圖3）。

3" 監(jiān)控量測(cè)

針對(duì)該段地質(zhì)反常段，設(shè)置拱頂下沉、拱腳下沉、周邊位移、初支狀態(tài)觀察4個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。由于該段隧道埋深達(dá)到220 m，屬深埋段，不再設(shè)置地表下沉測(cè)點(diǎn)。處治段落每3 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，按照2次/d的頻率加強(qiáng)觀測(cè)。處治過(guò)程中，掌子面無(wú)失穩(wěn)，初支在ZK7+135處出現(xiàn)輕微環(huán)向裂縫，其他位置無(wú)開裂。最大變形出現(xiàn)在ZK7+135處：拱頂下沉最大變形速率為4.5 mm/d，最大累計(jì)變形量為112 mm；拱腳下沉（上臺(tái)階）最大變形速率為3.5 mm/d，最大累計(jì)變形量為86 mm；周邊位移（收斂變形）最大變形速率為4 mm/d，最大累計(jì)變形量為108 mm。隧道初支在剛施工后初期變形速率較高，之后急劇降低，直至二次襯砌施工前，累計(jì)變形量趨于收斂，初支未侵限。

4" 空腔檢測(cè)

為檢測(cè)處治效果，待初支變形穩(wěn)定后，在鋪設(shè)防水板之前采用SIR4000型探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)處治段進(jìn)行掃描探測(cè)（圖4）。以塌腔中點(diǎn)為中心，沿隧道縱向和隧道橫向各布置一條測(cè)線。因?yàn)檩p質(zhì)砂和砂巖反射率差別較大，在圖5可以清晰地看到塌腔的范圍。結(jié)果顯示塌腔位置已基本被輕質(zhì)砂全部填充，空腔處治效果較好。另外，通過(guò)測(cè)線2的波形圖可以看到塌腔頂部以上約10 m

范圍內(nèi)的圍巖處于非常破碎的狀態(tài)，如處治不及時(shí)，極有可能發(fā)生更大規(guī)模的坍塌，說(shuō)明處治方案的實(shí)效性較好。

5" 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)太陽(yáng)島隧道左洞ZK7+127～ZK7+137段斷層破碎帶塌方工況，制定了反壓回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“長(zhǎng)短結(jié)合”的超前支護(hù)體系、整體提高支護(hù)參數(shù)等綜合的處治方案，并應(yīng)用于施工。處治后初支變形可控，雷達(dá)掃描空腔填充密實(shí)。施工完二次襯砌后經(jīng)過(guò)持續(xù)觀察，處治段未見集中裂縫，襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。該方案工藝簡(jiǎn)便，就地利用洞渣等材料，處治周期短，施工過(guò)程安全可靠，為砂巖地層斷層破碎帶隧道塌方提供了一種有效、穩(wěn)妥的處治技術(shù)，可為類似工況的隧道設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

［1］朱勝祥.超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固穿越隧道斷層破碎帶效果分析［J］.青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，41（6）：41-47.

［2］楊江峰.隧道穿越軟弱破碎帶超前支護(hù)加固效果分析［J］.建筑機(jī)械，2023（12）：67-72.

［3］宋" 洋，于英杰，楊" 輝，等.富水軟巖隧道破碎帶圍巖穩(wěn)定性及預(yù)留變形量?jī)?yōu)化研究［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2023，19（10）：100-105.

［4］JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程［S］.

20240314