近水庫鐵路隧道穿越F4斷層施工與監測分析

冉 萬 云

(中鐵上海局第一工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

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近水庫鐵路隧道穿越F4斷層施工與監測分析

冉 萬 云

(中鐵上海局第一工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

以近水庫穿越F4斷層的湯山鐵路隧道為背景，闡述了斷層的工程地質及水文地質特征，提出了富水斷層條件下超前地質預報、加固圈3 m超前預注漿、洞身長管棚及三臺階四步開挖方法相結合的隧道施工方案；因隧道近水庫，二次襯砌施工中加強防水措施；對隧道穿越斷層破碎帶過程中隧道洞內變形和地表沉降進行了詳細監測與分析，驗證了隧道穿越F4斷層施工控制方案的合理性。研究結果表明：斷層破碎帶影響范圍內，該施工方案較好的控制了隧道變形，后期變形不明顯；斷層破碎帶影響范圍外，因未采用該施工方案，受斷層破碎帶圍巖質量、進口斜井雙重施工等因素的影響，隧道短期變形和長期變形均較大，在遠離貫通斷面80 m左右范圍內，應加強監測，適當時輔以相應的施工控制措施。

隧道工程；F4斷層；施工；監測

0 引 言

斷層破碎帶隧道設計和施工是山嶺隧道面臨的一大難題。目前國內外許多學者已經對公路、鐵路隧道穿越斷層破碎帶進行了研究，在隧道穿越斷層破碎帶的施工技術方面形成了一定的經驗積累。在國內鐵路隧道穿越斷層破碎帶方面，最具典型的工程實踐為烏鞘嶺隧道，圍繞該隧道眾多研究人員從施工技術、理論分析、數值模擬以及監控量測等角度開展了廣泛研究，取得了豐富的成果，如：劉志春等[1]結合烏鞘嶺隧道F4斷層，針對復雜應力軟巖大變形隧道的特點，采用監控量測手段對圍巖和支護結構進行綜合分析，對開挖后的結構穩定性做出分析判斷及采取相應措施；趙旭峰等[2]通過對烏鞘嶺隧道F7斷層帶軟弱圍巖進行大變形力學特性分析，探討了其力學機理及其影響因素，從而采取了相應的工程控制措施；李國良等[3]針對復雜應力條件下隧道變形控制，提出選擇合理斷面形狀、預留合理變形量、多重支護及適當提高襯砌剛度的柔性結構設計，短臺階或超短臺階快開挖、快支護、快封閉和襯砌適時施工的施工技術；雷軍等[4]對烏鞘嶺隧道F7斷層區圍巖及支護襯砌結構的應力和變形進行了監測與分析，基于監測結果，提出了穿越斷層區的動態優化設計方案及改進施工措施。除烏鞘嶺隧道外，也有其他斷層破碎帶隧道方面的研究工作，孫雪蓮等[5]對大別山隧道穿越Fd7富水大斷層進行了監測分析，并給予了數據的回歸預測分析；孫國慶[6]對鐵路隧道穿越F11高壓富水斷層條件下注漿設計與施工技術進行了詳細探討分析；王學忠[7]分析了斷層破碎帶鐵路隧道施工控制措施，并結合實測數據，得出了隧道沉降和水平變形的指數變形規律；李翔等[8]從圍巖巖性特點、巖體結構特征、多期構造運動疊加及地下水共同作用等幾個方面, 探討了隧道大變形的原因和機制，并闡述了后期施工中采取的加強結構支護、注漿加固、增設臨擋護墻等處理對策。

目前，對鐵路隧道穿越斷層破碎帶的研究較少，尤其是在富水條件下可供借鑒與參考的經驗很少，需要進行進一步研究。筆者以近水庫穿越F4斷層的湯山鐵路隧道為背景，提出了相應的隧道施工方案，此外，以隧道變形監測結果驗證了隧道穿越F4斷層施工控制方案的合理性，得出了隧道變形隨開挖面進展的變化規律。

1 工程概況

湯村隧道起訖里程為DK14+380～DK24+025，全長9 645 m，于金華市嶺下鎮蓮花塘村附近進洞，穿越牧羊崗、楊梅峽、上鋪等高地，出口于武義縣湯村，接武義北站，總體呈NW-SE向展布。隧道地質復雜，洞身范圍巖體主要是火山噴溢巖，巖性為侏羅系上統(J3)流紋斑巖、侏羅系上統(J3)西山頭組巖屑凝灰巖，紫紅色～灰紫色，巖質較堅硬，巖體較完整。節理裂隙較發育，斷層十分發育，直接影響隧道的斷層有18條，其中F4斷層影響最大，其正常涌水量達416 m3/d。隧道分進口、1#斜井、2#斜井、3#斜井共7個掌子面進行施工，具體平面布置如圖1，其中F4斷層處于進口和1#斜井之間。

圖1 湯村隧道平面布置

2 F4斷層地質特征及施工難點

2.1 F4斷層工程與水文地質特征

F4斷層縱斷面和地質平面情況如圖2。F4斷層在地表于DK16+660處與線路相交，夾角約為58°，斷層地表特征明顯，發育呈U字形溝谷，谷中泉水、水塘線狀分布。溝谷下游為三汶塘水庫，水域面積約為2.5 km2，深約為20 m，平面形態略呈瓜子狀，長軸正南向，水庫邊緣距離隧道洞身218 m，相對位置關系見圖3。

圖2 F4斷層情況示意

圖3 隧道與臨近水庫相對位置關系

斷層陡壁舒緩波狀，延伸較遠，局部見石英巖，并含有CaF2碎塊。推測為先張后壓性斷層，產狀260°∠75°。本圍巖段隧道埋深淺，鉆孔抽水試驗淺部滲透系數達48.7 m/d，受地表水補給的可能性很大。物探資料顯示，斷層影響帶寬約220 m，電阻率一般為100～300 Ω·m，推測斷層富水性較強。據鉆孔揭示，埋深15～17 m處巖芯破碎，糜棱巖化，受斷層影響，其上下兩側巖體較破碎。

根據鉆孔抽水試驗結果，鉆孔揭露15～17 m遇承壓含水層，巖體破碎，裂隙發育，以孔口為零點，承壓水頭高2.0 m，下部基巖完整致密，揭露至22.6～24.6 m遇第二含水層，巖石裂隙稍發育，套管封閉第一含水層后，測量水頭標高127.9 m。鉆孔位于F4斷層所在的山間溝谷谷底，地下水補給源較高，具承壓水特性。地面以下15～17 m滲透系數達48.8 m/d，正常涌水量達416 m3/d，該斷層破碎影響帶導水性較好。

2.2 施工難點

湯村隧道施工過程中有以下幾個難點：①屬于長大隧道，全長9 645 m，未加寬段斷面凈空有效面積為92 m2；②技術含量高，質量要求嚴、標準高，工程要求設計速度目標值為基礎設施250 km/h，還須預留進一步提速條件，主體結構使用壽命期限為100 a，混凝土耐久性要求高；③隧道要求滿足一級防水標準，要求高，施工時須采取先進的施工方案、施工材料、工藝和方法，確保滿足P10防水標準；④F4斷層水文地質條件差，受F4斷層帶影響，其正常涌水量達416 m3/d，最淺埋深僅為24 m，地表溝谷常年有水，且溝谷延伸遠，匯水面積大，此外，線路左側100 m處建有三汶塘水庫，隧道施工開挖過程滲水、涌水及坍塌風險高。

3 穿越F4斷層施工控制措施

3.1 超前地質預報

通過TSP超前地質預報、超前鉆探和地質素描3種地質預報手段綜合探測巖石的完整程度、涌水壓力和涌水量。

3.1.1 TSP超前地質預報

2012年12月9日對開挖掌子面(DK16+770斷面)進行了TSP地質探測，接收器位于DK16+830斷面，設計24炮，2個接收器接收。通過試驗，確定采用藥量為100～150 g乳化炸藥。數據采集時采用X-Y-Z三分量接收，采樣間隔62.5 μs，記錄長度451.125 ms(7 218采樣數)。實際激發18炮，其中17炮記錄的數據合格，可用于數據的處理和解釋TSP地質預報顯示前方圍巖總體上以中～弱風化凝灰巖為主，巖體破碎，節理發育，具體探測結果列于表1。DK16+646～DK16+642段可能為F4斷層帶與隧道正洞相交里程段，在后續施工至DK16+665時，再次進行TSP預報，并與DK16+770斷面結果對比驗證。

表1 圍巖探測結果

3.1.2 超前水平鉆

超前水平鉆是一種重要超前地質預報手段，鉆探每循環鉆孔長度不低于30 m，連續預報前后兩循環孔重疊5～8 m。施工至DK16+665時，上臺階進行超前水平鉆探，鉆孔數量為2孔，具體布置如圖4。為防止超前水平鉆穿透斷層帶富水層導致涌水發生，超前水平鉆(直徑Φ89 mm)施工前，用Φ108 mm鉆頭鉆取3 m深的孔并埋設外徑Φ108 mm長3 m帶連接法蘭的孔口管(圖5)。孔口管要保證管身與孔壁連接牢固不透水，孔口管外壁與巖體間隙采用注水泥漿進行封閉，且在施工過程中保證孔口管的水平位置。

圖4 超前水平鉆孔位布置

圖5 孔口管埋設示意

除上述兩種手段外，施工中輔助以地質素描，詳細描述掌子面圍巖情況，及時驗證加固圈超前預注漿的效果，掌握圍巖情況，針對圍巖情況及時的采取應對措施，防止圍巖節理因爆破松動導致地下水連通發生大量出水等其他意外地質情況。此外，當TSP與超前水平鉆揭示前方圍巖含水情況結果不相符時，增加紅外線探水作為補充和印證措施。

3.2 加固圈3 m超前預注漿

為防止大量滲水，提前5 m于DK16+665處進行加固圈3 m超前預注漿(圖6)，施工步驟如下：

圖6 加固圈3 m超前預注漿正面

第1步：通過TSP超前地質預報、地質雷達和超前鉆探，探測掌子面前方圍巖地質及水文情況。

第2步：為防止未注漿段地下水涌向作業面及注漿時跑漿，注漿起始處掌子面設置平底型C20混凝土止漿墻，厚度為1.0 m。

第3步：注漿孔采用管棚鉆機鉆孔，與超前水平鉆相同的方法施作孔口管，每一循環注漿長度為27 m，開挖24 m，保留3 m止漿巖盤；注漿孔按孔底間距3 m布置，每一循環共設5環79個注漿孔；注漿孔開孔直徑不小于110 mm，終孔直徑不小于91 mm，孔口鋼管采用Ф108 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼，管長3 m。

第4步：注漿采用灰漿機拌制漿液，壓漿機進行注漿，注漿管上安裝壓力表，以此量測地下水壓力值，以便確定各種注漿參數。

第5步：鉆孔和注漿，順序應由外向內，同一圈孔間隔施工，形成的平底型止漿墻如圖7。鉆進過程中遇涌水或因巖層破碎造成卡鉆時，應停止鉆進,進行注漿掃孔后再進行鉆進。

圖7 平底型止漿墻縱剖面

3.3 洞身長管棚施工

洞身超前管棚起到加固巖體，降低隧道坍塌冒頂等地質風險的作用。洞身超前管棚布置方式如圖8，隧道開挖至DK16+660時，先施工導向鋼架以保證管棚施工空間位置準確；然后由兩側向中心鉆孔，由低到高；再打入管棚，將鋼花管裝入奇數號鉆孔內，鋼花管注漿完成后打入偶數號孔，以觀察注漿效果；最后對鋼花管進行注漿，其中鋼管最外端焊接Φ25 mm鋼管并安裝閥門，作為注漿連接段。注漿參數如下：注漿配比為水灰1∶1，漿液攪拌時間不小于3 min，注漿開始時保持較小壓力及較慢速度，注漿量達到設計量的1/3(0.12 m3)后再逐漸增大壓力和注漿速度。

圖8 洞身超前管棚布置

3.4 斷層帶三臺階四步開挖及二襯

3.4.1 隧道施工工序

洞身段超前長管棚支護施工完成后進行暗洞洞身開挖。F4斷層帶DK16+660～600段采用三臺階四步法開挖進洞(圖9、圖10)，開挖順序為上臺階左側部分-上臺階右側部分、中臺階、下臺階，仰拱及時跟進。開挖采用小型挖機，人工配合施工，每循環進尺0.6 m。

圖9 三臺階四步法施工工序

圖10 三臺階四步法縱向示意

為防止爆破震動擾動圍巖造成破壞性影響，隧道開挖爆破采用弱爆破組織施工。隧道上臺階每次開挖1榀鋼架間距(0.6 m)，中、下臺階每次開挖2榀鋼架間距(1.2 m)。三臺階四步開挖法詳細施工步驟如下：

第1步(細分為5小步)：①利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護；②弱爆破開挖上臺階左側部分；③施作初期支護，初噴4 cm厚混凝土，架立初期支護鋼架，并設置鎖腳錨管；④底部及側面鋪設I18輕型工字鋼臨時鋼架，底部噴20 cm混凝土，施作臨時仰拱，必要時封閉掌子面；⑤鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

第2步：在滯后上臺階左側一段距離后，弱爆破開挖上臺階右側，后續施工與第1步③～⑤小步相同。

第3步：①滯后于上臺階右側部分一段距離后，弱爆破開挖中臺階；②周邊部分初噴4 cm厚混凝土，架立初期支護鋼架，并設鎖腳錨桿；③底部噴8 cm混凝土，施作臨時仰拱；④鉆設系統錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

第4步：①滯后于中臺階一段距離后，弱爆破開挖下臺階；②初噴4cm厚混凝土，架立初期支護鋼架，并設鎖腳錨桿；③隧道底周邊部分噴混凝土至設計厚度。

第5步：分次灌注下臺階仰拱及隧道填充。

第6步：基于監控量測結果，待初期支護收斂后，利用襯砌模板臺車一次性澆筑二次襯砌。

3.4.2 二次襯砌施作

開挖至DK16+665里程后，施作3 m加固圈超前預注漿時，二襯保持正常施工，確保掌子面進入Ⅴ級圍巖時二襯距掌子面距離不超過70 m。在開挖完成待拱頂沉降及水平收斂穩定后，對初支面及滲漏水進行處理，施作防排水系統，利用12 m襯砌模板臺車澆筑二襯混凝土。

滲漏水處理方面采取以下措施：點狀滲水采用加密排水板引排至縱向排水盲管；股狀水采用埋設Φ80 mm PVC管引排至縱向排水盲管；若出水量大，無法進行引排，采取徑向注漿進行封堵。防排水系統(圖11)施作程序為：掛排水板→鋪設土工布→鋪設防水板→安裝縱向打孔波紋管→人工敷設無砂混凝土→安裝橫向排水管→封閉排水系統。

圖11 防排水系統示意

F4斷層影響帶由于富含水，二襯施工過程中防排水施工質量控制尤其重要，初支面平順，土工布及防水板搭接滿足規范要求，防水板焊接采用雙縫并且防水板搭接寬度﹥15 cm，無砂混凝土施作合格，含水地段在二襯施工縫兩側1 m位置增設環向排水板，確保防排水施工質量及施工縫位置不滲水。

4 監控量測

隧道穿越F4斷層段圍巖為Ⅴ級，最淺埋深僅為24 m，故監控量測需同時進行洞內圍巖變形和地表沉降監測。

4.1 監控量測布置方式

4.1.1 洞內變形

DK16+660～600為Ⅴ級圍巖，洞內圍巖變形監測布置如圖12，每斷面上臺階布置3個測點，中臺階布置2個。共監測1組拱頂沉降和2組水平收斂，每5 m設1組監測斷面。

圖12 洞內圍巖變形監測布置

隧道圍巖變形速率有明顯減緩趨勢，且水平收斂速度<0.2 mm/d，拱頂相對下沉速度<0.15 mm/d時判定圍巖變形基本穩定。當隧道拱頂下沉、水平收斂速率達到5 mm/d或位移累計達100 mm時，應暫停掘進，及時分析原因，采取處理措施。

4.1.2 地表沉降

地表沉降與洞內監測點布置在同一斷面內，橫斷面方向地表下沉量測的測點間隔5 m，每一斷面內設11個沉降監測點，測點布置見圖13。地表沉降量測在開挖工作面前方H+h(隧道埋深+隧道高度)處開始，直到襯砌結構封閉，沉降基本停止為止。

圖13 地表沉降監測布置

4.2 測試數據分析

湯村隧道穿越F4斷層是從進口和斜井兩個方向同時進行的：2013年9月13日隧道進口方向開挖至DK16+456，斜井方向則開挖至DK16+575斷面；2013年9月22日進口方向開挖至DK16+533斷面，斜井方向開挖至DK16+539斷面；2013年9月23日進口方向與斜井方向在DK16+533斷面貫通。由于測試數據量很大，故筆者選取拱頂下沉為研究對象，選擇不同的里程區段：遠離斷層區段DK15+900～DK16+540和斷層影響區段DK16+540～DK 16+ 735，對穿越F4斷層前后隧道變形情況進行詳細分析。

4.2.1 遠離斷層區段

DK15+900～DK16+540為遠離斷層區段，區段內圍巖等級屬于Ⅱ和Ⅲ級(靠近斷層方向部分為Ⅲ級)，監測斷面以每隔50，30 m方式布置。該區段內部分監測斷面拱頂下沉與開挖面進展關系曲線如圖14，因隧道在DK16+533斷面貫通，圖14(c)的DK16+450、485斷面后期和圖14(d)的DK16+520斷面測值為隨時間變化的測值。

圖14 遠離斷層區段拱頂下沉隨開挖面進展關系曲線

從圖14可見，遠離斷層區段隧道變形隨開挖面向斷層方向進展，前期拱頂下沉以近似線性形式增大；開挖面距監測斷面一定距離后，開挖影響變小，拱頂下沉趨于穩定，在隧道變形曲線上呈小幅度的波動狀態；各個監測斷面拱頂下沉測值均在3.5 mm范圍內，說明圍巖變形處于安全狀態。當開挖面接近DK16+533斷面時，斜井方向開挖面亦接近該斷面，圖14(c)中斷面拱頂下沉受到雙重影響；當9月23日進口與斜井開挖面DK16+533斷面貫通后，DK16+450、DK16+485斷面拱頂下沉變形曲線表現為隨時間以較大速率增大，DK16+520斷面拱頂下沉亦隨時間以較大速率增大，原因是隧道施工使得斷層帶破碎圍巖質量進一步變差，雖然隧道貫通后施工停止，但是拱頂下沉仍然隨時間以較大速率增大。基于以上分析可知：當開挖至斷層破碎帶后，受斷層破碎帶圍巖質量、進口斜井雙重施工等因素的影響，在遠離貫通斷面80 m左右范圍內，應加強監測，適當輔以相應的施工控制措施。

4.2.2 斷層影響區段

DK16+540～740為斷層影響區段，該區段內圍巖等級為Ⅳ和Ⅴ級(斷層帶為Ⅴ級，兩側為Ⅳ級)，監測斷面以每隔10 m和5 m方式設置。DK16+540～600段內各監測斷面拱頂下沉時程關系曲線如圖15，各監測斷面在進口斜井于DK16+533斷面貫通前已開始監測，反映在拱頂沉降時程曲線中初始測值不為0。

圖15 DK16+540～DK16+600段拱頂下沉時程曲線

從圖15可見，Ⅳ級圍巖段因隧道貫通施工產生了一定的變形，但因為前文中各施工控制措施的實施，減小了圍巖質量破壞程度；有效控制了隧道變形，后期變形隨時間變化較小，始終在2.0 mm范圍內。

DK16+600～DK16+740段內各監測斷面變形穩定時拱頂下沉沿隧道縱向分布如圖16，從圖16可見該Ⅴ級圍巖段隧道變形得到了很好地控制，隧道穿越F4斷層為安全狀態。

圖16 DK16+600～DK16+740段拱頂下沉縱向分布曲線

5 結 論

1)以近水庫穿越F4斷層的湯山鐵路隧道為背景，提出了穿越富水斷層條件下超前地質預報、加固圈3 m超前預注漿、洞身長管棚及三臺階四步開挖方法結合的隧道施工控制方案，現場監測結果表明該方案能很好地控制隧道穿越F4斷層變形，保證隧道安全施工。

2)隧道穿越斷層破碎帶開挖過程中具有很強的突發性和破壞性，同時也具有一定的規律性，施工中應充分發揮新奧法施工的優點，以監控量測反饋數據為依據，分析產生圍巖變形的真實原因，以采取相應的治理措施。

3)貫通斷面雖不在斷層破碎帶范圍內，但兩方向的雙重施工對距貫通面較近的斷面變形影響較大，尤其是貫通之后變形隨時間變化較大，為保證隧道施工安全，需加強監測并及時輔助以相應的施工控制措施。

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Construction and Monitoring of Railway Tunnel Adjacent to Reservoir through F4 Fault

Ran Wanyun

(The First Civil Engineering Co., Ltd.,CREC Shanghai Group, Wuhu 241000, Anhui, China)

Based on the engineering practice of Tangshan railway tunnel through F4 fault adjacent to reservoir, the engineering geology and hydrogeology characteristics were discussed in detail. The tunnel construction control measures such as advanced geology prediction in water-rich fault condition, 3 m advanced pre-grouting of reinforcement zone, long pipe shed support as well as three-bench and four-step excavation method were proposed. Because the tunnel was adjacent to the reservoir, the waterproof measures should be strengthened in the construction process of secondary lining. Besides, the tunnel deformation and surface displacement caused by the construction in F4 fault fracture were monitored and analyzed in detail. The construction control scheme for passing through F4 fault was verified based on the tunnel deformation analysis. The research results indicate that the tunnel deformation is well controlled by the proposed construction scheme in the range of F4 fault zone and the later deformation is not apparent; and the proposed construction scheme is not used outside of F4 fault zone, and the short-term and later deformation of tunnel is larger with the influence of surrounding rock quality of fault zone and the double construction of imported inclined shaft. In 80 m range of passing-through section, the tunnel deformation should be monitored in time and taken with some suitable construction control measures.

tunnel engineering; F4 fault; construction;monitor

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.07

2014-11-05；

2015-01-08

冉萬云(1972—)，男，重慶人，工程師，主要從事鐵路隧道施工與管理工作。E-mail：389840001@qq.com。

U455.49;TU43

A

1674-0696(2015)06-037-06