仁新高速青山隧道斷層破碎帶施工方法和工藝研究

駱 巍

（保利長大工程有限公司，廣州 511431）

1 隧道斷層基本地質情況

仁新高速某標段青山隧道起訖樁號K243+357～K264+000，長2643m，最大埋深約256m，隧道設計為雙向六車道，隧址位于粵湘褶皺帶的交界處，根據設計圖紙揭示，隧道共穿越3 組斷層破碎帶F9、F11、F12，斷層兩側的影響范圍較大，在影響范圍內巖體自穩能力差，側壁穩定性差，節理裂隙密集發育，巖體破碎，成洞條件差。

2 對斷層分析研究

2.1 研究方法手段

隧道施工至距設計破碎帶50 米時應及時觀察掌子面圍巖變化，采用TSP203和地質雷達對掌子面進行綜合預報，查明破碎帶的準確位置、巖體破碎程度和含水構造情況。在施工斷層的過程中，以量測數據作為指導施工、科學決策的基礎。量測項目包含：拱頂下沉、周邊收斂、圍巖與初支接觸壓力、初支與二襯接觸壓力和應變。

2.2 數據采集

斷層區間按照每3 米左右布設變形量測斷面，采用5 條基線監測圍巖的收斂變形；根據巖層發育的實際情況，每1～2 米范圍測試圍巖變形和接觸壓力，斷面左右側各埋設壓1 個力盒。對開挖地段及襯砌地段地應力變化進行壓力監測，二次襯砌中監測斷面以每10 米段設置1 個。

2.3 對擠壓性圍巖大變形組織有關人員進行探討

以南昆鐵路的家竹青隧道為例，家竹青隧道是我國南昆鐵路上的著名險洞，以高瓦斯、高地應力、大涌水而著稱。由于煤系地段軟弱（Ra=1.7MPa），且地應力較高（16.09MPa），在390m 長的地段內產生了大變形，洞壁位移60～80cm，（最大160cm），拱頂下沉接近100cm。之所以變形這么大，與設計階段對大變形缺乏判斷有關，當時國內對高地應力擠壓性圍巖尚缺乏認識，以為只是一般的軟弱地層，故只采用了一般標準的初期支護[1]。施工中的變更設計是：① 改善洞形，加大邊墻曲率；② 將預留變形量加大為45cm（拱）及25cm（墻）；③ 系統錨桿加長為8m（后期經應力量測，隧道錨桿減為4～7m）；④ 噴混凝土加厚（初噴20cm，復噴15cm），設三道縱縫；⑤ 鋼架改為U29 可縮式[1]。

3 通過分析研究達到如下目的

3.1 對斷層圍巖特性的深入認識

1）了解圍巖的基本性狀，例如透水性、變形有無規律、對次級構造影響有多大等等。

2）掌握挖仰拱時，接長鋼支撐變形情況。

3）掌握變形與噴射混凝土的關系。

4）掌握變形與初支的關系。

5）掌握變形與時間的關系。

3.2 通過壓力、變形測試統計分析得出一定的結論

1）隧道開挖過程對初支壓力和變形的影響。施工擾動是軟弱圍巖中誘發大變形的原因，一般情況可能會是掌子面開挖后方10～20m 段對于各項施工參數產生影響主要是對壓力、變形影響較大，更遠的距離則無較大影響；故仰供施作應當在鋼支撐完成后及時跟上，仰供施作完成后，初期支護成為閉合受力的結構，軟弱圍巖和初期支護結構達到了基本穩定；初期支護轉換過程中，尤其掌子面開挖擾動，影響未施工二襯位置對軟弱圍巖的變形控制，此時錨桿的作用尤其重要，關鍵是系統錨桿的設計施工，尤其是長錨桿的運用[2]。

2）初支施工后與二次襯砌間接觸壓力的變化。有可能仰拱與邊墻接頭處存在壓力集中、斷面突變的現象；在收斂速率大于規范要求的速率情況下提前施做的二襯，通過監測，二次襯砌受力較小，初期支護基本會處于良好的工作狀態。在初期支護和二次襯砌間埋設測試壓力盒，在假定二次襯砌和初期支護是全面接觸的，隧道結構屬深埋無明顯偏壓作用，襯砌結構剛度在整個斷面上是均勻的、鋼筋混凝土按28 天后強度計算，所得的壓力值在全斷面上若是均勻變化的，取其最大值作為主要荷載，對模筑鋼筋混凝土的承載力、變形、斜截面抗剪強度進行結構檢算，安全度應該滿足設計要求[2]。

4 采取的主要工程措施

依據初步掌握的斷層的圍巖特性和變形規律和我們過往的施工經驗，擬采取以下的主要工程措施。

1）通過一段時間施工后，利用量測成果得出一定的圍巖變形規律，要對變形量進行預測，留足變形量，否則二次拆換很費勁。

2）短臺階。上下臺階保持5～7m，上臺階留核心土。

3）強支護。初期支護、二次襯砌足夠強，允許發生變形，但須及時有效約束。

4）早封閉。早封閉對強支護起至關重要作用，保證仰拱距離下臺階為15-20m。

5）勤量測。監控量測是必不可少的一個環節，作為主要工序來安排和管理，及時分析及時反饋。

6）重視錨桿的作用，確保注錨的質量。

7）快襯砌：斷層破碎帶圍巖擠壓力較大，變形時間久，通過快襯砌，用強的二襯結構抵抗余存的變形壓力。

8）施作到位，施工中實施全程監控，確保注錨質量、鋼支撐穩定、接板連接牢固、鋼架與圍巖間密貼、噴射混凝土厚度達標等，特別注重細節，每道工序嚴格把控。

5 制定相應的具體施工對策

依據前期施工的經驗和通過科學手段獲取的斷層圍巖的一些特性和規律，應及時對斷層的施工工藝和方法、施工流程、管理措施等方面做出以下調整：

1）根據圍巖情況調整支護參數并進一步加強支護強度。

2）減小超前小導管環向間距，增加導管數量；導管的搭接長度可適當加長。

3）初期支護的型鋼可加大，且型鋼的間距可縮小，甚至可采取雙層型鋼支護。

4）增加預留變形量，確保二次初期支護的空間。

5）加長初期支護的系統錨桿長度；每榀型鋼增設鎖腳錨桿數量。

6）加厚二次襯砌的厚度，主筋的縱向間距縮小，主筋加密，或在鋼筋中間加設型鋼。

6 擬制定出符合斷層巖性特征的施工方法和工藝

1）施工方法。根據經驗我部建議施工采用上下短臺階法，上臺階的長度控制在6m；下臺階長度控制在18m，掌子面距離二襯距離嚴格按規范要求控制。上下臺階的劃分高度保證施工作業要求。重視現場監控量測和超前地質預報，依據每日量測情況來調整施工工序，根據不同的情況，分別采用超前支護預注漿、局部斷面預注漿等注漿方式、全斷面周邊預注漿、全斷面帷幕預注漿等措施施工，將地下水盡可能封堵在圍巖內，以確保施工及結構的安全。。

2）施工工藝。掌子面開挖采用人工風鉆完成開挖掌子面和施工錨桿。初支噴射混凝土采用濕噴機保證初支混凝土強度；掌子面扒渣、裝渣、挖仰拱、找頂均采用挖掘機來完成，配備6 臺20 噸的自卸卡車來完成洞內石渣的運輸任務；仰拱施做要一次性施工到位，單次施工長度不超6m，不能左右分段施工，施工時采用棧橋鋪通運輸通道，不影響前方掌子面的施工，基本可以和前方掌子面出渣或者進料平行進行。

7 結語

本文通過對仁新高速青山隧道斷層破碎帶工程的應用實例，總結了斷層破碎帶的施工方法。目前仁新高速已建成通車，施工過程未出現坍塌、涌水、突泥等質量問題，實踐證明，通過對斷層破碎帶的深入研究分析，制定的斷層巖性特征的施工方法和工藝可靠，達到預期施工目的，可在同類隧道中推廣應用。