隧道穿越斷層破碎帶施工技術研究

文 剛

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

1 工程概況

榆社隧道位于山西省晉中市榆社縣境內，線路由榆社縣境內的白北村南進入隧道，下穿地河灘、劉家五科、四十畝、東溝、輝教村、橋里溝、藥峪、南窯，隧道出口位于榆社縣河峪鄉平底村北，進口里程為DK70+700，出口里程為DK81+370，隧道全長10 670m，最大埋深342m，位于DK75+480處，地面高程為1 524.180m。隧道施工過程中，從斷層破碎帶穿過，并涌出大量的碎石泥散體，持續清方量達3 000m3。結合實際情況，只對掌子面流出的散體進行清理。在對散體進行清理時，在隧道小里程DK76+232右拱位置產生1個散體帶，文章以該工程為例，重點對隧道穿越地層破碎帶施工技術進行探討。

2 坍塌原因分析

2.1 水文

由于該工程所在地區地下水發育，再加1周的持續降雨，山頂的水不斷匯集到溝底，并通過溝底排滲到洞內。此外，由于斜井坡度較大，進水量峰值超過泵站負荷，導致隧洞中的積水深度達40cm，在地下水和雨水排滲補給作用下，泥質粉砂巖一部分遇水軟化，且其中一部分已完全崩解泥化，表現為軟塑狀，使巖體的力學指標進一步下降。在水流沖擊作用下再次開挖后產生碎石流，并夾裹大塊孤石，使掌子面出現失穩情況，持續出現涌泥、坍塌等地質災害。

2.2 地質

隧道通過地層主要為新黃土、砂巖、泥巖，砂巖為較硬巖，泥巖和泥質砂巖為軟巖或較軟巖。隧址區位于太岳山隆起帶，經過南北構造和新華夏構造體的復合作用，構造較復雜，構造類型和形式也較多樣，大多構造形跡均呈南北走向或北東走向。隧道工點穿過該構造中的多處向、背斜及多條斷層，隧道區斷裂構造發育斷層共22條，其中9條為實測斷層，13條為物探推測斷層。隧道正常涌水量Qcp＝39 107.45m3/d，最大涌水量 Qmax＝85 029.01m3/d。

3 隧道穿越斷層破碎帶施工方案

在隧道工程施工過程中，圍巖結構出現嚴重破碎情況，鉆孔難度非常大。結合類似工程經驗，本工程中采用上臺階預留核心土、環形導坑開挖和下臺階左右側錯開開挖的方法開展施工。由于圍巖結構較軟，施工時設計使用機械和人工配合開挖的方法進行開挖作業。不僅可降低施工過程中對圍巖產生的擾動，還可使上臺階的開挖面積縮小，及時做好上臺階的支護施工，使圍巖變形得到有效控制。在進行下臺階開挖施工時會影響鋼架應力，因此采用左右側錯開開挖的方法進行下臺階開挖，可有效防止兩側鋼架產生懸空情況，更好地對鋼架整體沉降進行控制。采用注漿小導管對隧道拱部120°的范圍內進行支護，其他位置布置φ42mm徑向注漿小導管，不僅可對四周圍巖進行加固，還可提升圍巖穩定性，使隧道圍巖破碎的情況得到顯著改善，有效避免隧道出現塌方情況。

在使用超短臺階進行開挖施工時，要將臺階長度控制好，每循環開挖進尺控制在0.5m。為了降低邊墻的變形量，要在邊墻位置布置橫向水平鋼梁支撐。

考慮到斷面初期支護不均勻，邊墻和拱部位置存在嚴重偏壓情況，為進一步對洞內的變形情況進行平衡，設計采用I16臨時橫撐進行輔助施工。將仰拱和掌子面之間的距離控制在16m內，二襯和掌子面之間的距離控制在24m內。

4 隧道穿越斷層破碎帶施工技術

4.1 加固掌子面后方支護段

施工過程中為保證施工安全，提升掌子面后方地段施工的穩定性，對DK76+247—DK76+217段（即30m）采用超前小導管（即φ42mm梅花管）進行注漿加固處理，梅花管間距為1.2m，管長為4m，采用雙液漿液進行注漿。此外，該位置采用鎖腳錨管進行進一步加固，每榀鋼架增設12根φ42mm鎖腳錨管，鎖腳錨管與水平成45°夾角，設計錨桿長度值為4.5m。

4.2 DK76+250—DK76+200段破碎帶支護施工

該隧道工程施工過程中，DK76+250—DK76+200段破碎帶存在碎石流地質災害，采用小導管和φ89mm鋼管管棚配合預支護措施對拱部進行支護（見圖1）。設計鋼管長度為12m，斜插角為10°～15°，環向間距保持在40cm。將拱架底部布置在基巖上，利用φ42mm鎖腳錨管進行錨固，每榀設置8根鋼架，將雙層鋼筋網布置在鋼架之間，鋼筋型號為φ8，鋼筋網網格尺寸為15cm×15cm。

4.3 設置止漿墻

在掌子面布置止漿墻進行封閉，采用注漿管和18k輕軌沿邊墻進行環向布置，間隔距離控制在30～50cm?？v向間距之間的間隔為3m，設計注漿管道的長度為3～6m，設計輕軌的長度為6～8m，將3～5根長度為5～9m的φ150mm泵送管預埋到邊墻空腔位置。當封閉墻強度達到要求后，可采用分層分次方法進行坍腔灌漿，設計水泥漿液的比例為1∶1，回填固結完成后即可將封閉墻拆除。

圖1 管棚配合小導管

4.4 坍體開挖施工

在進行坍體開挖時，先進行上臺階開挖，然后進行下臺階開挖。開挖過程中，要求縱向開挖活動控制在50cm內，初期支護封閉后即可開展下道工序作業。將槽鋼托梁布置到拱架底部，使用φ22鋼筋作為縱向連接鋼筋，縱向連接鋼筋之間的環向間隔距離控制在80cm內。為避免鋼架拱架落地和滑移時出現下沉，采用橫向I20卡口布置在上臺階底部作為底梁。在空間和時間效應的累計作用下使隧道圍巖進一步變形，如果不能及時處理會引發安全事故，完成鋼支撐后需將水平橫向支撐布置成環，在型鋼和噴射混凝土之間增設楔形木進行塞縫。持續按照該方法循環作業，直到從破碎帶順利通過。

4.5 空腔處理

為進一步探明該隧道工程空腔向后蔓延的實際情況，設計采用潛孔鉆分別對掌子面后方5.0，5.5，7.0m處拱部地質情況進行鉆孔分析，摸清空腔向后蔓延的實際情況。根據探孔結果使用C25混凝土進行分次分層回灌。進行回灌作業時，要將觀察孔、排氣孔和回灌孔布置好，確定回灌效果，保證混凝土表面抗原形成保護層。為了對下落的孤石起到緩沖作用，需在混凝土保護層上吹1.2m砂，如圖2所示。

圖2 空腔處理措施

4.6 加強二次襯砌施工

此隧道工程在實際工程施工時，隧道DK76+247—DK76+217段多次出現碎石坍塌和流石坍塌等情況，使隧道拱頂空腔高度值達15～20m。為保證隧道安全運營，需要進一步加強二次襯砌施工，分2層進行襯砌作業。第1層使用C35鋼筋混凝土進行襯砌，設計襯砌施工厚度為35cm，采用掛模模板進行混凝土的澆筑施工。使用V級加強襯砌配筋進行第2層施工，并對該段利用環向盲管加密。采用φ100mm透水管開展縱向盲溝施工，施工時為了提升施工質量，需要提高監測力度，并及時進行仰拱和襯砌施工，共同構成持力圈，以保證施工安全。

5 結語

該高原隧道穿越斷層破碎帶時根據工程實際情況制訂了具體施工方案，并通過努力，順利從該破碎帶穿過。結合測量結果，在該工程施工過程中出現了2次施工異常，通過采用注漿加固方法進行處理后取得良好的加固效果。目前，隧道開挖完成了6 200m，順利通過了斷層破碎帶。