太白山隧道穿越斷層破碎帶施工技術

李世貴

（中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065）

斷層是隧道工程中常見的不良地質構造之一。在我國，由于復雜的地形地質條件和線路規劃的要求，隧道建設過程中遇到斷層帶是不可避免的。在斷層破碎帶中，巖體破碎松散、富水高壓，隧道穿越斷層破碎帶時，易發生支護破壞、塌方、突泥涌水事故，因此，隧道穿越斷層破碎帶的施工技術研究具有重要意義。文章以眉太（眉縣—太白）高速公路太白山隧道穿越斷層破碎帶工程為例，通過了解其水文地質特征，根據穿越斷層破碎帶的施工技術難點研究了施工方案以及治理防護措施，同時通過現場監測確保隧道的穩定性，對于豐富、深入認識隧道穿越斷層的施工技術方面具有重要意義。

1 工程概況

太白山隧道起點位于眉縣營頭鎮大理村沙坡，經大灣在芋子灘越嶺，終點位于太白縣鸚鴿鎮蓮花灣溝內，隧道左洞全長5259m，右洞全長5277m，為特長隧道，最大埋深為486m。線路進口段3492m縱坡為1.97%，其余1785m縱坡為-0.61%。該隧道圍巖以Ⅳ級、Ⅴ級為主，圍巖差，其中左線Ⅳ級圍巖725m、Ⅴ級圍巖1800m，Ⅴ級圍巖占比71.3%；右線Ⅳ級圍巖643m、Ⅴ級圍巖1882m，Ⅴ級圍巖占比74.5%。該隧道影響洞室穩定性的斷層有9條，斷層及其影響帶的巖性破碎，圍巖主要為壓碎巖、斜長角閃巖、石墨大理巖，巖體節理裂隙發育。預測總體涌水量可達25433.2m3/d。

2 斷層破碎帶地質分析

隧址區大地構造位置處于秦嶺褶皺系北秦嶺加里東褶皺帶，主要由南北兩側深斷層組成，距離隧道較近斷層有9條。

在隧道線路里程K25+000～K25+080，斷層帶寬度為30～50m，局部某些地方可達70m，呈東西方散布，巖體極其破碎，斷層角礫巖發育，膠結較差，粒狀不均，為壓扭性逆斷層。破碎帶圍巖穩定性較差，拱頂易坍塌、側壁不穩，破碎帶內水量相對集中，開挖時可能會有滲水狀、線狀、小股狀出水，局部淋雨狀，核部破碎帶可能出現較大的涌流、涌泥及坍塌現象，處理不當會造成安全事故。因此，確保隧道施工能順利通過斷層破碎帶，防止發生地質災害，是施工特別關注的問題，必須做好防范措施。

3 穿越斷層施工方案

在穿越隧道斷層施工時，應利用先進的地質預報及監控測量等手段協助隧道施工，在施工過程中進行動態、實時監控，機械與人工協作開挖，盡量保持巖體的原始狀態，防止爆炸破壞周圍的巖石并造成破壞性倒塌。

根據該段圍巖的特殊性采用“環形開挖預留核心土法”施工開挖該段斷層破碎帶，各段之間保持有效的安全和無干擾距離，每循環進尺長度為0.5～1m。隧道穿越斷層時嚴格按隧道穿越斷層施工流程組織施工。

3.1 超前地質預報

首先使用TSP203高級地質預報儀預測前方圍巖的結構特征，基本掌握斷層或軟巖大變形區的大致位置。同時采用地質雷達對前方20～40m圍巖地質進行探測，通過長短結合的方法對前方圍巖進行綜合判定，確保斷層位置。當開挖到達預測斷層結構面的15～20m時，使用先進的臥式地質鉆探機。提前鉆探，準確確定斷層的位置和斷層中充填物的性質及富水條件和水壓，確定涌水的可能性，制訂相應可行的技術措施。采用超前鉆孔、地質雷達、紅外線探測儀進行聯合地質預報，為安全穿越斷層帶提供第一手資料。

3.2 超前預支護

當巖層進入斷層破碎帶，采用Φ76mm×6mm的中管棚作為施工輔助措施，對斷層帶、斷層影響破碎帶圍巖進行超前預加固。初期支護采用I20a工字鋼，拱架間距為60cm，還有26cm厚噴射混凝土，系統錨桿全部采用Φ50mm×4mm注漿小導管，環向間距為40cm，長度L=4.5m，鎖腳采用Φ76mm×6mm的中導管。

3.3 開挖作業

在斷層段采用環形開挖預留核心土法施工，主要采用挖掘機開挖，人工采用手動和氣動鎬修復開挖面，環形開挖預留核心土法開挖方式如圖1所示。具體的施工方法及步驟如下：（1）拱部環形開挖。距開挖拱頂的核心土高度應控制在1.5m左右，并按照環形開挖面積的50%來控制核心土的橫截面，方便人員操作進行控制；環形開挖高度根據實際圍巖情況，結合鋼支撐加工尺寸自行擬訂，確保施工人員操作方便，應控制在3.5～4m；開挖循環進尺宜按照2榀鋼支撐距離進行控制，一般為0.5～1m。（2）拱部核心土開挖。（3）側墻開挖。根據圍巖地質差異情況，先開挖較差一側，保證開挖面左右錯開，錯開距離應為3～5m；單側一次開挖進尺不大于1.5m，宜按照2榀鋼支撐間距控制；開挖作業寬度為1.5～2m，中部暫留核心土。（4）開挖中部核心土。（5）開挖仰拱。全幅開挖，采用棧橋保持通行，仰拱鋼支撐和邊墻下部鋼支撐通過焊接連接牢固。

圖1 隧道開挖效果圖

3.4 注漿堵水加固

施工過程中，根據不同滲漏水情況采用全斷面帷幕注漿、全斷面周邊注漿以及局部斷面注漿等不同的加固方法。在隧道開挖后，當2/3探水孔出水，總水量大于10m3/h時，采用全斷面帷幕注漿堵水，其注漿范圍為開挖輪廓線外6m，注漿段長度為15～30m，施工按15m考慮，分三環實施。第一環61個注漿孔，孔深6m；第二環41個注漿孔，孔深5m；第三環25個注漿孔，孔深4m。全斷面共布設127個注漿孔。當任一探水孔流量大于2m3/h，總水量小于10m3/h時，采用全斷面周邊注漿堵水，分三環實施。第一環16個注漿孔，孔深6m；第二環12個注漿孔，孔深5m；第三環13個注漿孔，孔深4m。全斷面共布設41個注漿孔。當斷面內局部發生涌突水時，采用局部斷面注漿堵水，分三環實施。第一環12個注漿孔，孔深6m；第二環8個注漿孔，孔深5m；第三環5個注漿孔，孔深4m。全斷面共布設25個注漿孔。當掌子面只有某幾處涌突水，對出水點采用頂水注漿，注漿孔深10m，孔口管長3m，在集中出水點周邊2m范圍內布設5～6個檢查孔，每處集中出水點注漿按先周邊后中間的順序進行，注漿工藝采用分段前進式，每段前進長度為5m。注漿施工工藝流程如圖2所示。

圖2 注漿施工工藝流程圖

一個注漿段完成后留3m不開挖，作為下一階段的止漿巖盤。注漿孔自掌子面沿開挖方向以隧道中軸為中心呈傘狀布置，采用長短孔相結合，以達到注漿充分、不留死角為目的，漿液擴散半徑為2m。常規注漿材料選擇水泥漿+水玻璃，初擬C∶S=1∶0.8，水泥漿水灰比為0.8∶1，水玻璃模數M=2.7，水玻璃溶液濃度Be′=35B，注漿壓力為2MPa。

4 監控量測方案

為了更準確快速地了解斷層裂隙帶圍巖的動態變化并確定其穩定性，保證施工安全，有必要進行科學、嚴格的監測和測量方案。該隧道在測點埋設時，先用人工挖孔或鑿巖機在測點處開挖孔，其孔徑為40～80mm，深25mm。待孔里注滿水泥砂漿后將收斂預埋件放入，保持預埋件軸線在基線的方向上，同時讓預埋件銷孔軸線保持鉛垂方向，然后安裝保護帽，等砂漿凝固后便可進行量測。采用水準儀量測隧道的拱頂下沉，采用收斂儀量測周邊收斂，測量時在每5m處布置一斷面，每斷面布置3對測點。

5 結論

為了確保太白山隧道斷層破碎區域施工安全順利通過，文章主要對隧道施工中的四個重點進行了研究：（1）在隧道到達斷層破碎帶前，采用超前鉆孔、地質雷達、紅外線探測儀等方法聯合進行超前地質預報來準確判斷前方斷層位置。（2）根據斷層破碎帶的特殊地質情況，對隧道通施工中超前支護的參數進行了優化與研究，確定出最佳參數值，有效控制變形，確保圍巖穩定與施工安全。（3）采用環形開挖預留核心土法施工，全過程由機械開挖和人工配合施工，實現對圍巖的微擾動。（4）根據不同滲漏水情況采用不同的注漿加固方法，使破碎帶富水區受嚴格控制，保持施工面干燥、無積水，確保圍巖的穩定。