高鐵隧道斷層破碎帶影響范圍分析

趙青云，曹廣勇，趙紅飛，劉繼文，翟朝嬌

（1.安徽建筑大學，安徽 合肥 230601；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012）

0 前言

我國地質構造非常復雜，山地占我國大部分國土面積，隨著時代的發展，修建更多的交通路線成為必然，隧道是交通中的重要組成部分，在公路選線設計中，不可避免地遇到隧道下穿斷層破碎帶的情況。斷層帶對施工危害非常大，其分布極易出現拱頂塌方、大變形等工程事故，給施工帶來巨大損失。

鐘威等[1]分析影響斷層帶隧道穩定的因素，在斷層隧道施工風險評估上運用了層次分析的方法。羅利銳等[2]對于斷層隧道圍巖穩定性進行了研究，結果表明斷層交會和斷層歸并復合很容易引起圍巖失穩，斷層的風化程度、走向和隧道中線的走向的夾角也對圍巖穩定性有比較大的影響。潘雪峰[3]以實際工程寶塔山隧道為背景，分析了穿越隧道斷層破碎段的襯砌結構設計及施工防治措施，為類似的工程提供了施工參考。蔣建平等[4]通過研究發現正斷層傾角的變化對隧道圍巖穩定性影響比較大。鄭文筠[5]在隧道斷層段施工過程中運用了超前地質預報和三臺階法等技術措施和施工工藝，保證了施工安全，為斷層帶施工積累了經驗。但對于斷層帶對隧道的影響范圍研究較少。本文以太（原）焦（作）高鐵皇后嶺隧道為工程背景，依托現場的監測數據，對斷層破碎帶的影響范圍進行研究，這對于過斷層高鐵隧道施工安全有重要意義。

1 工程背景

1.1 線路設計概況

皇后嶺隧道位于山西省長治市縣境內，起始里程為DK241+765終點里程為DK246+305，全長4540m。其中正線洞門50m占1.1%，明洞300m占6.6%，暗洞V級圍巖有1590m占35%，IV級圍巖1150m占25.3%，III級圍巖305m占6.7%，II級圍巖1145m占25.3%。

并設置一處斜井與正洞交于DK243+750，斜井長度700m，最大縱坡11%，與主線隧道成133°斜交，施工完成后作為永久逃生通道保留。

1.2 地質構造

皇后嶺隧道位于沁水盆地東南緣，晉獲褶斷帶的西側。區域構造方向基本與地層總體走向一致，均為北北東向。地層傾向北西，傾角平緩，一般為5°～15°。地貌單元主要有剝蝕低中山、低山地貌。進口地面標高約為927.61m，中間的地段分布以低中山為主，地形切割較淺，其中溝谷發育，海拔一般為994m～1131.02m之間，出口海拔1002m左右。最高點位于劉家山村東南山嶺，海拔1131.02m，最低點位于隧道進口處，海拔約為972.61m，相對高差為158.41m。隧道最高點海拔高程1131.02m，隧道最大埋深142.59m。

本文研究區域為斷層帶及其附近隧道，隧道埋深范圍約29.5m～44m，圍巖等級為V級。隧道地質剖面及斷面尺寸如圖1所示。

圖1 隧道地質剖面及斷面尺寸

2 開挖和支護方案設計

斷層地段設計為V級圍巖，采用三臺階臨時仰拱法施工。開挖方式采用弱爆破方式開挖，開挖時考慮預留變形量為20～25cm，日進尺1.2m，開挖示意圖如圖2所示。

圖2 三臺階臨時仰拱開挖示意圖

圖3 錨桿布置縱斷面圖

主要開挖及支護過程如下。

利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。開挖①部，欠挖處理完畢，確定圍巖安全后，施作①部導坑周邊的初期支護，即初噴4cm厚混凝土，鋪設鋼筋網片，架立I20型鋼架，并設鎖腳鋼管，復噴混凝土，施做砂漿錨桿，錨桿梅花布置，環間距1.2m×1m。施作①部臨時仰拱，先在平臺底部噴射4cm混凝土，然后加設I18輕型鋼架，覆蓋后再噴3cm厚混凝土保護層，共25cm厚。要求臨時仰拱在初支主拱架每兩榀做一次，必要時封閉掌子面。

在滯后于①部一段距離后，先拆除①部2～3榀I18臨時鋼架，再開挖②部，開挖②部方法與開挖①部相同。要求：中臺階左右至少要錯開三榀開挖，嚴禁兩邊拱架同時懸空。欠挖處理完畢，確定圍巖安全后，開挖面周邊部分初噴4cm厚混凝土，掛設鋼筋網片，架立鋼架，架立鋼架并設鎖腳鋼管。平臺底部噴4cm厚混凝土，施作②部臨時仰拱，必要時封閉掌子面。掛鋼筋網片，然后復噴混凝土至設計厚度，施做砂漿錨桿。

在滯后于②部一段距離后，開挖③部，開挖③部方法與開挖①部相同。要求：下臺階左右至少要錯開三榀開挖，嚴禁兩邊拱架同時懸空。初噴4cm厚混凝土，架立鋼架。隧底周邊部分噴混凝土至設計厚度。仰拱初支開挖不得大于3m。

主要支護參數見下表。

主要支護構件及參數

3 斷層影響范圍分析

3.1 洞內監控測量

洞內監控量測點布設：中心洞頂設置1個沉降點，中臺階兩側各設置一個收斂點。沿隧道縱向間隔5m布設一個斷面。同時當襯砌完成后，繼續按照5m間距在襯砌表面設監控點進行監控，測量頻率為1次/d，監測周期為60d。

觀測點布置要求：洞內測點用3cm×3cm正方形反光貼做為觀測標志，貼在5cm×5cm鋼板上，采用透明膠帶包裹，保證反光貼不脫落，鋼板與鋼筋焊接做為觀測樁。觀測樁埋設在初噴混凝土后，采用手機鉆機打孔，打孔深度不小于10cm，將觀測樁砸入孔內，確保穩固，待噴射混凝土完成后，將觀測樁覆蓋粉粒擦拭干凈后并采集初始讀數，并懸掛測點標示牌。

變形監控量測采用全站儀進行，測點采用反光貼作為反射元件，量測方法采用自由設站和固定設站兩種方法。拱頂下沉量測采用全站儀測量。測點應與隧道外測量基準點進行聯測。

為驗證位移趨于穩定，根據圍巖沉降收斂累計變化圖，選取之前布置在DK243+210和DK243+220斷面的測點進行對比。斷面的5個位置安裝鋼筋應力計，測量頻率為1次/d，監測周期為20d。測點具體布置如圖4所示。

圖4 測點分布示意圖

圖5 沉降觀測大樣點

3.2 監測結果分析

圖6為圍巖沉降收斂累計變化圖，圖7 DK243+210斷面拱架軸力變化圖，圖8為DK246+220斷面拱架軸力變化圖。

分析可知：

①斷層中心的拱頂沉降和拱腰收斂最大，分別為12.1mm和4.7mm，屬于重點監測斷面，靠近斷層的監測面拱頂沉降和拱腰收斂比較大，離斷層較遠的監測面拱頂沉降和拱腰收斂較小，表明距離斷層越近，圍巖受開挖和斷層擾動影響越大，導致圍巖變形相對較大；

②隨著監測面遠離斷層，拱頂沉降和拱腰逐漸減小，距離斷層超過55m后，監測面的拱頂沉降和拱腰收斂逐漸趨于穩定，拱頂沉降穩定值維持在8.2mm左右，拱腰收斂沉降穩定值維持在1.8mm左右；

圖6 圍巖沉降收斂累計變化圖

圖7 DK243+210斷面拱架軸力變化圖

圖8 DK246+220斷面拱架軸力變化圖

③由圖7和圖8可知DK243+210和DK243+210斷面的拱頂軸力都在17天之后趨于穩定，DK243+210拱頂軸力穩定在407kN左右，拱腰軸力穩定在101kN左右，DK243+220拱頂軸力穩定在390kN左右，拱腰軸力穩定在83kN左右，兩個斷面的拱頂軸力都是在1～3天增速較快，后來逐漸減小。拱頂軸力受開挖支護影響較大；

④各監測斷面的累計變形量均遠小于預留變形量，處于允許范圍內，拱頂軸力遠小于鋼材的屈服強度。說明設計采用的開挖方案合理，支護強度滿足要求。

4 結論

①拱頂軸力在17天之后趨于穩定，拱頂軸力都是在1～3天增速較快，后來逐漸減小，拱頂軸力受開挖支護影響較大。

②斷層中心的拱頂沉降和拱腰收斂最大，分別為12.1mm和4.7mm，屬于重點監測斷面。

③隨著監測面遠離斷層，拱頂沉降和拱腰逐漸減小，距離斷層超過55m后，監測面的拱頂沉降和拱腰收斂逐漸趨于穩定，斷層的影響范圍在55m左右。