大斷面隧道穿越斷層破碎帶施工方案及支護參數優化

■丘禮球

（福建廈蓉高速公路漳龍段擴建工程有限公司，龍巖 364000）

山嶺隧道建設過程中，受道路選線與地形因素影響，難以避免地遇到穿越斷層破碎帶的情況。 斷層破碎帶地質構造復雜，斷層兩側圍巖往往松散軟弱、強度低、且抗擾動能力差，在施工中稍有不慎就容易導致隧道掌子面的失穩甚至坍塌[1]。 對于大斷面隧道而言，如何選擇合適的施工方法及支護參數成為穿越破碎帶中的重難點問題。 三臺階七步開挖法是大斷面隧道軟弱圍巖施工中的常用工法，具有利于控制掌子面穩定、利于圍巖變形控制、利于支護閉合等優點， 適用于破碎帶松散軟弱的圍巖情況[2]。三臺階法施工主要通過分布開挖減小開挖斷面大小， 同時利用核心土的支撐作用以維持掌子面穩定，保證隧道正常施工[3-4]。

目前，國內學者針對斷層破碎帶處隧道施工工法及其支護技術已開展了一些研究。 張志強等[5]利用GA-BP 神經網絡方法對斷層破碎帶圍巖的變形時序進行了預測，預測結果可有效指導隧道的施工及支護設計；李翔等[6]針對舊堡隧道斷層破碎帶施工中遇到的涌水塌方難題， 提出了排堵地下水、注漿加固、強化支護的治理措施；高文山[7]在西秦嶺特長隧道穿越F6 斷層施工中， 采用超短臺階法開挖結合仰拱整體模架分區技術有效防止了塌方事故并順利通過了斷裂層；宋瑞剛等[8]利用總勢能原理對斷層破碎帶圍巖的突發破壞進行了分析，提出圍巖失穩尖點突變模型；田野等[9]利用數值模擬及現場監測驗證方法，提出上臺階高度和跨矢比的選擇對確保大跨度破碎圍巖段施工穩定性具有重要意義；馮毅[10]結合超前地質預報及監控量測數據，對斷層破碎帶圍巖穩定性因素進行了總結；郝曉燕[11]利用有限元軟件研究了隧道穿越斷層破碎帶時臺階工法的適用性；杜可耕等[12]利用FLAC 3D 有限元軟件對預留核心土工法下圍巖的變形進行了研究，指出破碎帶區域拱腳形變量遠大于拱肩，應重點控制拱腳處支護安全。

本文以龍巖夏蓉高速公路邦山隧道穿越斷層破碎帶為工程依托，通過分析隧道圍巖多期交叉效應與變形機制，利用開挖數值模擬等手段進行隧道穿越斷層破碎帶三臺階七步開挖法施工過程分析，并提出相應的支護建議，可為同類隧道穿越斷層破碎帶的施工和設計提供參考。

1 工程概況

該隧道為分離式雙洞三車道高速公路隧道，設計時速80 km/h，隧道右線全長1809 m，起訖樁號YK144+700～YK145+711；隧道左線全長1804 m，起訖樁號ZK143+915～ZK145+719。主洞凈空寬14 m，隧址區屬構造-剝蝕低山地貌，斷裂、褶皺、巖漿活動均發育，地形起伏大，隧道最大埋深157.58 m。 隧道整體圍巖破碎，主要穿越中-微風化花崗巖、變質砂巖、石英砂巖、砂礫巖夾粉砂巖等。 邦山隧道左線ZK144+994～ZK145+145 縱斷面如圖1 所示。

圖1 邦山隧道左線ZK144+994～ZK145+145 縱斷面

邦山隧道左線ZK145+036～ZK145+091 穿越F135a 斷層破碎帶，F135a 斷層走向近東北向，傾角70°左右。 斷層主要由坡積粉質粘土、碎石坡積粉質黏土、全風化砂巖等構成，具有構造透鏡體，層理發育，裂面舒緩波狀，其圍巖等級為Ⅴ級圍巖。

根據隧道圍巖變形特性并結合該斷層破碎帶特殊地質情況，通過方案比選，確定隧道施工方案為“超前物探、鉆探結合探水、超前注漿堵水、預留核心土超短臺階人工開挖（局部輔以弱爆破）、初支加強、仰供超前、二襯緊跟”，采用“上部弧形導坑預留核心土三臺階七步開挖法”施工。 施工步序為：第1 步： 上部弧形導坑開挖， 在拱部超前支護后進行，環向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土長度宜為3～5 m， 寬度宜為隧道開挖寬度的1/3～1/2；第2、3 步：左、右側中臺階開挖；第4、5 步：左、右側下臺階開挖；第6 步：上、中、下臺階預留核心土開挖，開挖進尺與各臺階循環進尺相一致；第7 步：隧底開挖，開挖后及時施作仰拱初期支護。 三臺階七步開挖法施工步驟如圖2 所示。

圖2 三臺階七步開挖法工序

2 支護設計

拱墻、 拱腳處均采用C25 噴射混凝土， 厚度28 cm；型鋼/格柵鋼架全環設置，間距0.6～0.8 m；鋼筋網采用φ8 鋼筋網， 設置拱墻部位， 網格間距20 cm×20 cm， 保護層厚度≥3 cm； 仰拱填充采用C20 混凝土，中心線處設計厚度138 cm。 具體支護參數如表1 所示。

表1 初期支護參數

三臺階七步開挖法施工過程中由于施工場地狹小，錨桿施工難度大，尤其是拱部錨桿往往不能及時徑向施作， 致使砂漿注滿度難以達到設計要求。 同時，軟弱圍巖中砂漿錨桿與圍巖的黏結力較差，極大地影響支護效果的發揮。 鎖腳錨桿的錨固效果顯著，對穩定結構起著重要作用，故針對該地段上述隧道支護方案，并結合隧道穿越斷層破碎帶地質及圍巖情況，采用取消系統錨桿并增設鎖腳錨桿的支護設計方案。 鎖腳錨桿通過對隧道拱、墻腳一定范圍圍巖的錨固，可有效限制鋼架及整個初期支護的下沉，同時防止初期支護向隧道凈空方向位移，進而充分發揮初期支護承載作用，增加圍巖自穩時間和初期支護整體性[13-14]。 鎖腳錨桿下插角45°，直徑為42 mm，考慮圍巖塑形區范圍較Ⅳ級圍巖增大，錨管長度取4 m，打設位置為隧道拱、墻腳以上50 cm，為雙排布置，每個拱、墻腳各4 根，共24 根。鎖腳錨桿布置示意圖如圖3 所示，鎖腳錨管示意圖如圖4 所示。

圖3 鎖腳錨桿布置示意圖

圖4 鎖腳錨管示意圖（單位：cm）

3 斷層破碎帶開挖數值模擬

按圣維南原理隧道開挖的影響范圍一般為3～5 倍洞室直徑， 結合隧道斷面尺寸與斷層破碎帶的寬度，計算模型尺寸確定為寬80 m×高120 m。隧道三維數值模型地面線、斷層分布均為實際地面線與斷層分布情況，模擬計算利用MIDAS GTSNX 有限元軟件，其間斷層選用實體單元模擬，初支選用板單元，鎖腳錨桿選用桁架單元，巖石本構采用摩爾庫倫模型，初支采用彈性模型。 整體模型及模型透視圖如圖5 所示。

圖5 整體網格模型及模型透視圖

圍巖及支護力學參數如表2 所示。 隧道開挖過程的數值模擬，主要結合現場圍巖變形特征和施工開挖經驗對荷載釋放系數進行取值，對每一步的開挖部分開挖時荷載釋放系數取0.5， 施作初期支護時取0.3，下一步開挖過程中荷載再釋放0.2。

表2 圍巖及支護力學參數

4 數值模擬結果分析

4.1 圍巖變形分析

隧道開挖過程中， 隧道周圍土體失去原有支承，土體原有受力平衡狀態被打破，引起一定范圍內土體應力重分布和局部應力的釋放，改變了相鄰土體的相對平衡狀態。選取斷層處ZK145+058 斷面及其斷面上3 個特征點，點位分別是拱頂A、左拱腰B 和右拱腰C，進行開挖階段的位移分析。

4.1.1 開挖過程中位移變形

斷層處ZK145+058 斷面拱頂A 豎向位移，左拱腰B 及右拱腰C 橫向位移隨施工開挖跟蹤變化圖如圖6、7 所示。

2012年后，阿4段高達75%的措施有效率引起地質研究人員的重視。他們通過地震資料精細解釋及實鉆資料分析，首次發現并刻畫出阿4段河道砂巖性油氣藏，并陸續部署DK32X、DK33H、DK35H、DK37H等井，均實現良好建產。截至2018年10月初，阿4段河道砂巖性油氣藏日產油27.8噸，占該油田日產量的42%，已累計產油4.27萬噸，累計產氣0.47億立方米。

圖6 拱頂A 豎向位移跟蹤變化圖

4.1.2 開挖完成后位移變形

斷層處ZK145+058 斷面在隧道最終開挖完成后的豎向及橫向位移圖如圖8、9 所示。

圖7 拱腰B 與拱腰C 橫向位移跟蹤變化圖

圖8 斷面最終豎向位移云圖

圖9 斷面最終橫向位移云圖

從數值模擬結果可以看出， 采用三臺階法開挖， 控制各臺階開挖間距為6 m 時，ZK145+058 斷面處拱頂A 點最終沉降64.6 mm，左、右拱腰B、C點處橫向位移最終達到68.7 mm 和-71.5 mm，隧道整體變形量較大。 左、右拱腰開挖時出現收斂，隨著拱頂位移的加大，拱腰向外擴張，支護混凝土反復受力極易出現疲勞裂縫。 由于該斷面處于強風化粉砂巖與斷層交界處，斷層巖性較差，隧道整體最大豎向和橫向位移均出現在該斷面處。

4.1.3 現場實測位移變形

現場選取ZK145+058 斷面進行隧道穿越斷層破碎帶段監測，采用收斂計、全站儀及水平尺對隧道斷面周邊位移及拱頂沉降進行測量， 測量頻率1 次/d，共監測歷時30 d，測點布置情況如圖10 所示。

圖10 ZK145+058 斷面拱頂、拱腰測點布置圖

隧道穿越過程中，現場實測最大拱頂沉降累計值為72.3 mm， 拱腰處最大累積水平收斂值155.7 mm，較數值模擬結果最大沉降值64.6 mm 和收斂值140.2 mm 均偏大。 考慮隧道斷層破碎帶圍巖巖性極差，同時受現場施工前后擾動影響，故實測值比數值模擬值偏大一些，但誤差范圍在10%左右，數值模擬結果總體可靠。

4.2 圍巖應力與支護應力分析

4.2.1 圍巖應力分析

圍巖第一、第三主應力等色圖如圖11 所示，隧道中線處剖斷面圍巖第一、第三主應力圖如圖12 所示。

圖11 圍巖第一、第三主應力等色圖

圖12 剖斷面處圍巖第一、第三主應力等色圖

從圖11 可以看出， 最大主拉應力為0.029 MPa，遠小于地質勘察報告中提供的圍巖抗拉強度；最大主壓應力為2.53 MPa，也遠小于地質報告中提供的抗壓強度；且最大主拉應力及最大主壓應力均未出現在斷層附近，圍巖在整體上穩定。 但由圖12 可以看出，在隧道上方斷層處拉應力及壓應力均比其附近圍巖地段要大，斷層處圍巖穩定性差，隧道開挖易發生坍塌。

4.2.2 支護應力分析

隧道開挖完成后支護結構的應力圖如圖13、14所示（圖中應力負為受壓，正為受拉）。

圖13 軸力圖

圖14 彎矩圖

由上圖可知襯砌混凝土的最大拉應力出現在強風化粉砂巖與斷層接觸段，這是由于斷層處巖體性質較差，開挖過后使混凝土承擔了更大的圍巖開挖過后產生的應力，若混凝土強度較低可能產生混凝土掉塊現象；錨桿最大壓應力同樣出現在強風化砂巖與斷層接觸段，由于斷層的影響，斷層處錨桿可能發生彎折，應加強錨桿密度及強度。 臨時支護也承擔了較大的應力作用， 勿過早對其進行拆除，應根據監控量測資料確定其拆除時間。 考慮到斷層處圍巖條件較差，為了更好地發揮支護結構的承變作用，控制圍巖變形，必要時應將上、下臺階進一步分部開挖，并預留核心土支撐掌子面，同時將左、右導坑進一步分臺階開挖，并在每一部分開挖過后及時進行支護，從而可更好地發揮錨桿及襯砌混凝土的承變能力，進一步控制圍巖變形，尤其在斷層處應加強支護。

5 結論與建議

依托邦山隧道跨越斷層破碎帶工程，通過數值模擬手段進行三臺階七步法施工過程分析，得到主要結論及建議如下：

（1）襯砌混凝土的最大拉應力出現在強風化粉砂巖與斷層接觸段，斷層處巖體性質較差，開挖過后使混凝土承擔了更大的二次應力，以致產生混凝土掉塊現象；錨桿最大壓應力同樣出現在強風化砂巖與斷層接觸段，受斷層的影響，斷層處錨桿可能發生彎折現象，施工中應加強錨桿布置密度同時提高錨桿強度級別。

（2）基于有限元法對三臺階法開挖進行數值模擬， 控制各臺階開挖間距為6 m 時，ZK145+058 斷面處拱頂A 點最終沉降64.6 mm，左、右拱腰B、C點處橫向位移最終達到-71.5 mm 和68.7 mm，隧道整體變形量較大，由于斷面處于強風化粉砂巖與斷層交界處，且斷層巖性較差，隧道整體最大豎向和橫向位移均出現在斷面ZK145+058 處。建議縮小開挖進尺，加強支護，做好監控量測工作，必要時可將上、下臺階進一步分臺階開挖并預留核心土支撐掌子面，同時可將左、右導坑分臺階開挖；左、右拱腰在開挖出先收斂，隨著拱頂位移的加大，拱腰向外擴張，混凝土反復受力，極易出現疲勞，此處也容易出現拉裂縫，應格外注意施工安全。

（3）最大主拉應力為0.029 MPa，遠小于地質報告提供的圍巖抗拉強度； 最大主壓應力為2.53 MPa， 也遠小于地質報告中提供的抗壓強度；且最大主拉應力及最大主壓應力均未出現在斷層附近，圍巖整體上穩定。 但在隧道上方斷層處拉應力及壓應力均比其附近圍巖地段要大，斷層處圍巖穩定性差，隧道開挖易發生坍塌。 建議采用雙排注漿小導管對斷層段進行超前支護以達到加固地層的目的，同時又可起到超前錨桿支護的作用，從而有效控制地層變形，確保隧道順利通過斷層區段。