隧道斷層破碎帶加強初期支護研究與應用

李曉宏

（山西二建集團有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

保障交通、提高交通運行效率對促進經濟發展來說具有重要意義，隨著我國交通工程建設事業的不斷發展，隧道工程的建設規模也不斷擴大。但隧道工程施工中需要面對的地質環境十分復雜，如何提高隧道工程的施工質量和施工安全早已成為眾多工程建設人員思考的重要問題，以實際工程經驗為例探討工程技術，對提高我國隧道工程施工技術水平具有積極促進作用。

1 工程概況

本文以太行山一號國家觀光旅游路平定段建設項目為例，娘子關—固關環線（程家—槐樹鋪）段第四合同段，太行山一號國家觀光旅游路平定段建設項目娘子關固關環線（程家—槐樹鋪）段第四合同段位于平定縣娘子關鎮程家村東石太鐵路橋下，與鄉道033相接，路線向南沿白蹄溝布線，穿越1座隧道后，經過嶺后村、槐樹鋪村，下穿太舊高速公路后至本項目終點，路線終點位于平定縣柏井鎮槐樹鋪村東南，與國道307相交，路線全長13.286456km。

全線采用四級公路技術標準，設計速度20km/h，路基寬度4.5m，隧道凈寬采用8.5m。本標段線路全長全長1.3km，起終點樁號為K9+320~K10+620，包括路基土石方、涵洞、漿砌擋墻防護、混凝土擋墻防護、排水溝及急流槽、路面結構層為水穩層（20cm+20cm）+中粒式瀝青5cm、蓋板涵洞3道、青龍山隧道長218m，凈空8.5m×5m，明洞11m、V級圍巖109m、Ⅳ級圍巖98m；波形護欄734m，交通標識牌14處；綠化面積1157m2。本文以此為例，對隧道斷層破碎帶加強初期支護進行深入研究。

2 工程地質條件

2.1 地層巖性

平定段建設項目所在區域中地層巖性非常復雜，進口附近為第四系上更新統坡洪積（Q3dl+pl）新黃土夾砂礫石，洞身范圍為太古界馬市口組（Arm）麻粒巖、黑云母斜長片麻巖、磁鐵石英巖及太古界下白窯組（Arm）淺粒巖，局部可見基性輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。斷層破碎帶地段分布為構造擠壓破碎巖與泥質夾層。

2.2 地質構造

娘子關固關環線隧道洞身穿越地區地質構造情況復雜程度較高[1]。地質構造行跡的變化主要受前震旦紀、中生代和新生代構造運動的影響，三期地質構造運動分別對當地地質構造產生了深遠的影響，最終構成以斷裂為主、存在小規模褶皺，巖漿活躍度高的地質構造表現。

2.3 地下水特征

娘子關固關環線隧道地區地下水以基巖裂隙水和構造裂隙水為主[2]。其中基巖裂隙水主要賦存在節理、構造裂隙、斷裂破碎帶中，并可進一步劃分為基巖裂隙潛水和承壓水，基巖裂隙潛水通常廣泛分布在較淺地層中；該段承壓水的產生原因主要是因為多期構造運動造成隧道圍巖節理以不同趨勢發育，軟弱破碎帶因受到不同時期構造運動的影響，內部被沿脈切割和侵入，導致軟弱破碎帶中的出現大量斷層泥或構造夾泥層，隔斷地下水的正常流動，進而發展成層位隔水和層位含水穿插存在的地下水構造區域，地層局部含有承壓水。在工程建設前期地質勘察階段，結合地質勘察報告計算出隧道用水量數值，隧道涌水值范圍在16013~61157m3/d范圍內，其中塌方段最大涌水量約為17688m3/d。

3 隧道斷層破碎帶變形問題分析

3.1 圍巖變形過程

娘子關固關環線隧道工程施工至DK29+376～406段后，掌子面出現涌水和溜渣現象，施工隊伍立即采用混凝土噴射方式對掌子面進行處理和加固。工程繼續推進，10d后在施工人員套拱施作時，涌水量突然增大，造成初期支護結構和混凝土結構嚴重受損，部分位置嚴重變形伴隨塌方現象。直到20d后，涌水量有所緩和，施工人員開始逐步實施加固換拱作業。

3.2 變形原因

通過多方驗證，認為隧道施工中出現變形主要是在巖性特點、結構面特征、多期構造運動產生的深遠影響和地下水流動幾項因素共同作用的下引發的[3]。娘子關固關環線隧道工程所帶區域巖系主要是從中酸性淺層巖變質所得，通過檢測發現自然狀態下變質巖單軸抗壓強度為0.22MPa，風干狀態下單軸抗壓強度為1.8MPa。構造擠壓破碎帶的軟化系數Ks＜0.22/1.8=0.12。不僅自身強度低，而且工程性較差，同時多期構造運動造成巖體內泥質夾層和斷層泥含水量高，容易發生塑性變形。結構面中含有發育水平很高的擠壓破碎帶，擠壓破碎帶中含有斷層泥及構造泥質夾層、壓碎巖等多種結構，雖然干燥時具有較高強度，但遇水后會快速崩解，隧道開挖過程中使結構面中含水量發生變化，造成涌水量突然增大的情況[4]。

4 隧道斷層破碎帶加強初期支護應用

4.1 錨桿及初期支護結構處理

錨桿設計是經過大量工程驗證對隧道工程具有良好支護效果的受拉構件，強化錨桿質量，提高錨桿施作質量，能有效改善圍巖變形情況[5]。

4.2 注漿加固處理

娘子關固關環線隧道塌方路段主要表現為右側臨時擋墻后松動巖體塌方，經專家商議后，決定采用外堵內固注漿方法加固巖體，通過連續注漿建造止水帷幕，攔截地下水，避免巖體在地下水的沖刷下再次發生松動或塌方，止水帷幕的建造能有效提高初期支護的穩定性，并在兩端設置泄水孔，及時排出積水。泄水孔的建造材料采用φ42mm、長為6m的小導管，導水管設置間距為1.5m×1.5m，泄水孔設置間距為3m×1.5m。止水帷幕注漿材料是由多種材料共同構成，主體材料為硫鋁酸鹽水泥單液漿，同時配合少量普通水泥[6]。

4.3 增設臨時擋護墻

在塌方路段右側增設臨時擋護墻，以保障隧道工程和施工人員的安全性。擋護墻材料選用I16b型鋼，鋼架安裝間距設為1.2m，澆筑作業間隔為4m，待臨時擋護墻混凝土澆筑結構達到設計強度后，拆除和更換發生破損的仰拱。共設計三種臨時擋護墻施工方案，各施工方案優缺點對比如表1所示。

表1 臨時擋護墻施工方案對比

全面考慮各施工因素的優缺點后，最終選用第二種施工方案。

4.4 加強初期后換拱

拆除塌方段段止漿墻后進行換拱作業，并利用掛板混凝土對初期支護結構進行強化，混凝土注漿厚度為30cm。再對塌方段進行換拱處理，利用掛板混凝土進行加強支護，完成換拱后，須立即開展二次襯砌施工。

結合科學的施工方案，對塌方路段全段進行注漿加固、提高錨桿和支護結構的強度、增設臨時擋護墻、拆除后重新施作，再重新注漿塌方路段、逐段拆除，最終完成控制該段圍巖大變形的施工目的。娘子關固關環線隧道自完成施工通車后，始終處于良好狀態。

5 工程經驗總結

（1）娘子關固關環線隧道斷層破碎帶在施工過程中出現大面積塌方和變形的原因較多，主要是因為隧道工程所處位置地質環境和地下水分布情況復雜程度較高，圍巖在巖性特點、結構面特征、多期構造運動產生的深遠影響和地下水流動幾項因素共同作用下出現松弛和破裂，最終出現塌方和變形情況[7]。由此可知，在實際隧道工程施工中，必須預先對工程建設區域的地質條件、地層結構、巖性結構、地下水分布情況等進行充分地勘察，使工程設計人員能全面地掌握工程建設區域的地質數據，在施工過程中采取科學的方式封堵和排出地下水，降低地下水對隧道工程結構的影響，避免其產生聯通，并盡快使初期支護封閉成環，縮短二次襯砌間隔時間，規避隧道開挖面中巖體出現力學上的變化，保證巖體始終處于穩定狀態，才能最大限度減少隧道塌方事故的出現概率。

（2）當隧道工程在施工過程中出現塌方變形情況后，應綜合性考慮強化支護結構、排堵地下水和注漿加固等因素，避免采用難以全面應對塌方事故的單一應對措施[8]。

（3）隧道工程發生塌方或變形情況后，應增設必要的臨時擋護墻結構，既能有效減少地下水繼續發展影響后續施工，又能為施工人員提供安全的施工作業環境。先利用臨時擋護墻對變形塌方路段進行隔離，繼續隧道掘進作業，在整體結構穩定后對塌方變形段盡心迂回處理。迂回處理作業中，使用針對性較強的注漿作業方式，待注漿部分達到工程設計強度后，再以分段拆除換拱的方式進行處理，既能減少對隧道工程正常施工的影響，保證隧道工程在計劃施工周期內完成施工，保證工程建設成本，又能通過繼續掘進作業為處理塌方變形段提供更加寬闊的作業空間，同時提高塌方處理的安全性。