復雜地質條件下隧道穿越斷層破碎帶施工技術

摘要：為提高斷層破碎帶隧道施工的圍巖應力，保障施工安全并促進施工質量的全面提升，開展復雜地質條件下隧道穿越斷層破碎帶施工技術研究。通過論述超前復雜地質施工預報、隧道穿越斷層破碎帶開挖、堵水排水作業、隧道周邊超前帷幕注漿施工等技術，提出一種全新的施工技術。仿真實驗結果表明，新的施工技術在仿真施工環境中可有效提升圍巖應力，促進了施工整體質量提升。

關鍵詞：復雜地質;斷層隧道;穿越破碎帶;施工技術

0" "引言

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，地下工程尤其是這一領域當中的隧道工程，逐漸成為工程施工領域施工人們重點關注的對象。采用傳統建設方式開展隧道工程項目，能夠實現對山嶺的貫穿，不僅能夠有效縮短里程，同時也能對自然生態環境起到一定的保護作用[1]。

從我國現有以及正在建設的隧道工程可以看出，當前研究人員針對隧道施工的研究，多將重點放在如何有效減少復雜地質條件對隧道施工造成的影響，如何在施工過程中將損失降低到最低[2]。現有技術雖然對一般地質條件下的隧道工程進行有效施工，但對處于復雜地質條件下的斷層和破碎帶上隧道工程則存在諸多不足。

對于這種結構復雜多變的隧道工程，相關技術人員需針對實際建設目標以及各結構的含水量、寬度、斷層結構填充物等相關地質特征因素進行全面考量。基于此，本文針對復雜地質條件下，存在斷層破碎帶的隧道施工技術進行論述，以實現對斷層破碎帶的合理施工，保證圍巖施工強度。

1" "超前復雜地質施工預報

斷層破碎帶是指由于斷層兩盤相對運動、擠壓，形成的與斷層面大致平行的破碎帶。其屬于不良地質，在山嶺隧道開挖過程中較為常見，隧道在穿越該不良地質時，如施工不當極易造成洞內塌方甚至冒頂事故，嚴重威脅洞內人員和機械安全。

由于在復雜地質條件下，針對斷層破碎帶進行隧道施工具有復雜性、隨機性和突發性的特點，因此在施工前需要先對其進行施工預報。考慮到各類儀器設備的精度會受到施工條件、施工環境等因素的影響，因此在施工前的地質勘查階段，需要確定斷層破碎帶在隧道當中的具體范圍、具體位置，以及后續實際施工時所處位置的相差情況，以避免產生漏查問題。

在勘查過程中，可選擇基于多種物探技術的方式實現此目標[3]。首先，針對需要穿越的斷層破碎帶厚度進行調查，引入地震儀設備，并對設備運行過程中產生的信號進行詳細記錄。根據不同頻率對信號波動變化速度進行分析，并將其代入到公式（1）中，實現對斷層破碎帶厚度的計算：

H=λ/2=ν/2f （1）

式中：

H——隧道穿越斷層破碎帶的厚度;

λ——信號在傳輸過程中的傳導系數;

f ——信號傳輸頻率。

按照上述操作，完成對斷層破碎帶厚度的計算后，再結合超前鉆探技術和超前平導技術等，實現對復雜地質施工的直接預報。通過超高頻、窄脈沖電磁波探測裝置，利用發射天線向隧道施工周圍發射電磁波信號（頻率通常在1.5～1.8Hz范圍內），利用雷達裝置向被探測的目標發生電磁脈沖。

當電磁脈沖遇到被探測目標時會被反射。將反射的時域波形進行采集、處理和分析，以此確定被探測目標的具體結構。將所有采集到的資料進行匯總，并為后續施工提供依據，便可實現對隧道施工的超前復雜地質施工預報。

2" "隧道穿越斷層破碎帶開挖

考慮到隧道施工區域范圍內存在斷層破碎帶，為實現對其穿越施工，要對其開挖工藝進行選擇。選用上下臺階預留核心的土方開挖工藝時，在上導洞開挖過程中易出現集中巖體破碎現象。為了確保實際施工時的安全性，在開挖前對其進行隧道穿越斷層破碎帶開挖模擬，按照圖1所示的流程完成整個模擬過程。

在數值計算模型基礎上，按照圖1所示的流程，對實際工程數據進行歸納和整理，并根據圖1中各個流程具體內容，實現對開挖整個過程的模擬。在模擬過程中，針對受力情況、位移情況以及初期支護位移應力情況進行分析[4]。在分析結果基礎上，確定開挖方案，并開展實際開挖工作。在實際施工時，還應當考慮隧道整體圍巖的實際特征。

為了方便論述，以某隧道工程項目為例進行分析。已知所選擇的隧道工程項目當中，包含碎塊狀的巖石結構，并具有典型的斷層破碎帶特點。針對這一施工條件，確定斷層影響范圍在35～45m范圍內。在施工過程中，按照排水治水的施工原則。

在開挖過程中，將隧道斷層破碎帶當中的積水全部排出，同時注意開挖距離，防止開挖距離過長，造成隧道坍塌的問題。受斷層影響，隧道掌子面節理裂隙發育、破碎，風化強烈，地表容易出現一些滑坡、崩塌等現象。地形地貌表現為串珠狀山脈及溝壑。隧道斷裂帶淺埋層縱斷面如圖 2所示。

3" "堵水排水作業

完成上述施工作業后，進行破碎帶的堵水與排水作業。此環節是工程施工中的關鍵步驟，在施工中需要嚴格遵循“以排為主”的原則，進行施工作業。在具體施工中，進行作業區域涌水量的監測，當每小時的涌水量≥10m3時，需要采取對應的注漿堵水處理。處理時，可采用局部輔助全斷面的預注施工操作。針對集中施工區域，可采用長度在10m左右的小分段進行超前注漿施工，并輔助使用水玻璃作為注水漿液與施工材料。

在完成施工后，部分地下水會被攔截在施工開挖面外部，通過此種方式，可以降低一部分的涌水量，從而為后續的支護施工與開挖施工提供保障。為了確保排水施工達到更優質的效果，可在施工中選擇分段排水施工方案。具體如下：在施工段中每間隔300m的位置，設置一個抽水閥，抽水閥與泵站連接。結合工程施工中可能存在的危險與緊急事故，在每個設置的工程節點位置，增設一個抽水閥或抽水泵，以此種方式，進行緊急事故的規避。

為了方便后續作業，需要在工程項目實施中，需要配備足夠的抽水設備。一旦工程施工管路某節點出現設備故障或異常時，可以使用備用的抽水設備，或對故障設備進行更換，以確保抽水作業的連續性與可靠性。

4" "隧道周邊超前帷幕注漿施工

完成上述對施工現場的處理后，需要對工程施工中的掌子面進行圍巖鉆孔與壓漿處理。當漿液完全與巖體間隙呈現填充狀態后，對施工區域進行靜置處理，確保注漿材料凝結。為了提高工程的密實度，需要引進帷幕施工模式，對涌水口進行加固處理。注漿時，可在卡瓦區域外部建立一個足夠厚的止水層，避免在開挖過程中隧道下部地下水大量涌入，對工程安全性造成威脅。

在施工時，需要結合工程的具體要求，合理地選擇注漿材料，并做好對施工區域隧道巖石穩定性、地區水文地質特征與構造結構的勘察，在確保施工數據真實與可靠的前提下，優選凝結時間可調的注漿材料[5]。

通常情況下，隧道超前帷幕注漿施工的有效長度需控制在30～40m范圍內，每次開挖約為30m，并在每區段施工中預留5～7m的長度，將其作為下一循環施工的止漿盤。按照此種方式施工，應注意對注漿孔進行編號，以此保證注漿有序，確保在預設周期內達到穩定性與牢固性的施工效果。

5" "仿真實驗

為了進一步驗證上述施工技術在實際應用效果，以某隧道工程性項目為例進行仿真試驗研究。將該工程項目當中的相關數據匯總，并導入到實驗仿真軟件當中，初步實現對隧道施工的建模。模擬施工流程如下：第1步進行隧道開挖前圍巖初始應力場分析;第2步進行隧道開挖、施作錨桿和初期支護[6]。

已知該隧道工程項目為典型斷層破碎帶施工項目，按照本文上述施工方案對其進行施工模擬，并在這一過程中選取5個開挖區域。為了方便論述，將其分別編號為I、II、III、IV、V，針對5個區域的應力變化情況進行記錄，并將其模擬后的應力數值大小變化情況作為評價指標。

已知在該工程項目當中隧道圍巖的應力標準為不小于15.0MPa，否則在施工中會出現嚴重的隧道坍塌事故。利用公式（2）對5個區域的隧道圍巖應力進行計算：

式中：

F——隧道圍巖應力;

ω ——圍巖應力作用下產生的撓度;

EI——圍巖應變強度;

a——應力作用點到沿途隧道地基中心點的距離;

x——斷層破碎帶結構厚度。

x的數值可通過上述公式（1）計算得出。在實際計算過程中，x的取值范圍在0～a范圍以內。根據上述公式，將5個不同區域的隧道圍巖應力計算出來[7]，并將其繪制成如表1所示的實驗結果記錄表。

從表1中記錄的數據可以看出，按照本文上述設計的施工技術完成施工模擬后，得到的圍巖應力模擬結果，均超過了標準應力數據的下限要求。通過上述模擬仿真模擬實驗能夠證明，本文提出的施工技術在實際應用中，可實現對斷層破碎帶的合理施工，保證了圍巖施工強度，在確保安全施工的前提條件下，顯著提高了施工質量。

6" "結束語

為提高斷層破碎帶隧道施工的圍巖應力，保障施工安全并促進施工質量的全面提升，對復雜地質條件下隧道穿越斷層破碎帶施工技術進行研究。通過闡述超前復雜地質施工預報、隧道穿越斷層破碎帶開挖、堵水排水作業、隧道周邊超前帷幕注漿施工等技術，提出一種針對復雜地質條件下的斷層破碎帶隧道施工技術，并通過仿真實驗的方式證明了該方法的實際應用可行性。在今后的研究當中，還需綜合考慮施工單位的效益問題，并在滿足上述施工標準同時提高施工效率，以使該項施工技術能被更加廣泛地應用在隧道施工中。

參考文獻

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