針對常規公路隧道通過斷層破碎帶施工技術分析

吳雙

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西西安710065）

0 引言

對于施工線路長、埋設深度大的公路隧道，往往勘測難度較大。斷層破碎帶段落一般因施工環境差、工期緊，所以在施工中易發生突發狀況，造成各種災害，如塌方等，致使施工過程中的安全與質量難以保證。基于此，針對公路隧道工程如何安全穿越斷層破碎帶進行了深入分析，希望能夠進一步促進我國交通事業的穩定性。

1 地質條件和斷層破碎帶施工的重點、難點

1.1 地質條件

一般在隧道的進口或隧道圍巖較差段落地質因素復雜，容易出現斷層破碎帶。隧道主要由破碎巖、壓碎巖所組成，一般為一條侵入巖體擠壓斷裂帶[1]。兩側地形及地層產狀突變，斷層埡口發育，影像上呈線性影像特征。地質勘測資料顯示，如果在施工過程中，隧道斷層破碎帶段存在巖體破碎、圍巖等級較低且裂隙水發育，遇到雨期和冰雪融化季節，掌子面可能呈淋雨狀或股水狀出水。再加上泥巖受到地表水等因素的影響而變軟，從而使隧道穩定性受到影響。由于斷層破碎帶地質特點一般表現為大流量突涌水和突泥，所以一定要多加注意。

1.2 施工中的重點、難點

巖體受地層擠壓均勻，處于最初受力狀態，在隧道斷層破碎帶開挖前基本處于靜止狀態。如隧道在開挖過程中，圍巖的約束通常會被解除，初始應力狀態被打破，還會因為受干擾而打破施工的平衡性。在隧道開挖支護結束后，應力也會在圍巖上重新進行分布，然后進入新應力狀態，這個時候圍巖會通過變形，處于更加平衡的狀態[2]。

在隧道穿越斷層破碎帶時，在爆破作業的擾動下，隧道洞壁和掌子面圍巖容易發生坍塌，對人員和設備產生安全風險。如發生塌方且方量較大時，在沒有安全生產事故發生的情況下，還會影響施工進度，增加工期和施工成本。一般在隧道的進口、洞身圍巖較差處容易出現斷層破碎帶，斷層巖體軟弱破碎、巖石強度低，并且實際的埋深也較淺，不能夠承受開挖中快速變大的應力，這會導致塑性變形，其中的高應力也會慢慢向深部轉移。

2 通過斷層破碎帶可采用的相關技術

2.1 CD 法的應用

隧道洞口段容易出現斷層破碎帶，如發現洞口段斷層破碎帶，就可以采取地表注漿技術或帷幕注漿技術。根據現場勘測實際情況及施工情況、圍巖破碎程度等，可選用上述一種或同時使用兩種注漿技術[3]。在開挖前采取超前支護，洞口段斷層破碎帶超前支護一般采用φ42×4 注漿鋼管（雙層），對于鋼管的處理，可選用小導管尖頭加工機進行削尖處理，還要用等離子小導管打孔機進行開孔。同時，按照設計規范注水泥漿，穩定圍巖，為安全開挖提供條件。

采用CD 法開挖施工過程中，開挖后應及時進行相應的初期支護、二次襯砌，具體施工參數見表1。

表1 CD 法施工參數表

以圖1 為例，按照右上、右下、左上、左下順序進行分區域開挖，各區域開挖后施作相應的初期支護和臨時支護，先完成掘進一側的初期支護，待噴漿強度達標后再進行另一側施工。左、右兩側導坑掘進工作面縱向間距不應小于15m，掘進形成全段面時，應及時完成初期支護的閉合，并按時進行仰拱施作，再進行回填仰拱和二次襯砌。中隔壁的臨時支護則以60cm間距的I20A 工字鋼作為加強支護，并以φ22 鋼筋連接，環向距離為100cm，中隔壁臨時支護與主洞永久支護工字鋼要進行牢固焊接，再進行二次襯砌施工時才能進行分段拆卸。

圖1 CD 法襯砌結構參考圖

2.2 預留核心土法的應用

通過超前地質預報探測隧道斷層破碎帶圍巖地質情況，當隧道施工至斷層破碎帶附近時，通常需實施雙層小導管進行超前加固，為加強圍巖穩定性，提高巖體抗結構彈性，改善結構受力條件，需進行超前注漿[4]。超前小導管通常是由外徑φ42mm、壁厚4mm、長400cm 的熱軋無縫鋼管加工而成，并將前段鋼管加工成圓錐形，尾段用φ6mm 鋼筋加強箍焊接，管壁注漿孔為φ6mm。雙層小導管上下錯落排列，鋼管環向間距40cm，縱向排距240cm，尾端落在鋼架上，兩層斷面間隔、拱部120°范圍布置。一般注漿材料采用純水泥漿，參數可初步擬定為水灰比W/C=0.6-0.8、水泥漿/水玻璃=1∶0.05（體積比）、水玻璃濃度=35-40Bé、水玻璃模數m=2.4、注漿水泥強度等級42.5。當裂隙水或地下水較大時，采用水泥-水玻璃漿。按先上后下、先單漿后雙漿、先稀后濃、壓力一般在0.5～1MPa 的原則進行注漿。超前小導管主要是控制圍巖變形，防止圍巖垮塌、掉塊，然后提高圍巖的整體性和強度，主要利用其懸吊和組合梁的作用。如圖2 所示為超前加固參考圖。

圖2 超前加固參考圖

提前加固完成掌子面后，可采用環形開挖預留核心土法進行斷層段開挖施工。一般環形開挖預留核心土法將斷面分成3 段，即環向拱部、上部核心土、下部臺階。環形拱部根據斷面大小，再分成若干塊交替開挖。利用核心土對掌子面施加壓力，其核心就是穩定掌子面圍巖。如表2、圖3 所示，可做施工參數參考。

圖3 環形開挖施工參考圖

表2 預留核心土法施工參數表

當采用環形開挖預留核心土法穿越斷層破碎帶施工時，應先按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ順序開挖上斷面，隨后進行初期支護①，再開挖上斷面核心土Ⅳ，下斷面Ⅴ、Ⅵ要跳槽開挖，后續及時對②、③位置進行初期支護，全斷面開挖結束后，做仰拱④，回填仰拱⑤，最后進行二襯混凝土⑥施作。下斷面初期支護雙側要交錯落底，避免上半斷面兩邊拱腳同時懸空。一般情況下根據圍巖情況決定單側每次落底的長度，通常不大于3m。上斷面開挖進尺宜在0.5～1m 范圍內，核心土面積要大于等于全斷面面積的50%。

3 斷層破碎帶安全穿越施工要點

3.1 明確施工原則

結合設計及施工要求，更加安全地穿越斷層破碎帶。操作方法需要與各個施工的工序保持協調性和統一性，主要是為了提高施工效果的同時，減少對周邊圍巖的影響及塌方等情況的發生。嚴格按照“管提前、嚴注漿、弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、快反饋”的原則。對于單次的爆破施工，其中開挖深度最好保持在0.5～1m，保證后續施工安全。

3.2 加強超前地質預報

通過超前地質預報手段，如超前水平鉆孔、地應力測試等，考慮巖體流變損傷的劣化作用，對隧道斷層區段的變化規律進行分析，并建立大變形時空預報系統。利用TSP-203 系統和地質雷達等地質預報，配合超前地質鉆孔技術，不僅能有效實現遠距離和近距離相結合探測，還能夠及時掌握隧道前方地質情況，發現斷層破碎帶，快速制定處置方案，并且保證技術方案的針對性和合理性，為安全快速通過斷層破碎帶贏得寶貴時間，進而降低因斷層破碎帶等不良地質對施工人員、設備造成傷害，為隧道施工安全提供技術保證。

3.3 選取合理的爆破技術及工法

在對斷層破碎帶掌子面進行處理時，通常會選用控制爆破（微震爆破）技術。在此施工中，要科學設置炮眼，科學選擇爆破器。對于爆破所應用的炸藥，要選擇低爆速或專用的光爆炸藥，加強對振動疊加的預防，實現對雷管的分段化布置，不斷降低爆破地震的強度，從而減少安全事故的發生。

通過對斷層破碎帶分析，根據實際地質情況，也可選擇雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法、半斷面微臺階法等適當的開挖方法，并確保其合理性，做好工序銜接。在開挖結束后，要做到工序安排緊湊，圍巖迅速合攏，最大限度地減少外露時間，避免因外露時間過長而造成圍巖不穩定。

3.4 加強監控量測

監控量測包括監控拱頂下陷、凈空收斂等內容，并在同一斷面布設監控點，一般縱距為10m。當開挖至斷層破碎帶或其他不良地質段落時，監控量測點要加密布設，縱距不得大于5m。監控量測施工時，采用50m 鋼尺配合高精度電子水準儀監測拱頂下沉，采用收斂儀進行凈空收斂檢測。測量隊應對監測測量數據及時進行歸位分析，加大對地質不良地段的測量和監測頻次，如斷層帶等，確保隧道建設萬無一失。

3.5 加強有毒有害氣體監測

隧道施工屬于有限空間作業，隧道斷層破碎帶地質情況較為復雜，更需加強有毒有害氣體監測。隧道施工過程中，會產生瓦斯、硫化氫和一氧化碳等有毒氣體，這就需要加大檢測頻率。對于氣體密度，低于空氣密度的有毒與有害氣體，如甲烷等，要對區域的上部空間進行探測。此外，在對監測區域進行有毒有害氣體人工檢測時，通常采用全斷面檢測方式，檢測點位距離相關結構物表面不超過20cm。例如，當檢測結果表明甲烷濃度達到1%，或者二氧化碳濃度達到1.5%，或者硫化氫達到6.6ppm，或者一氧化碳達到24ppm 時，立即通知作業人員撤離至安全區域，并加強通風。待通風作業1 小時后，有關氣體濃度降低到安全濃度，才能重新投入生產。因此，要加強對有毒有害氣體的檢測，使隧道建設安全得到有效保障。

4 結語

綜上所述，要想提高公路隧道建設質量，滿足現代化施工的要求，需要在不同角度，分析相關的斷層破碎帶施工技術，掌握施工中的要點，明確相關的原則，加強對有毒氣體的檢測。借助預留核心土法、CD 法等，促進公路隧道工程的快速發展，讓其更加安全地穿越斷層破碎。