隧道斷層破碎帶結構設計動態優化與輔助控制分析

劉海軍、張佳東、閔臣然

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著我國交通基建投資規模的不斷擴大，長大深埋隧道數量逐漸增多，而施工過程中不可避免地會穿越斷層破碎帶地層。由于該類地層巖體破碎、松散、裂隙發育，局部區域地下水豐富，超前支護注漿加固效果難以達到預期，加上開挖完成圍巖應力重新分布，隧道拱部及邊墻容易出現掉塊、坍塌、滲水等問題。受上述因素影響，初支完成后部分初支容易發生變形、開裂，甚至坍塌等問題；襯砌施工完成和運營期間表面也容易出現不同程度的網狀裂縫、滲水等病害。隨著隧道施工動態設計方案的不斷優化，以及輔助性技術措施的完善，上述問題在一定程度上有所改善，但仍有很大的改進和完善空間。

1 工程概況

毛栗坪隧道位于貴州省石阡縣境內，全長4691m，隧道設計標準為雙向四車道，建筑限界主洞寬10.25m，緊急停車帶凈寬13.25m，凈高5m。

隧道斷層破碎帶占隧道全長的12%，地層巖性上覆蓋層為第四系全新統坡積（Q4dl）碎石，下伏基巖為寒武系下統牛蹄塘—明心寺—金頂山組（∈1n+1m+1j）炭質頁巖砂質頁巖、炭質頁巖及杷榔組（∈1p）頁巖、灰巖夾炭質頁巖夾變余砂巖、頁巖夾炭質頁巖，震旦系上統燈影組（Zbd）灰巖、震旦系上統南坨組（Zan3），冰漬含礫砂巖及元古界上板溪清水江組（Ptbnb1q）變余砂巖。

隧道進口段巖層產狀約298°∠29°，洞身段巖層產狀變化較大，出口段巖層產狀約320°∠25°。

隧道區推測K36+150 處發育斷層F13，與路線走向大角度斜交，根據地質調繪及物探解譯，該斷層影響寬度約130～180m，屬逆斷層；ZK38+010 處發育斷層F14，與路線走向近似垂直，根據物探解譯，其影響寬度約150～180m；ZK38+740 處發育斷層F15，與路線走向近似垂直，根據物探解譯，其影響寬度約200m。斷層周邊巖體極破碎，呈散體狀結構，受構造影響，局部發育小型支斷裂。

隧道通過區地表溝谷均為季節性流水溝，受大氣降水影響較大，局部段落地貌呈馬鞍狀凹型地形，構造淺埋段節理裂隙極發育，地表水易沿裂隙面滲入，易形成突發涌水。

2 原設計支護、防排水、襯砌及實施過程中存在的問題

2.1 原設計支護、防排水、襯砌結構

第一，超前支護采用長4m，外徑φ42mm，壁厚4mm，熱軋無縫鋼管加工制成，超前小導管施工時，第一、二排鋼管分別以10～15°，30°外插角打入圍巖，環向間距為40cm，縱向排距為200cm；注漿漿液采用水灰比1∶1 的水泥漿液（可適當摻入水玻璃），注漿壓力0.5～1MPa。

第二，開挖采用臨時仰拱環形預留核心土施工方法。

第三，綜合防排水，采用土工布+1.5mm 厚EVA防水板結合環向6～10m 布設φ50mm 的打孔波紋管，通過三通接入φ100mm 的縱向盲管，然后再通過φ100 橫向導水管接入中心排水溝排出洞外。

第四，襯砌類型采用S-Ta，鋼拱架采用I20b 鋼拱架，間距50cm，28cm 厚噴射混凝土，徑向采用φ42×4mm 注漿小導管，間距50×120mm（縱×環）梅花形布置，主筋為φ25mm，55cm 厚的C30 鋼筋混凝土，15cm預留變形量。

2.2 實施過程中存在的問題

在隧道穿越斷層破碎帶地層施工過程中，開挖環節發生過掌子面涌水、坍塌問題，支護出現過不同程度的變形，襯砌局部出現過不同程度的裂縫。以K36+150 為典型代表地層，經第三方超前地質預報及超前鉆孔揭示，該地層圍巖為炭質頁巖，薄層狀，層厚5～30cm，節理裂隙發育，圍巖破碎，自穩能力差，地下水呈股狀涌出。原設計超前支護施作完成后，開挖拱部局部掉塊、坍塌，超前小導管加固周邊呈大塊狀，其余為散塊狀，遇水軟化呈泥塊狀，經過回填洞渣反壓，進行二次超前管棚結合小導管加固。二次開挖期間，局部仍有裂隙水滲出，局部超前支護之間坍塌掉塊。在48d（d 表示天）內初期支護完成25m 后，連續10d 監控量測數據顯示，拱頂最大沉降速率15mm/d，累計沉降達120mm，水平收斂速率最大為12mm/d，累計收斂達95mm，且未趨于穩定，支護表面出現不同程度的鼓包、開裂、脫皮現象，掌子面左側初支變形嚴重，鎖腳錨桿帶加固巖體拔出，左側初支鋼架扭曲嚴重，出現坍塌。在對其余未趨于穩定的支護增設臨時護拱及鋼架，并采用φ42×4mm 注漿小導管進行徑向二次加固處理后，變形趨于穩定。經加固后，處理掌子面左側坍塌體，在監測數據穩定后，依次拆除變形加固段落護拱及鋼架，經斷面儀測量發現，局部斷面出現了初期支護侵入襯砌現象，部分初支表面局部位置的裂縫還有地下水滲出，監測數據穩定后，對侵入襯砌的初支進行拆換拱處理。地層圍巖及拆換拱情況見圖1、圖2。

圖1 隧道開挖后地層圍巖

圖2 拆換拱

3 支護、綜合排水系統及襯砌結構設計優化與施工輔助性措施

針對毛栗坪隧道斷層破碎帶地層，開挖前通過超前地質預報預測、超前鉆孔方式，驗證前方巖體狀況和地下水發育情況，對工法、支護、綜合排水系統及襯砌結構進行動態優化設計，并采取施工輔助措施進行控制。

3.1 支護、綜合排水系統及襯砌結構設計優化

加強超前支護，使一次超前支護延伸；在涌突水嚴重時，采用全斷面或局部超前預注漿方式加固掌子面，以有效防治涌突水；改變開挖工法，加大預留變形量，防止初支變形穩定過程中累計變形量超出預留沉降量，侵入襯砌；支護采用大剛度型鋼加工拱架或采取雙層拱架支護，增加初支剛度；完善排水系統，對于滲涌水嚴重的出水點，采取直接引排的方式；縮短襯砌鋼筋間距，增加襯砌厚度，提高襯砌的整體剛度。

第一，考慮到斷層破碎地層破碎段落長，巖體裂隙發育、呈碎塊狀，裂隙水又發育，局部有股狀水，結合巖體遇水軟化，超前注漿不均勻，且加固范圍局限，決定采用超前中大管棚+小導管超前支護方式（見圖3），在涌突水嚴重時，采用全斷面帷幕注漿或局部注漿方式[1]。如此，可有效解決掌子面掉塊、垮塌、涌突水等問題。

圖3 超前管棚及雙層超前鋼花管縱向布置

第二，改變開挖工法。采用臨時仰拱環形預留核心土法、CD 法或CRD 法進行施工，這樣能使開挖面早支護，盡快封閉成環。另外，松散的硬質巖及泥土質地段，采用機械開挖，并輔以微量弱爆破方式開挖；巖石地段采用控制爆破技術開挖。

第三，將預留變形量加大至25～35cm，增加圍巖的自穩空間和巖體遇水膨脹變形空間，為雙層支護提供足夠的空間。

第四，初期支護采用I20b 以上規格型號工字鋼，或根據預留變形量，第一層采用I20b 型鋼+28cm 噴射混凝土，第二層采用I18 型鋼+26cm 噴射混凝土進行支護，加長鎖腳錨桿，增設深孔鎖拱錨桿，確保錨桿錨固在相對完整或加固的巖體上。

第五，優化排水系統。在涌突水地段，加大、加密布置環縱向排水管，對集中出水點進行單獨引排；計算涌水流量，在隧道中心排水溝無法滿足排水需求的情況下，增設排水溝進行引排。

第六，將襯砌結構主筋調整為規格φ28 或φ32的鋼筋，襯砌厚度調整為60cm，提高襯砌的剛度。

以上數據僅為參考，具體數據根據實際圍巖狀況，經設計、計算確定。

3.2 施工輔助性措施

3.2.1 超前地質預報

通過TSP 超前地質預報系統、地質雷達、紅外探測儀等進行隧道地質超前預報[2]。預測掌子面前方斷層破碎帶地層及地下水情況，并結合已施工斷層破碎帶地層經驗，判斷掌子面周邊圍巖的情況，為提前確定支護、防排水系統及襯砌參數提供參考。

3.2.2 監控量測

在正常段按照規范要求進行監測（具體數據見表1）。在特殊地段，由于巖土材料的物理力學特性有一定的復雜性和特殊性，在支護完成后，圍巖自穩過程中，巖體受力狀態是動態的，加之受地下水影響，力學特性隨之改變，需要及時布點、監測，并分析監測數據，同時結合洞內已支護段的觀測情況，確定和動態調整設計支護參數及施工方法。

表1 周邊收斂和拱頂下沉量測頻率

3.3.3 臨時結構措施

通過增設臨時中隔壁或臨時仰拱，使結構盡早封閉成環，對于超挖拱腳及遇水浸泡軟化的拱腳，增設鋼墊塊或混凝土墊塊，也可通過增加大拱腳拱架，拱腳基底處理（必要時增加鋼管基礎），噴射混凝土+鋼拱架等輔助性措施，進行控制[3]。以斷層破碎帶增設I20 工字鋼+4cm 噴混護拱Midas-GTS-NX 護拱加固模擬計算模擬為例，護拱施作完成，拱頂沉降基本穩定，得出護拱鋼架的最大軸力位于拱頂處，結構軸力最大值790.5kN，彎矩最大值22.28kN，剪力最大值43.4kN，按受壓結構計算得出，鋼架壓應力最大值約為201MPa，小于鋼材強度抗拉/抗壓強度設計值215MPa，滿足要求。

4 實施效果驗證

根據地質情況進行動態設計優化，并采取施工輔助性措施，目前開挖過程中掌子面坍塌、支護變形等問題基本能得到控制，且大部分段落變形在趨于穩定的過程中，速率、累計變形均在規范允許范圍內，綜合排水系統更加完善，局部涌水點可直接排水，能夠襯砌后的水壓，襯砌表面裂縫等病害也隨之減少。

5 結語

上述隧道穿越斷層破碎帶地層施工中，根據地質勘測報告、開挖揭露的地質情況，在原設計支護、防排水、襯砌有針對性地進行動態設計優化，輔以施工中超前地質預報、監控量測結論采取臨時仰拱、增大拱腳等施工輔助性措施，使隧道開挖風險降低，綜合排水效果及襯砌得到動態優化，安全質量在一定程度上得到了保障，但在設計和施工措施上仍有優化和改進的空間，在后續隧道施工以此作為基礎，為同類工程提供優化參考。