渝昆高鐵某隧道洞口段穿越破碎帶安全施工技術案例分析

劉渺

摘 要：【目的】隧道施工在穿越破碎帶過程中容易出現大變形，影響結構安全。【方法】針對在建渝昆高鐵華山松隧道項目的地質特征，通過現場監控測量及類似工程案例分析，采用“地質調查法+物探（TSP）+超前鉆探”等綜合超前探測手段，確定“中管棚+小導管”雙層超前加固，拱架型號提高、大直徑鎖腳及短進尺開挖等施工控制手段。【結果】結果表明：隧道拱頂最大變形量僅為20 mm，有效地控制了大變形風險。【結論】本研究可為類似工程安全施工提供借鑒與參考。

關鍵詞：隧道；穿越；斷層破碎帶；安全施工

中圖分類號：U452.28? ? ?文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0084-04

Abstract：[Purposes] The tunnel is prone to large deformation in the process of crossing the fracture zone， which affects the safety of the structure. [Methods] According to the geological characteristics of Huashansong tunnel project of Chongqing-Kunming high-speed railway under construction， through on-site monitoring and measurement and analysis of similar engineering cases， comprehensive advanced detection methods such as "geological survey method+geophysical prospecting （TSP）+ advanced drilling" are adopted， and construction control measures such as "middle pipe shed+small pipe" double-layer advanced reinforcement， arch model improvement， large-diameter locking foot and short footage excavation are determined.[Findings] The results show that the maximum deformation of tunnel vault is only 20 mm， which effectively controls the risk of large deformation.[Conclusions] This study can provide reference for the safe construction of similar projects.

Keywords：tunnel; crossing; fault fracture zone; safety construction

0 引言

隨著我國交通事業的快速發展，隧道工程作為交通線中最重要的組成部分，也呈現跨越式增長。地下工程前方圍巖性質的不確定性導致隧道施工過程風險較高，尤其是在隧道穿越不良地質段落時，這種安全風險愈發突出。目前，已有諸多專家學者針對隧道穿越斷層破碎帶開展研究。趙建國［1］依托某工程對隧道穿過淺埋破碎帶進行研究，提出隧道超前探測、地表加固、隧道開挖施工及隧道支護等優化調整的綜合施工技術。王東劍［2］結合橋上隧道穿越斷層破碎帶的工程背景，進行超前小導管加固措施參數研究。肖景紅等［3］研究了崗嶺小凈距隧道穿越破碎帶時圍巖穩定情況。部分學者［4-9］對隧道穿越破碎帶時支護結構及圍巖變形、受力進行了詳細的研究。然而上述研究大多針對隧道洞身段穿越破碎帶進行研究，鮮有針對洞口穿越破碎帶進行研究的，而洞口段有破碎帶時，大變形、塌方及突水突泥風險更高。基于此，筆者以在建渝昆高鐵華山松隧道為工程背景，開展隧道洞口段穿越斷層破碎帶施工技術研究。

1 工程概況

華山松隧道進口工區位于云南省會澤縣上村鄉境內，起訖里程DK568+780～DK572+115，全長3 335 m，進口段地表為深切河谷地形，地表自然坡度28°～32°，地面高程埋深5～265 m。進口段洞身主要巖性為第四系全新統坡殘積層（Q4dl+el） 粉質黏土、細角礫土、塊石土，滑坡堆積層（Q4del）粉質黏土，下伏侏羅系上下祿豐組（J2l-J2l）泥巖、砂巖，二疊系玄武巖（P2β），強～弱風化。在進口DK569+040～DK569+090區域為老那轟斷層，線路與斷層呈45°交角。該斷層破碎帶巖體破碎，穩定性較差，中等富水，開挖時易發生塌方、突水突泥風險。

設計該段落采用三臺階加臨時仰拱法施工，設[Φ]42 mm超前小導管，環向間距0.4 m，每環50根，縱向間距3 m，單根長4.5 m；I22a型鋼鋼架支護，全環設置，縱向間距0.6 m，鉆爆法開挖。

2 現場施工情況

2022年7月13日，華山松隧道進口上臺階開挖至DK568+975時，揭示掌子面圍巖為強風化玄武巖夾全風化玄武巖，節理裂隙極發育，巖體極破碎，呈碎石角礫狀松散結構，后續中臺階左、右側分別施工至DK568+960、DK568+965，下臺階左、右側分別施工至DK568+951、DK568+955。DK568+952拱頂監測點沉降速率最大為19.8 mm/d；DK568+962拱頂監測點沉降速率最大為15.7 mm/d；DK568+967拱頂監測點沉降速率最大為19.3 mm/d；DK568+972拱頂監測點沉降速率最大為17 mm/d，測點累積最大變形達170 mm，其測點整體變形曲線如圖1所示，在隧道左右邊墻部位均出現初支面開裂的情況，如圖2所示。

通過TSP探測得圍巖強度與掌子面位置基本一致，其中DK568+984～+995段節理密集帶發育，巖體極破碎，發育裂隙水，表現為滲水。結合超前地質預報結果及現場圍巖實際揭示情況，可以判斷進口段已提前進入F1老那轟斷層破碎帶，需要采取相關施工措施保證現場施工安全。

3 施工應對措施

3.1 加強超前地質預報

采用“地質調查法+物探（TSP）+超前鉆探法”的超前綜合地質預報手段，為現場施工提供精準可靠的地質信息，指導現場施工。

由于該段超前地質預報物探異常，實際揭示地質變化頻繁，掌子面出水位置也在不斷變化，施工中將超前水平鉆孔由原設計“1孔”調整為“5孔”，即在拱頂，兩側拱腰、兩側邊墻腳各設1處，共計5組鉆孔，孔深6 m，通過依靠鉆進速度的變化以及地下水涌水狀況、水壓、水量、顏色、水質等參數預測前方圍巖、地下水的變化，超前地質預報如圖3所示。

3.2 超前帷幕注漿加固

由于該段落斷層破碎帶富水，為避免出現突水突泥，采用超前帷幕注漿方式對開挖輪廓線外5 m范圍內進行注漿加固，具體如圖4所示。鉆孔孔徑為[Φ]108 mm，漿液采用普通水泥，封孔或突涌水時則采用水泥水玻璃雙液漿。

注漿順序整體按先外圈后內圈，同一圈孔間隔施工的原則進行。每一循環設5環注漿孔，注漿長度30 m，開挖25 m，保留不小于5 m的止漿巖盤厚度，其中第一循環注漿應提前做好止漿墻，以保證注漿效果和施工安全。注漿完成后，鉆取檢查孔進行驗證，檢查孔數應滿足總鉆孔數的3%～5%，且不得少于3孔，每孔長25 m，均取芯采樣，用于校驗單孔出水情況、巖體注漿的飽滿程度，注漿盲區應進行補注漿，以保證整體加固效果。

3.3 超前支護加強

采用“[Φ]76 mm中管棚+[Φ]42 mm超前小導管”雙層支護體系對掌子面前方圍巖進行加固。其中[Φ]76中管棚采用管棚鉆機打設，間距40 cm，外插角8°～10°，每環50根，單根長度9 m，搭接3 m，縱向間距6 m，鋼管采用熱軋無縫鋼管制成，管壁鉆注漿孔，孔徑8～10 mm，孔間距10～20 cm，呈梅花形布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于200 cm，作為不鉆孔的止漿段；[Φ]42 mm超前小導管采用YT-28風槍鉆孔，環向間距0.4 m，與中管棚穿插布置，每環50根，縱向間距3.2 m，外插角1°～3°，注漿材料采用純水泥漿，水灰比0.5∶1～0.8∶1。當圍巖破碎時，為調凝需要，可部分采用水泥-水玻璃雙液漿，要求漿液強度等級不小于M10。

3.4 支護參數加強

鋼架類型由I20b調整為I22a型鋼，間距由0.8 m調整為0.6 m；鎖腳錨管由[Φ]42 mm鎖腳錨管變為[Φ]76 mm鎖腳錨管，長度保持不變。

3.5 隧道開挖

隧道開挖嚴格按開挖一榀支護一榀的方式進行，其中中臺階臨時仰拱不小于4道，中下臺階左右間隔3 m，仰拱初支及時跟進封閉，其距離掌子面距離不得大于20 m，具體如圖6所示。

主要開挖過程：在上一循環的超前支護下，開挖①部（上臺階）—施作①部（上臺階）周邊的初期支護：初噴混凝土，鋪鋼筋網，架立鋼架并設置鎖腳錨管，復噴混凝土至設計厚度，鉆設徑向錨桿；挖②-1部（中臺階左側）—施作②-1部（中臺階左側）初期支護，具體做法為初噴混凝土，鉆設徑向錨桿，鋪鋼筋網，架立鋼架（設鎖腳錨管），施作中臺階左側半幅臨時仰拱，具體做法為架設臨時橫撐（每1榀初支鋼架設一處），鋪設鋼筋網，噴混凝土封閉臨時仰拱；同②-1部（中臺階左側）施工工序，開挖及支護②-2部（中臺階右側）；施作中臺階右側半幅臨時仰拱，具體做法為架設臨時橫撐A（每2榀初支鋼架設一處），與中臺階左側半幅拼裝閉合成環，鋪設鋼筋網，并噴混凝土封閉臨時仰拱；開挖③-1部（下臺階左側）-施作③-1部（下臺階左側）邊墻初期支護，即初噴混凝土，鉆設徑向錨桿，鋪鋼筋網，架立鋼架（設鎖腳錨管），復噴混凝土至設計厚度；同③-1部（下臺階左側）施工工序，開挖及支護③-2部（下臺階右側）；開挖④部-施作④部仰拱初期支護，即初噴混凝土，鋪鋼筋網，架設鋼架，復噴混凝土至設計厚度。

3.6 監控量測

三臺階法是在施工地段每個量測斷面處設置一個拱頂下沉測點，六個水平凈空收斂測點，監測點量測頻率均按2次/d進行，監控量測測線布置如圖6所示。

目前，華山松隧道進口段已開挖至DK569+000處，監控量測結果如圖7所示，可以看出，未采用相關加固方案時，各個拱頂測點變形速率及累積變形量都比較大，在一個月累積沉降量達到170 mm；采用加固方案處理后，掌子面后方測點977、982、987及992的累積沉降曲線變化相對較緩，測點沉降速率最大為3.3 mm，各測點一個月累積最大沉降為23 mm，并且已趨向于穩定，變形控制效果明顯。

4 結語

針對隧道洞口段穿越斷層破碎帶進行研究，提出在穿越斷層破碎帶時采用“地質調查法+物探（TSP）+超前鉆探法”的綜合超前探測手段，“中管棚+小導管”雙層加固措施，拱架型號提高、大直徑鎖腳及短進尺開挖等施工控制技術，隧道變形控制效果明顯，可以有效控制洞口段穿越斷層破碎帶時的大變形風險，可為今后類似工程安全施工提供參考。

參考文獻：

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