長大隧道穿越斷層破碎帶的施工方案研究

楊玉泉YANG Yu-quan

（中鐵二十五局集團第二工程有限公司，南京 210000）

1 概述

地質斷層破碎帶的圍巖屬于軟弱圍巖，其自支護能力比較弱，甚至沒有自支護能力，易發生隧道地質災害。在以往的隧道施工過程中，比較容易產生的5 種掌子面塌方現象：①在強風化圍巖中，如果伴隨著涌水情況的出現，可能會產生較大規模的掌子面塌方。②在有層理面的圍巖當中，如果出現層理面的強度較低、涌水較大的狀況，則可能在短時間內就會發生多次規模不一的掌子面塌方，也經常會出現瞬間發生大規模塌方的情況。③在斷層破碎帶中，由于圍巖破碎導致一次甚至多次規模不一的掌子面塌方。④由于砂層圍巖自穩能力較差，發生規模不一的掌子面塌方情況是比較常見的，還可能會發生小規模拱頂掉落的情況。⑤在互層圍巖中由于裂隙水的涌出導致塌方，塌方的時間一般發生在掌子面涌水狀況出現大幅度變化的時期。

因此，在研究地質斷層破碎帶中施工方案中，最重要的思路就是：如何提高圍巖的自承能力，以確保圍巖順利開挖、初支施作及后續工序的安全進行。從目前國內外許多的隧道施工經驗來看，采用的基本方法就是要控制好圍巖的松弛和流失問題。總的原則是確保掌子面的穩定、初支全面斷面要及時閉合、加固周邊圍巖，在目前很多工程實踐中，都很充分地證實了這一點。

2 項目概況

云南省高速公路網丘北至硯山高速公路土建1 標沖革隧道，為一座分離式隧道；左、右兩幅測設線距離約25.0～29.0m。該隧道為全線控制性工程，左幅長4087m、右幅長4092m，主要設計參數為：設計時速100km/h，分離式雙向四車道；凈寬10.75m，凈高5.0m；緊急停車帶凈寬13.75m，凈高5.0m；設置車行和人行橫洞。隧道主洞內輪廓尺寸詳見圖1。

圖1 隧道主洞內輪廓設計圖

該隧道斜穿一座北東南西走向的山脈，山脊狹窄，縱向沖溝發育。隧道區屬構造侵蝕低中山地貌，隧道區地形變化大，隧道頂部坡度較緩；隧道區海拔高程1546～1797m，相對高差251m。根據設計單位提供的地質勘察報告顯示，沖革隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段穿越斷層破碎帶，斷層兩盤均為粉砂質泥巖，巖體較破碎～破碎，呈碎塊、碎石狀；結構面發育～極發育。沿該斷層有泉點出露，地下水類型為裂隙水，富水性中等～豐富，出水為淋雨狀或涌流狀。

由于該隧道在穿越斷層破碎帶施工過程中，斷層段地質情況復雜多樣，地下水豐富，存在突水涌泥的可能性，隧道巖體的穩定性較難把控。因此，如何實現該隧道斷層破碎帶的地質和水文情況的提前預判斷尤為重要，從而制定出針對性較強的施工技術措施，對超前地質預報、全斷面超前注漿堵水技術、圍巖開挖工法等一系列施工技術進行研究和探討。

圍巖級別為V2，襯砌類型SF5c。

SF5c 型復合式襯砌參數：①噴射混凝土：C25 濕噴混凝土，全環厚度27cm。②鋼筋網：鋼筋網采用Φ8 鋼筋，規格為15×15cm。③鋼架：I20 工字鋼架，設計鋼架縱向間距0.6m，縱向采用Φ20 螺紋鋼鋼筋連接，環向間距1m，上一榀與下一榀連接筋位置錯開50cm。④預留變形量15cm。⑤400g/m2土工布及PVC 防水板。⑥C30 防水鋼筋混凝土襯砌厚60cm。⑦設計預留變形量為15cm。

3 施工方案

按照“管超前、短進尺、弱爆破、強支護、勤量測”的施工方案，來進行斷層破碎帶的施工，以確保掌子面的穩定。穩定掌子面的方法有：正面噴混凝土；注漿加固；超前支護；開挖方式選擇預留核心土的“三臺階七步法開挖”施工，每循環進尺控制在1 榀拱架間距（0.6m），確保斷層破碎帶段施工安全。加強過程控制，充分利用超前地質預報、監控量測等手段輔助指導施工，對施工過程實行動態、全過程監控。

3.1 超前地質預報

對于地勘資料所述存在斷層破碎帶或巖性接觸帶地段，超前地質預報工作需探明斷層破碎帶圍巖的類型、涌水量大小、產狀情況、規模和物質組成等，以及分布在隧道中的位置，并得出其對隧道的施工安全的風險系數。

該隧道穿越斷層破碎帶時采用地質調查法+TSP 地震波法+地質雷達+超前地質鉆孔的綜合超前地質預報預測前方圍巖及地下水情況。具體步驟為：①采用地質調查法進一步核實斷層破碎帶及巖性接觸帶的產狀、位置與規模等；②采用TSP 地震波法進行長、中長距離探測，確定斷層破碎帶或巖性接觸帶在隧道內的大致位置和寬度；③輔以地質雷達對斷層破碎帶或巖性接觸帶進行短距離精確探測；④必要時，采用高分辨直流電法探測斷層破碎帶或巖性接觸帶的地下水發育情況；⑤根據物探資料，采用超前地質鉆探法預報斷層的確切位置和規模、破碎帶的物質組成及地下水的發育情況等。

超前地質鉆探：在隧道掌子面利用水平鉆機進行鉆探，通過對巖樣的取芯分析，可直觀揭露出隧道掌子面前方的地質狀況。在需連續鉆探時，每循環可鉆進30～50m；連續鉆孔時，前后兩循環孔應重疊5～8m。對于可能發生涌水、突泥的地段必須進行超前鉆探，且超前鉆探必須設有防突裝置。超前地質鉆孔布置見圖2。

圖2 超前地質鉆孔布置圖

根據超前地質預報結果，該隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段為斷層破碎帶，斷層兩盤均為粉砂質泥巖，巖體破碎，呈碎塊、碎石狀；結構面發育～極發育，富水性中等，圍巖自穩能力差。據此確定后續施工方案。

3.2 正面噴射混凝土

掌子面開挖完成后，由于圍巖裂隙水的全面流出，立即噴射一層混凝土（厚度5cm）進行封閉，以縮短圍巖暴露時間，控制圍巖變形，防止圍巖在短期內松馳剝落。噴射時自下而上進行，噴嘴作小圓周運動；工作風壓0.4～0.5MPa，噴拱部時稍大。

3.3 全斷面注漿

當探水孔5-6 孔中至少4 孔出水，總流量≧10m3/h 時應進行全斷面深孔注漿堵水。注漿加固范圍為半徑12m的圓，注漿段一般長30m，分三環實施，分別為12m、10m、8m。需要注意的是，為了給下一個注漿段作止漿巖盤的需要，故需預留6m 已注漿段的圍巖，暫不進行開挖施工。注漿孔的布置方法：在工作面按照梅花狀進行排列布設，每個注漿孔之間的距離不得大于3m，并采用長短孔結合的方式，以達到充分注漿的目的，開孔直徑Φ115mm，終孔直徑Φ75mm，注漿前，埋設Φ127mm 無縫鋼管于止漿巖盤內作為孔口管，孔口外露長度為0.2-0.3m，孔口管長度為3m。注漿材料為水泥漿，水泥漿的水灰比為1:1，設計注漿壓力為注漿處靜水壓力的2～3 倍，或者預估注漿壓力為初壓0.5-1MPa，終壓3-5MPa。

結束本孔注漿的條件為：當注漿壓力達到設計終壓后，并繼續注漿10min 以上。注漿效果以鉆2-3 個孔的方式進行檢查，檢查孔內涌水量不應大于0.2L/min·m，且某一處的漏水量不大于10L/min，否則應進行加密鉆孔注漿。距預測突水處5-8m 左右作為深孔全斷面預注漿的開始工作面，預注漿終點位置需超過預測突水段5m。

3.4 超前支護

①小導管從鋼拱架腹部穿過，尾端與鋼架焊接。小導管長4.5m，環向間距30～50cm，小導管的上仰角為5°～15°，設置于襯砌拱部約120°范圍，前后環搭接長度不小于1.0m。②注漿液為水泥漿，其水灰比按為1:1 配制，注漿壓力按0.5～1.0MPa 進行控制。注漿順序由下而上、漿液先稀后濃、注漿量先大后小。注漿效果滿足開挖后拱部基本無滲漏水、無坍塌的要求。③地下水大時采用水泥-水玻璃注漿，注漿參數如下：1）水泥漿/水玻璃1∶0.8（體積比）；水泥漿液水灰比1∶1。2）水玻璃模數m=2.6 濃度為35～40°Be。3）注漿壓力：0.5～1.0MPa。

3.5 預留核心土三臺階開挖法

斷層破碎帶圍巖采用預留核心土三臺階開挖法施工，上部留核心土支擋工作面環形開挖。將開挖面分成拱部環形導坑、上臺階核心土、中臺階和下臺階。上部留核心土的目的是對開挖工作面起支擋作用，以便對隧道拱部的初支及時施作，來增強工作面的穩定性，在拱部初支的保護下進行核心土及下部開挖施工；左右側中下導交錯開挖，開挖后及時施作初期支護，施工安全性較好。為盡量減少開挖施工過程對圍巖的擾動，對隧道開挖線的周邊30cm 的區域要以人工開挖的方式施工；其余部位采用機械開挖的方式，開挖中、下臺階左、右側時，嚴禁以對開方式進行，以錯開2～3m 距離為宜。以初支的鋼拱架間距（0.6m）來確定每循環的開挖進尺，臺階長度8～10m。在每一步開挖完成后，需立即對開挖面進行初噴4cm 厚的混凝土，初期支護施工及時跟進。在每一步開挖完成后，緊貼初噴混凝土面進行鋼拱架的架設。在架立的鋼拱架拱腳設計位置（一般位于鋼拱架拱腳0.3m 高的位置），按鎖腳小導管設計的下傾角度，緊貼好鋼拱架的兩側，將四根直徑為Φ42mm、長度為4.5m 鎖腳小導管打設好，并牢固焊好連接部位，然后進行第二次噴射混凝土的施工。具體開挖的施工順序見圖3。

圖3 三臺階預留核心土法施工順序圖

施工步驟及工藝如下：第1 步：開挖上部弧形導坑。在隧道拱部超前小導管打設、注漿施工完畢、對工作面形成有效保護后，即可進行上部弧形導坑的開挖施工，如圖3中所示斷面Ⅰ部位，按隧道開挖寬度的1/2～1/3 預留好核心土，長度以3～5m 這宜。上臺階開挖矢跨比應大于0.3。第2、3 步：開挖左、右側中臺階，如圖3 中所示斷面Ⅱ、Ⅲ部位。開挖高度一般為3～3.5m，左、右側臺階錯開2～3m。第4、5 步：左、右側下臺階開挖，如圖3 中所示斷面Ⅳ、Ⅴ部位。開挖高度一般為3～4m，左、右側臺階錯開2～3m。第6 步：上、中、下臺階預留核心土開挖，如圖3 中所示斷面Ⅵ-1、Ⅵ-2 部位。第7 步：最后進行如圖3 中斷面Ⅶ部位的開挖施工。每次開挖長度以2～3m 為宜，開挖完成后對仰拱初支及時施作，以便全斷面初支能夠及時封閉成環。然后對仰拱及仰拱回填及時進行施作。

3.6 鋼拱架及鋼筋網片施工

嚴格按設計及規范要求加工、制作和架設鋼拱架。鋼拱架嚴禁出現懸空情況，嚴禁采用虛碴進行回填，必須架設在堅實的基面上，并且要加墊槽鋼。

鋼筋網網格可在鋼筋配送中心內進行自動下料、加工、點焊成網片。網片與網片間、錨桿、鋼架間要焊接牢固，在噴射混凝土時不得晃動。

3.7 監控量測

根據本項目的具體情況，施工中進行了以下監控量測項目：地質及支護狀態觀察、圍巖收斂、拱頂下沉。

測點布置情況：在隧道每個量測斷面共布置5 個測點，其中三個為拱頂下沉測點、左右2 個為凈空水平收斂量測線。監測范圍在隧道開挖影響范圍以外。

施工期間，該隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段斷層破碎帶拱頂最大斷面累計沉降量為38mm，累計最大水平收斂量為21mm，變化曲線趨于穩定，滿足了設計和施工規范要求。見圖4、圖5。

圖4 拱頂下沉累計變化量時態曲線圖

圖5 圍巖收斂累計變化量時態曲線圖

3.8 防排水及二襯施工

根據量測情況和圍巖地質情況，及時進行防排水及二襯施工，二次襯砌與掌子面的距離要求≤50m。二次襯砌拱墻（鋼筋）混凝土從整平層處采用模板臺車一次整體澆筑成型。

4 結論和措施

本文以丘硯高速公路沖革隧道為依托，對穿越斷層破碎帶施工方案進行了研究和實施。研究表明：該方案能夠確保長大隧道順利穿越富水破碎斷裂帶時的施工安全，拱頂累積沉降值和累計水平收斂量均滿足了設計和施工規范要求。實踐證明，該施工方案切實可行，與常規的CD 法施工相比較，在開挖施工過程中節約了大量的臨時支護工程成本，提高了經濟效益。經過測算，每單洞延米節約成本為0.8327 萬元，詳見表1。沖革隧道左、右幅穿越斷層破碎帶單洞總長為115m，總計節約成本95.76 萬元。

表1 三臺階七步開挖法與CD 法施工方案經濟對比分析表（每單洞延米）

該方案為今后類似施工提供了如下借鑒經驗：①精心做好各個臺階開挖過程中各項工序的銜接工作，其目的是要及時對開挖出來的圍巖進行封閉，避免出現崩塌情況。②為確保發揮初期支護對圍巖的承載能力，故需對全斷面初期支護及早進行封閉成環。③在初期支護全斷面封閉成環2～3 個循環后，立即施作仰拱。仰拱與掌子面的距離宜控制在30～40m 之間。隨后相關的后續工序，如鋪設防水板、二次襯砌等及時跟進。④對超前支護小導管的打設角度、搭接長度要嚴格按設計要求進行施作，注漿工藝嚴格進行控制，以確保達到加固地層的效果，使開挖作業能夠安全實施。⑤嚴禁初期支護與圍巖出現不密貼的情況，嚴禁發生初支背后出現空洞的情況，必要時要對初支背后進行鉆孔、注漿處理。⑥為防止拱（墻）腳的基底承載力下降，嚴禁積水浸泡，需規劃、完善好洞內臨時防排水系統。⑦對監控量測工作要高度重視，做好量測數據的處理和分析工作，根據數據及時對支護參數進行調整，并且通過數據來確定后續工序的施工時間。