隧道穿越斷層段施工技術(shù)研究

黃劍

作者簡(jiǎn)介：

黃 劍（1986—），工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。

文章以某山區(qū)隧道為研究背景，介紹了該隧道開挖支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，研究了該隧道穿越斷層段的施工技術(shù)，并通過施工監(jiān)測(cè)評(píng)估支撐效果。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，開挖后仰拱噴射混凝土以及閉合隧道的支撐系統(tǒng)盡快施工，能有效地抑制隧道變形。

隧道;斷層;施工

U455.4A361243

0 引言

此隧道由溪流左岸開始，貫穿崎嶇的山脈，全長約12.9 km，為高速公路施工的關(guān)鍵工程。該隧道共分為三條坑道，其中兩主坑設(shè)計(jì)為雙車行道，另外于兩主坑的中間位置設(shè)置一斷面較小的前進(jìn)導(dǎo)坑，作為主坑施工前了解前方地質(zhì)及必要時(shí)預(yù)做地質(zhì)處理的坑道，完工后并可作為主坑維修及緊急逃生通道?；谑┕みM(jìn)度及地質(zhì)因素的考慮，隧道的端部先以鉆炸法施工，再以全斷面隧道鉆掘機(jī)（TBM）開挖貫通。鉆炸法施工的斷面，主坑的直徑約為13.5 m，導(dǎo)坑約為5.2 m，而TBM工法施工的斷面，主坑的直徑約為11.7 m，導(dǎo)坑則為4.8 m。在隧道已開挖的區(qū)段中，沿線遭遇到最重要的地質(zhì)構(gòu)造為一控制型斷層，該斷層位于距離洞口約800 m的位置。導(dǎo)坑系以TBM工法方式通過斷層，在通過斷層時(shí)，由于地質(zhì)情況極為惡劣，故TBM先后兩次因機(jī)頭前方基巖坍塌，導(dǎo)致機(jī)頭無法轉(zhuǎn)動(dòng)，須停機(jī)由TBM側(cè)面開挖迂回至機(jī)頭前方，將機(jī)頭附近的巖塊及其前方不良地質(zhì)路段的土石挖除后，再恢復(fù)開挖前進(jìn)，兩次TBM受困總計(jì)耗費(fèi)約4個(gè)月。因此，為使后續(xù)主坑的TBM開挖時(shí)避免在通過斷層遭遇相同地層施工風(fēng)險(xiǎn)，主坑決定采用鉆炸法的方式通過斷層，其中西行線以全斷面開挖通過，而東行線僅以上半斷面開挖通過。

1 工程地質(zhì)概述

隧道位于山地區(qū)，山脈由第三紀(jì)輕度變質(zhì)沉積巖所構(gòu)成，在隧道起始段約4 km的路段，主要由破碎的硬頁巖及四棱石英砂巖所組成。該路段以斷層為分界點(diǎn)，斷層以東，主要由破碎的干溝層硬頁巖所組成，通過斷層后約3 km多的路段，則主要由四棱砂巖層夾薄層硬頁巖所構(gòu)成。

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的地勘推算，斷層寬約20 m，其斷層泥為不透水層，而四棱砂巖層側(cè)的石英巖角礫則透水性相當(dāng)高，并可能蘊(yùn)含高壓的地下水層[1]。此外由導(dǎo)坑的開挖結(jié)果顯示，硬頁巖側(cè)及斷層剪裂泥并未蘊(yùn)含地下水。導(dǎo)坑開挖通過斷層后，曾于現(xiàn)場(chǎng)采取斷層

泥材料進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果得知其塑性指數(shù)約為11，孔隙比約為0.18～0.24，濕密度約為2.30～2.41 g/cm3，屬黏質(zhì)砂土。

另外由三軸試驗(yàn)結(jié)果顯示其峰值強(qiáng)度時(shí)的有效粘聚力約為14～40 kPa，有效摩擦角約為13°～20°。而在斷層帶內(nèi)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)平板載重試驗(yàn)結(jié)果，其承載力>2 MPa，變形模量約為49 MPa，彈性模量則約為303 MPa。由以上的物理性質(zhì)及力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，斷層泥孔隙比及密度與一般巖石材料接近，而力學(xué)強(qiáng)度則與弱巖或較高強(qiáng)度的黏土接近。由此可推知其開挖裸露后未遇地下水入侵時(shí)，尚有較好的穩(wěn)定性，而若吸水后則極易膨脹瓦解，并可能有高膨脹壓力產(chǎn)生。

2 隧道支撐設(shè)計(jì)

該隧道原設(shè)計(jì)理念乃將開挖時(shí)的支撐系統(tǒng)，按巖體評(píng)分劃分為6級(jí)。斷層依其巖體評(píng)分應(yīng)采用第6類的支撐系統(tǒng)，包括間距1 m的H150x150鋼拱架，25 cm厚的噴射混凝土，并視地質(zhì)情況采用支撐鋼管及臨時(shí)噴射混凝土仰拱以閉合開挖面。隧道開挖后的預(yù)估變形量為15 cm（如圖1所示）。由于導(dǎo)坑通過斷層時(shí)，先后發(fā)生兩次受困事件，而需以開挖迂回處理，因此主坑開挖時(shí)，其支撐考慮采用較為保守的方式，以避免重蹈覆轍[2]。

主坑西行線按原設(shè)計(jì)的進(jìn)度，以鉆炸法通過斷層，支撐設(shè)計(jì)包括間距1 m的H200×200鋼拱架、30 cm厚的噴射混凝土、6 m長的系統(tǒng)錨桿，并于頂拱及隧道兩側(cè)施作固結(jié)灌漿，上半斷面開挖后，視需要于兩側(cè)基腳再施作一排6 m長向下45°的錨桿，以進(jìn)一步穩(wěn)固基腳。此外考慮斷層的特性，且由已開挖路段實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，頂拱的沉降量最大曾達(dá)30 cm，因此預(yù)估變形量由原設(shè)計(jì)的15 cm提高為55 cm。

主坑?xùn)|行線依原預(yù)定進(jìn)度應(yīng)以TBM方法通過斷層，東行線斷層的巖性與已開挖的導(dǎo)坑及西行線相同，因此綜合導(dǎo)坑和西行線的施工經(jīng)驗(yàn)及地質(zhì)因素，并考慮施工進(jìn)度的要求，東行線的上半斷面決定改以鉆炸法的方式通過，而下半斷面則仍以TBM的方式通過。由于西行線開挖時(shí)，雖采用比原設(shè)計(jì)較為保守的支撐，但開挖完成后上半斷面兩側(cè)收斂變形量仍達(dá)50 cm，故東行線半斷面使用較西行線更保守的支撐。上半斷面開挖時(shí)的支撐型式包括每間距1 m采用兩對(duì)H200×200的鋼拱架并列、45 cm厚的噴射混凝土、6 m長的系統(tǒng)錨桿及于頂拱與隧道固結(jié)灌漿，基腳處再打設(shè)三排6 m長的錨桿，以避免后續(xù)TBM開挖下半斷面時(shí)基腳側(cè)壁崩落。此外預(yù)估變形量則由原設(shè)計(jì)的15 cm調(diào)整為20 cm。

3 施工技術(shù)研究

主坑通過斷層時(shí)，上半斷面系采用環(huán)狀開挖，中間預(yù)留核心土，于架設(shè)支撐后再將核心土挖除。洞臺(tái)則分為左、右兩側(cè)開挖，待一側(cè)開挖完成支撐后，再進(jìn)行另外一側(cè)的開挖及支撐工作。洞臺(tái)的開挖工作需在上半斷面全部通過斷層帶（包括斷層泥及前后破碎帶共約55 m寬）后才開始進(jìn)行，而一側(cè)洞臺(tái)通過斷層帶后，再進(jìn)行另一側(cè)洞臺(tái)的開挖[3]。

此外，為抑制隧道的變形并形成整體的支撐效應(yīng)，一側(cè)洞臺(tái)開挖時(shí)，在洞臺(tái)基腳以H150×150的型鋼將已架設(shè)的鋼拱架以縱向相連結(jié)，并施作15 cm厚的臨時(shí)仰拱噴射混凝土。另一側(cè)洞臺(tái)則于開挖后，每完成10 m施作一次25 cm厚的仰拱噴射混凝土，以完成隧道支撐系統(tǒng)的閉合效應(yīng)[4]。

由于采用了較原設(shè)計(jì)更強(qiáng)的支撐系統(tǒng)，且隧道以鉆炸法通過斷層時(shí)，巖體比預(yù)期中還干燥，并無顯著地下水，故大致上無重大災(zāi)害發(fā)生，僅在開挖過程曾產(chǎn)生局部約5～30 m3的塌方。塌方發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)隨即以噴射混凝土將塌方后的基巖面封面，并用H100×100型鋼等在原設(shè)計(jì)開挖線位置架設(shè)臨時(shí)拱型支撐后，再施噴噴射混凝土，并以混凝土回填塌方后形成的孔穴以穩(wěn)定隧道。

4 支撐效果評(píng)估

監(jiān)測(cè)是隧道在軟弱地層施工時(shí)極為重要的工作，通過監(jiān)測(cè)的成果，可充分掌握施工行為與地質(zhì)環(huán)境結(jié)合后的整體反應(yīng)，以作為評(píng)估進(jìn)而調(diào)整施工行為的重要依據(jù)。該隧道在斷層路段配合實(shí)際地質(zhì)需要，共裝設(shè)四組監(jiān)測(cè)斷面，如圖2所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）若考慮儀器安裝前已發(fā)生的先期變形量，則頂拱于上半斷面開挖后，大部分的沉降量即已完成，其后洞臺(tái)的開挖所產(chǎn)生的沉降量并不大。

（2）測(cè)線量得的變形量主要因洞臺(tái)開挖所產(chǎn)生，且當(dāng)該洞臺(tái)的開挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面前，即已有明顯的變形產(chǎn)生，而變形速率大致上在開挖面通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)達(dá)最大值。

（3）測(cè)線量得的最大變形量約達(dá)300 mm，以力學(xué)觀點(diǎn)而言，這主要可能由于斷層的變形模量較低，因此開挖后需有足夠的變形，方可使巖壓與支撐系統(tǒng)達(dá)到平衡。因此在低變形模量的軟弱地層內(nèi)開挖時(shí)，提供足夠的側(cè)向支撐力，方可抑制隧道變形。

（4）當(dāng)洞臺(tái)開挖面通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，對(duì)于頂拱沉降的影響較小，不過當(dāng)仰拱施作后，其變形量即迅速收斂而趨于穩(wěn)定。仰拱施作后，測(cè)線變形并未如預(yù)期迅速收斂，推測(cè)其原因可能系仰拱雖已盡速施作，但因開挖面與監(jiān)測(cè)斷面的距離仍近，故開挖區(qū)的前進(jìn)效應(yīng)對(duì)于監(jiān)測(cè)斷面仍具有決定性影響。

5 結(jié)語

（1）監(jiān)測(cè)對(duì)于在軟弱基巖中進(jìn)行開挖是極其重要的工作，監(jiān)測(cè)的成果既可立即反映基巖的變形行為，迅速采取必要的補(bǔ)強(qiáng)措施，以避免工程失敗，也可作為事后評(píng)估巖體及支撐型式互制行為的重要依據(jù)，以作為今后類似工程施工的參考。本文所引用隧道通過斷層路段，經(jīng)設(shè)計(jì)時(shí)的調(diào)查，施工中的觀察與監(jiān)測(cè)成果的評(píng)估后可知，斷層在力學(xué)上應(yīng)具有相當(dāng)整體性的行為，尤其是對(duì)于隧道開挖后的變形行為，更具有關(guān)鍵性與整體性的影響。此外隧道開挖后，側(cè)壁產(chǎn)生較大的收斂變形量，由力學(xué)觀點(diǎn)而言，因系斷層材料的變形模量較低所致。因此如何提供隧道橫向足夠的支撐力，以抑制過大的側(cè)向變形量，必須有詳細(xì)的考慮，而開挖時(shí)需提高預(yù)估的變形量，以免開挖后變形量過大而導(dǎo)致設(shè)計(jì)凈空不足，以致事后再進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)事的整修工作。

（2）施作仰拱以閉合支撐系統(tǒng)，是為防止隧道變形過大所采用的經(jīng)濟(jì)有效措施，但若開挖面與監(jiān)測(cè)斷面的距離太近時(shí)，雖然仰拱已快速施作，但開挖面的前進(jìn)效應(yīng)對(duì)于隧道的變形仍具有極大的影響，此點(diǎn)必須特別考慮。至于采用重型的剛性支撐，對(duì)于抑制隧道變形亦具有相當(dāng)程度的作用，但以經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)而言，采用重型的剛性支撐，并不如施作仰拱以閉合支撐系統(tǒng)有利。灌漿雖然可有效提高巖體強(qiáng)度及變形模量，若隧道開挖而巖體受擾動(dòng)后再進(jìn)行灌漿工作，則其效果可能會(huì)不如預(yù)期中的理想。

[1]楊金虎.慈母山隧道穿越斷層破碎帶開挖支護(hù)技術(shù)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011（2）：361-365.

[2]潘 菊.隧道穿越斷層破碎帶開挖支護(hù)的施工技術(shù)[J].四川建材，2015（3）：184-185.

[3]劉運(yùn)微.隧道穿越斷層破碎帶施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[4]王 茜，凌同華，劉唐利，等.穿越斷層破碎帶隧道入口段施工數(shù)值模擬[J].交通科學(xué)與工程，2019，35（4）：78-84.