隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)研究綜述

康海波 萬志強(qiáng) 趙剛應(yīng) 張乾

摘要：在山嶺隧道修建過程中，隧道經(jīng)常會穿過錯綜復(fù)雜的大小斷層，給隧道施工增加困難，隧道如何安全、快速通過斷層破碎帶成為研究重點。文章對國內(nèi)隧道穿越斷層的支護(hù)方法以及開挖工法進(jìn)行了總結(jié)，分析探討隧道穿過破碎帶時的施工技術(shù)，并提出在斷層破碎帶區(qū)段進(jìn)行隧道掘進(jìn)，應(yīng)根據(jù)實際隧道地質(zhì)情況合理設(shè)計超前支護(hù)，對于不同類型和大小的斷層，所采用的超前支護(hù)方法不盡相同，遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、少擾動、快封閉、早襯砌、勤量測”的原則，施工中應(yīng)盡量減少對隧洞圍巖的影響，在開挖后及時支護(hù)。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道;斷層破碎帶;支護(hù)方法;超前支護(hù)

中圖分類號：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.036

文章編號：1673-4874（2021）01-0131-04

0引言

隧道穿過斷層破碎帶時，由于斷層破碎帶圍巖巖體破碎，在開挖過程中如果不及時進(jìn)行結(jié)構(gòu)支護(hù)或者施工不當(dāng)時，在隧道內(nèi)部會發(fā)生坍塌、掉塊等危害。倘若隧址區(qū)地下水充足，且?guī)r體次生裂隙發(fā)育，隧道開挖至斷層段時，容易出現(xiàn)突水、突泥等災(zāi)害，影響工程進(jìn)度，威脅工作人員的安全。

國內(nèi)山嶺隧道工程項目日益增多，在山嶺隧道建設(shè)過程中應(yīng)總結(jié)施工經(jīng)驗并且進(jìn)行理論研究，逐步探索出各類施工開挖工法和支護(hù)技術(shù)來確保斷層隧道巖體的穩(wěn)定。楊金武[1]以穿過斷層破碎帶的慈母山一號隧道為工程背景，對安全通過該斷層隧道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析說明，為類似斷層隧道設(shè)計建設(shè)提供參考，劉萬生[2]詳細(xì)介紹了西格二線關(guān)角隧道成功通過斷層破碎帶的施工技術(shù)、方法，為其他穿越斷層隧道施工提供經(jīng)驗，鄭金松[3]采取超前小導(dǎo)管對斷層段圍巖進(jìn)行提前加固，開挖工法為正臺階法，并在施工過程中取得了較好的效果;彭超[4]對實際斷層隧道進(jìn)行施工設(shè)計，通過多圍巖進(jìn)行注漿加固，采用微臺階開挖工法，增加預(yù)留變形量等措施，取得了較好的效果。本文通過總結(jié)國內(nèi)隧道含斷層破碎帶的施工處治技術(shù)，綜合描述各隧道在斷層破碎帶的施工工法以及采用的支護(hù)設(shè)計，采取經(jīng)驗類比的方法，為類似的隧道穿越斷層破碎帶提供借鑒與指導(dǎo)。

1隧道穿越斷層施工技術(shù)實例總結(jié)

本節(jié)總結(jié)國內(nèi)幾大典型含斷層隧道施工方案，從斷層隧道開挖工法、超前支護(hù)措施、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和二襯支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)歸納。典型斷層破碎帶隧道開挖所采取的施工技術(shù)總結(jié)于表1中。

2隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)總結(jié)分析

依據(jù)上述典型斷層隧道施工案例，分別從斷層破碎帶開挖技術(shù)、斷層破碎帶超前支護(hù)技術(shù)和斷層破碎帶襯砌支護(hù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析。

2.1隧道穿越斷層開挖技術(shù)研究

斷層破碎帶地段圍巖巖體破碎，整體性差，是隧道全線施工中的關(guān)鍵控制地段。施工工法對隧道圍巖的穩(wěn)定性有重要的影響，不同隧道施工工法以及施工工序?qū)ζ扑閹鷰r的影響也不同。含斷層破碎帶圍巖隧道施工工法主要有CRD法、臺階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[5]。應(yīng)在隧道實際施工過程中，根據(jù)施工難度、施工進(jìn)度、機(jī)械配制、隧道斷面大小、隧址區(qū)區(qū)域地質(zhì)情況，合理地選擇相應(yīng)的隧道開挖工法。

斷層破碎帶地段隧洞施工在通常情況下，應(yīng)不采取全斷面開挖的方法，具體在實際隧洞施工中，應(yīng)根據(jù)開挖現(xiàn)場斷層破碎帶巖體性質(zhì)、破碎帶寬度以及圍巖破碎程度等情況合理選擇開挖工法。在破碎帶范圍內(nèi)掘進(jìn)隧道，應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、少擾動、快封閉、早襯砌、勤量測”的原則，可以選擇微震爆破、半截面微臺階或者上下截面順序的開挖方法，具體施工技術(shù)有：

（1）微震爆破：在含斷層破碎帶圍巖處進(jìn)行爆破，應(yīng)對爆破鉆眼進(jìn)行合理布置，并且遵循“短進(jìn)尺”的原則，藥量需精準(zhǔn)控制，科學(xué)設(shè)置爆破參數(shù)，這樣才可確保隧道開挖輪廓線以外的巖體穩(wěn)定，減少對圍巖的擾動，確保爆破工作安全進(jìn)行。此外還應(yīng)注意起爆順序以及鉆爆參數(shù)的控制。

（2）半斷面微臺階開挖：此類開挖工法適用于隧道局部圍巖含有斷層破碎帶或者斷層破碎帶規(guī)模較大時，通常斷層破碎帶出現(xiàn)于隧道拱頂時，可選擇此類施工方法。半斷面微臺階法施工工序較為復(fù)雜，但可以保障隧道掌子面土體的穩(wěn)定，并且隧道開挖引起周邊圍巖擾動較小。同時，此類開挖技術(shù)可以合理地利用空間，提高機(jī)械施工效率。值得注意的是，在破碎帶圍巖開挖過程中，為保障隧道圍巖的穩(wěn)定性，開挖后應(yīng)及時進(jìn)行錨噴支護(hù)。在開挖過程中，開挖斷面的下半部與后拱部可同時進(jìn)行施工，這樣可以增加隧道斷面的閉合速度，增強(qiáng)隧道整體穩(wěn)定性。

（3）上下斷面順序開挖：當(dāng)斷層破碎帶規(guī)模大，圍巖整體性差時，應(yīng)采用上下斷面順序開挖。此類開挖方法是指在上斷面開挖支護(hù)完成后，再對下斷面進(jìn)行開挖支護(hù)。若斷層破碎帶巖體風(fēng)化嚴(yán)重或者圍巖穩(wěn)定性極差，在開挖過程中，應(yīng)預(yù)先保留核心土，并對周邊巖體進(jìn)行環(huán)形順序爆破施工。如在寶鼎2號隧道施工過程中所采用的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，開挖與襯砌施工工序見圖1。值得注意的是，含斷層段圍巖開挖時，應(yīng)嚴(yán)格控制一次開挖進(jìn)尺，減少圍巖擾動，每開挖一個斷面部分，應(yīng)立即進(jìn)行噴錨支護(hù)，施工過程中進(jìn)行隨接、隨挖、隨噴的有序性操作。

2.2隧道穿越斷層支護(hù)技術(shù)研究

支護(hù)技術(shù)主要包括超前支護(hù)以及錨噴支護(hù)。超前支護(hù)是指在隧道開挖前，預(yù)先在隧道開挖面前方土體施作支護(hù)結(jié)構(gòu);錨噴支護(hù)是指在隧洞掘進(jìn)過程中，保障洞周巖體穩(wěn)定性的一種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于各地區(qū)斷層構(gòu)造產(chǎn)生的原因不同，不同含斷層的隧道，斷層破碎帶巖體巖性也可能不同，但每類支護(hù)方式有其特有的適用性以及很強(qiáng)的針對性，所以很難探索出一種合適的隧道施工以及支護(hù)方法來解決應(yīng)對艱險多變的破碎帶圍巖。

2.2.1斷層隧道超前支護(hù)技術(shù)

2.2.1.1超前支護(hù)類型

斷層破碎帶巖塊破碎，圍巖穩(wěn)定性差，在隧道掘進(jìn)過程中，容易發(fā)生大變形。因此在實際建設(shè)過程中會采用加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)與超前支護(hù)相結(jié)合的方法來加強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)性。超前支護(hù)是在隧道未開挖前對隧道圍巖進(jìn)行預(yù)加固來提高圍巖強(qiáng)度等級，改善圍巖受力狀態(tài)，從而達(dá)到安全開挖的目的。主要的超前支護(hù)類型有超前小導(dǎo)管、超前管棚和超前預(yù)注漿等。隧道超前支護(hù)類型的運用范圍和使用材料見表2。

超前小導(dǎo)管的目的是在隧道開挖前進(jìn)行預(yù)設(shè)，從而加強(qiáng)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)巖體的抗剪能力，增強(qiáng)該范圍巖體的自穩(wěn)性。一般在穿越斷層區(qū)間時，超前注漿小導(dǎo)管的安設(shè)距離在30cm，安設(shè)位置位于起拱線之上。小導(dǎo)管注漿類型主要有水玻璃砂漿、純水泥漿和水泥砂漿[6]。提前注漿加固可以提高圍巖的自穩(wěn)能力，不同注漿類型適用范圍不同。當(dāng)圍巖巖體裂隙較大時，可以使用純水泥漿或者水泥砂漿;當(dāng)圍巖巖體裂隙較小且含水量大時，水玻璃砂漿更為合適。

管棚可分為洞外和洞內(nèi)管棚。隧道內(nèi)部管棚一般設(shè)置在巖體破碎、地質(zhì)條件差的地段。在斷層破碎帶地段進(jìn)行管棚施工作業(yè)時，應(yīng)盡可能地給予施工人員管棚施工作業(yè)場地。通常在設(shè)計截面上，管棚施工作業(yè)面積沿隧道方向長3m，橫向擴(kuò)大30～50cm。隧洞穿過斷層破碎帶時，為充分利用管棚對巖體的支護(hù)作用，保障巖體的穩(wěn)定，其長度需要符合兩個條件[7]：（1）在管棚施工前，沿隧道開挖方向進(jìn)行鉆孔試驗，掌握隧道開挖方向的地質(zhì)情況，根據(jù)地質(zhì)條件確定管棚施工長度;（2）管棚長度應(yīng)穿過掘進(jìn)面巖體一定距離，使得荷載能夠轉(zhuǎn)移至襯砌結(jié)構(gòu)上。在斷層破碎帶圍巖段施工，管棚布設(shè)間距應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)情況和破碎帶巖體結(jié)構(gòu)來綜合考慮，一般環(huán)向布設(shè)間距為2～3.5D。

2.2.1.2不同斷層類型的超前支護(hù)措施

根據(jù)沿隧洞縱向斷層破碎帶間距，將斷層規(guī)模進(jìn)行分類。斷層可以分為小斷層（寬度<5m）、中斷層（寬度為5～10m）以及大斷層（寬度>10m）。超前支護(hù)方案根據(jù)破碎帶大小和分布特征的差異而不盡相同：

（1）隧道穿過小斷層時，在長期的地質(zhì)作用下，破碎帶內(nèi)巖體主要受擠壓作用，破碎帶巖體變得擠壓緊密，此時破碎帶巖體強(qiáng)度大，自穩(wěn)性相對較好。在隧道掘進(jìn)過程中，采用加強(qiáng)初次支護(hù)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并與相應(yīng)的輔助措施相結(jié)合來增強(qiáng)破碎帶巖體的可靠性[8]。比如采用超前錨桿與系統(tǒng)錨桿相配合，增加噴射混凝土的厚度，提高鋼筋網(wǎng)的密度等。其中超前錨桿一般安置在拱部，錨桿環(huán)向間隔一般為40cm，2m 設(shè)一圈，錨桿長3.5m，直徑一般為Φ22m，外插角度約為10°。通過早強(qiáng)砂漿將超前錨桿與巖體膠結(jié)，及時發(fā)揮超前支護(hù)作用。在超前支護(hù)發(fā)揮作用后，進(jìn)行隧道開挖，并進(jìn)行初期支護(hù)。

（2）隧道穿過中斷層時，圍巖強(qiáng)度較低，斷層巖體較破碎，在增加初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，仍需在隧洞拱部施作超前小導(dǎo)管并進(jìn)行注漿加固。小導(dǎo)管一般選取規(guī)格為Φ42～50mm的直熱軋鋼管，外插入角為10°～20°，布設(shè)環(huán)向間隔為30～50mm，沿隧洞方向兩組超前小導(dǎo)管間水平搭接距離≥1m。一般在小導(dǎo)管內(nèi)灌注水玻璃或水泥等漿液。在超前支護(hù)的情況下，采用對隧洞巖體擾動較小的掘進(jìn)方式，如預(yù)留核心土法、臺階法等。根據(jù)開挖工法和施工工序，及時施加超前支護(hù)結(jié)構(gòu)和完成注漿作業(yè)，待超前支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮力學(xué)作用時，即可進(jìn)行下一步開挖。

（3）隧道穿過大斷層時，圍巖強(qiáng)度極低，斷層巖體極破碎，圍巖自穩(wěn)能力極差，如果支護(hù)不及時或者施工不當(dāng)，隧道容易產(chǎn)生坍塌事故。此時需采用鋼拱架和超期管棚相結(jié)合的支護(hù)手段，抑制破碎圍巖的坍塌，增強(qiáng)圍巖的強(qiáng)度，提高圍巖的穩(wěn)定性。管棚規(guī)格一般選取Φ108mm厚壁熱扎無縫鋼管，尺寸一般為10～40m。在含大破碎帶的隧道施工過程中，管棚需分批配置通過破碎帶，沿破碎帶方向兩組管棚搭接距離>3m，環(huán)向管棚間距一般為管徑的2～3倍。鋼拱架設(shè)置可采用格柵鋼架或者型鋼，設(shè)置間隔一般為0.5～1.0m一榀。

2.2.2含斷層段圍巖隧道襯砌設(shè)計

含斷層段圍巖采取復(fù)合式襯砌。復(fù)合式襯砌施工主要內(nèi)容包括：噴射混凝土、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、施加鋼拱架、安裝系統(tǒng)錨桿。初期進(jìn)行錨噴支護(hù)、初期支護(hù)拱墻一般采用C25噴射混凝土，并且鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)和環(huán)形鋼拱架，在斷層圍巖極為破碎地段應(yīng)該增加噴射混凝土的厚度、提高混凝土的強(qiáng)度或者加密系統(tǒng)錨桿。二襯設(shè)計應(yīng)采取圓滑、等厚斷面，一般采用C35鋼筋。

斷層段圍巖襯砌設(shè)計應(yīng)設(shè)置仰拱，仰拱應(yīng)及時封閉，使襯砌結(jié)構(gòu)及早形成閉合結(jié)構(gòu)，提高襯砌結(jié)構(gòu)的整體性剛度，并且可以有效阻止水流浸泡隧道基底，導(dǎo)致邊墻變形和底鼓現(xiàn)象。在初期支護(hù)施工階段，仰拱厚度不宜過厚，保留預(yù)留變形量，仰拱的曲率應(yīng)盡可能調(diào)大，保證與邊墻連接的順滑，可以減少出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3結(jié)語

（1）含斷層段圍巖隧道施工開挖方法，應(yīng)根據(jù)實際隧道中斷層寬度、巖體破碎程度以及破碎帶巖體性質(zhì)等綜合考慮，務(wù)必遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、少擾動、快封閉、早襯砌、勤量測”的原則，選擇合理的施工技術(shù)。

（2）斷層破碎帶地段巖體破碎，地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道開挖前期，應(yīng)進(jìn)行超前支護(hù)來保障圍巖的穩(wěn)定性，以及確保施工安全進(jìn)行。不同斷層類型采用的超前支護(hù)手段不同，不同隧道施工建設(shè)應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行超前支護(hù)施工設(shè)計。

（3）斷層破碎帶地段隧道一般采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，若出現(xiàn)局部巖體較破碎或者襯砌出現(xiàn)開裂情況，應(yīng)合理提高噴射混凝土強(qiáng)度，采取增加噴射混凝土厚度、增強(qiáng)型鋼剛度等措施。

（4）本文總結(jié)了幾大典型含斷層破碎帶隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)，其他項目在參考的同時，應(yīng)根據(jù)項目實際工程情況進(jìn)行設(shè)計。

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