某山嶺隧道斷層破碎帶形態(tài)走向分析

摘要：隨著人類社會的不斷進步與經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人們對交通的便利性要求越來越高，因而隧道工程就得到樂迅速發(fā)展，山嶺隧道中的地質條件往往復雜多變，尤其當隧道穿越斷層破碎帶時，巖石軟弱破碎，巖體穩(wěn)定性較差，隧道開挖時容易引起塌方，地表出現(xiàn)沉降，進而使隧道施工處于危險之中。隧道開挖使圍巖初始平衡狀態(tài)收到破壞，隧道開挖后圍巖及支護受力較大。隨著開挖的不斷進行應力不斷釋放，則圍巖強度不斷降低，洞周變形不斷增大如遇地表水及地下水的侵蝕、爆破震動等不利影響，圍巖強度會受到更大的影響，造成塌方、冒頂，不但帶來巨大的經(jīng)濟損失，而且會給人們財產(chǎn)安全造成巨大損失。因此很有必要對隧道穿越斷層破碎帶的形態(tài)及施工技術進行研究。希望對類似隧道施工程有參考性。

關鍵詞：隧道斷層破碎帶;洞周變形;財產(chǎn)損失

1工程概況

某山嶺高速公路隧道全長12.146米，屬特長隧道，隧道進口為較陡斜坡地形，有帶狀基巖出露，表層為崩坡積碎塊石堆積，穩(wěn)定性較好;隧道出口洞門附近仰坡為土層，由卵石構造，中密狀，其上陡坡為燈影組白云巖裸露，巖體較完整，未見崩塌現(xiàn)象，斜坡整體未見不良地質，自然斜坡整體穩(wěn)定，但淺層穩(wěn)定性差。洞身段最大埋深1944米，主要巖性為板巖、變質砂巖、流紋巖、白云巖等，根據(jù)巖石強度，巖體結構，完整程度等將洞身段圍巖劃分為Ⅲ～Ⅴ級圍巖：隧道洞身主要為Ⅲ、Ⅳ級圍巖;巖體較完整～較破碎，但斷裂破碎帶和影響帶巖體極破碎，可能存在突水、突泥和圍巖大變形;在Ⅲ級圍巖段可能存在巖爆;在白云巖段，特別是可溶巖接觸帶、斷層破碎帶附近、可能有巖溶發(fā)育。安全風險較高。隧道附近的最高海拔大于3000m，最低點為隧道出口外的大渡河，海拔約657.6m，相對高差近2500m，屬高山峽谷地貌區(qū)。

據(jù)地面調繪成果，隧址區(qū)主要出露地層為：

1、第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl）：

卵石：石質成分主要以灰?guī)r、白云巖、為主，次棱角狀。一般粒徑組成>200mm：約占35%，200-20mm：約30%，20-2mm：約15%，余為粉粘粒及砂充填，稍密，潮濕～飽和，透水性好。分布于洞口外沖溝中。細砂：灰色，以細粒砂為主，松散～稍密。分布于進口外溪溝及出口洞口處附近。厚度約3～5m。

2、第四系全新統(tǒng)崩坡積層（Q4c+dl）

主要分布于進出口處斜坡地帶。塊石：石質成分主要以灰?guī)r、白云巖、為主，棱角狀。一般粒徑組成>200mm：約占55%，200-20mm：約20%，20-2mm：約15%，余為粘土充填等，松散～稍密，干燥～潮濕，透水性好。碎石：灰色，石質成分以強～中風化石英質板巖為主，棱角狀。一般粒組組成：φ>200mm約5～10%，200mm～20mm約50～60%，20mm～2mm約25～30%。潮濕，松散～稍密，透水性較好～好。

3、震旦系上統(tǒng)燈影組（Zb）d

分布于隧道洞身段，為隧道穿越的主要巖性，以白云巖、灰質白云巖為主，夾頁巖、泥巖。據(jù)區(qū)域資料，該地層厚度約1000m。白云巖：灰白色，礦物成分以白巖石為主，方解石少量。隱晶質結構，塊狀構造，鈣質膠結。巖石多見縫合線發(fā)育，巖質堅硬。灰質白云巖：灰色，礦物成分以白巖石為主，方解石少量。隱晶質結構，塊狀構造，鈣質膠結，巖質堅硬。

4、震旦系上統(tǒng)觀音崖組（Zb）g

巖性為灰～灰白色石英砂巖、灰?guī)r夾頁巖，底部為含礫砂巖。呈條帶狀分布于隧道進口附近。據(jù)區(qū)域資料該層厚度19～40m。

5、震旦系上統(tǒng)列古六組（Zb）l

巖性為紫紅、灰紫、暗紫紅色含礫砂巖、凝灰質砂巖、粉砂巖、礫巖、粘土巖等。分布于隧道進口附近。據(jù)區(qū)域資料該層厚度小于330m。

6、震旦系下統(tǒng)蘇雄組（Za）s

隧址區(qū)內(nèi)主要為紫紅、灰紫、灰綠色蝕變流紋巖。分布于隧道出口段。據(jù)區(qū)域資料該層厚度小于600m。

7、前震旦系峨邊群第二段（Pteb）2

巖性以板巖為主，夾深灰色變質砂巖及石英質質板巖。分布于隧道進口附近。據(jù)區(qū)域資料顯示，該地層大于厚度約1500m。

在施工過程中受斷層破碎帶、巖溶、巖爆、大變形、微瓦斯、高地溫等影響，施工掘進困難，本次選取出現(xiàn)斷層破碎帶的左洞里程段ZK77+ 340～ZK77+380，右洞里程段K77+260～ZK77+300，共計80米進行斷層破碎帶分析。

2施工概況

施工過程中出現(xiàn)的大變形及坍塌事件如下：

1、進口右洞：2020年4月17日凌晨00：15，進口右洞掌子面開挖至K77+265處，因圍巖為較軟巖，且擠壓變形嚴重，在爆破擾動下，由左側起拱線至拱頂右側2m發(fā)生坍塌，坍塌造成左側超前支護全部破壞。后經(jīng)測量塌腔長約8m、寬約3.5m，高約4.5m，施工單位第一時間對掌子面進行了反壓，并采用噴射混凝封閉掌子面，后經(jīng)現(xiàn)場觀測塌腔及掌子面趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場有序完成出渣、初期支護、超前支護。4月17日上午11：00監(jiān)測組在此塌腔部位K77+263里程布設1個拱頂下沉監(jiān)測斷面，截止到下午19：00，K77+263拱頂下沉監(jiān)測斷面變化較大，并且發(fā)現(xiàn)K77+266～K77+255段落拱頂及左側拱腰發(fā)現(xiàn)多條縱向裂縫，隨即向參建方進行短信預警，施工單位立即采取響應措施，暫停掌子面開挖，采用工字鋼緊貼掌子面封閉塌腔，完成噴射混凝土施工后，泵送C20混凝土對塌腔進行填充。4月18，在塌腔回填過程中，我監(jiān)測組全程監(jiān)測，過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

2、進口左洞：2020年7月3日，進口左洞掌子面開挖至ZK77+356處，因圍巖為較軟巖，且擠壓變形嚴重，在爆破擾動下，右側邊墻至拱腰部位初支出現(xiàn)環(huán)向裂縫;拱頂部位局部出現(xiàn)縱向開裂，同時出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。于是我監(jiān)測組及時采取措施，于7月4日上午11：00在ZK77+352里程布設1個拱頂下沉及凈空收斂監(jiān)測斷面;7月5日上午11：00在ZK77+360里程布設1個拱頂下沉及凈空收斂監(jiān)測斷面，截止到7月6日下午15：20，ZK77+352及ZK77+360斷面凈空收斂監(jiān)測斷面變化較大，并且發(fā)現(xiàn)ZK77+342～ZK77+360段落拱頂及左、右側拱腰多條縱向裂縫。監(jiān)測組從2020.7.6～2020.7.19連續(xù)對ZK77+342～ZK77+368段落發(fā)出變形較大的信號預警。

3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1、左洞監(jiān)測數(shù)據(jù)較大的為ZK77+345～ZK77+376段落，拱頂沉降在-10.99～-57.50㎜之間，綜合表現(xiàn)為整體沉降。周邊收斂在-14.4～-249.7㎜之間，綜合表現(xiàn)為水平收斂（BC測線）較大，兩條斜線變化不大的態(tài)勢，且周邊收斂的監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯大于拱頂沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)。綜合分析為兩側邊墻及拱腰部位變形較大。

2、右洞監(jiān)測數(shù)據(jù)較大的為K77+257～K77+275段落，拱頂沉降在18.1～-29.0㎜之間，綜合表現(xiàn)為兩側拱腰沉降，拱頂上揚的態(tài)勢，主要是由于初期支護施工期間拱頂部位塌方存在塌腔，拱腰兩側圍巖擠壓造成拱頂上揚的情況。周邊收斂在1.2～-23.2㎜之間，綜合表現(xiàn)為整體收斂的趨勢。綜合分析為左拱腰及拱頂部位為變形較大部位。

3、右洞初期支護施工期間K77+265里程左拱腰及拱頂部位出現(xiàn)塌方，定性為斷層破碎帶，圍巖主要為黑色炭質板巖，左洞在施工期間ZK77+352及ZK77+360斷面水平收斂變化較大。綜合確定為左洞里程ZK77+340～ZK77+380及K77+260～K77+300段落確定為變形較大段落。

4地質雷達分析

地質雷達原理：地質雷達探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅、頻率和相位不同來判斷前方傳播介質的變化。介質介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強弱程度和其相位的正負。巖石巖性、風化程度及其含水量等的變化將影響其介電常數(shù)，電磁波反射的頻率、振幅、相位也將發(fā)生變化，因此，根據(jù)電磁波反射的特征推斷掌子面前方的地質情況。

地質雷達參數(shù)：采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質雷達，100MHz天線，沿測線進行數(shù)據(jù)采集，連續(xù)探測，并得出雷達反射剖面。采集參數(shù)為：采集方式為連續(xù)，每掃描采樣數(shù)為1024，采集時窗為600ns。在ZK77+330～ZK77+380段落仰拱澆筑面上，沿隧道縱向方向共布置了1條地質雷達測線。地質雷達波普圖如圖5所示。

根據(jù)所做的地質雷達波譜圖可以看出：

（1）ZK77+330～ZK77+380段落仰拱以下（ZK77+330里程仰拱以下0～10米;ZK77+340里程仰拱以下0～20米;ZK77+350里程仰拱以下0～20米;ZK77+360里程仰拱以下0～14米;ZK77+370里程仰拱以下0～12米;ZK77+380里程仰拱以下0～7米）電磁波反射能量強度較強，電磁波同相軸連續(xù)性差，波幅較高，結合地質情況綜合分析可得：預報里程段范圍內(nèi)圍巖主要為未風化板巖含粉砂巖，圍巖節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖體極破碎。為斷層破碎帶。圍巖穩(wěn)定性較差。

（2）ZK77+330～ZK77+380段落仰拱以下（K77+330里程仰拱10米以下;ZK77+340里程仰拱20米以下;ZK77+350里程仰拱20米以下;ZK77+360里程仰拱14米以下;ZK77+370里程仰拱12米以下;ZK77+380里程仰拱7米以下）電磁波同軸連續(xù)一般，電磁波形一般，波形較較均一，結合地質情況綜合分析推測預報里程段范圍內(nèi)圍巖巖性主要為微風化板巖，以較堅硬巖為主，圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整，巖層主要為鑲嵌碎裂結構，巖層埋深較大可能存在高地應力現(xiàn)象，多呈裂隙塊狀結構，圍巖穩(wěn)定性一般。

5斷層破碎帶形態(tài)分析

從監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質雷達數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實際情況，進行綜合分析：

1、右洞出現(xiàn)的斷層破碎帶沿縱向（開挖方向）呈約34°（縱向45米，橫向30米）朝大里程傾斜。詳見下圖6

2、右洞出現(xiàn)的斷層破碎帶沿橫斷面方向呈14°（高差9米，橫向36米）朝左洞傾斜。詳見下圖7。

6結語

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質雷達數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實際情況得出斷層破碎帶的形態(tài)位置后，施工單位采取了響應措施：

1、進口左洞ZK77+330～ZK77+380段落基底仰拱進行加固。同時加強監(jiān)控量測工作。

2、進口右洞K77+260～K77+300段落拱腰以上部位進行注漿加固。同時加強監(jiān)控量測工作。

參考文獻

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作者簡介

李春國（1981—），男，云南昆明人，本科學歷，研究方向：地下工程與隧道工程。