隧道穿越软弱破碎带信息化施工方法*

赵 军 周跃峰

(1.安阳工学院土木与建筑工程学院，455000，安阳； 2.中铁二院工程集团有限责任公司，610031，成都//第一作者，教授级高级工程师)

隧道穿越软弱破碎带时极易发生塌方和突水等突发性灾害。一旦施工方法不当，造成的损失不可想象[1-3]。隧道穿越软弱破碎带时，采取常用开挖支护方式很难避免塌方及涌水等风险。因此，施工中除了按照一般工程施工技术要求外，还要采取针对性较强的辅助方法——信息化施工方法[4-6]。

20世纪40年代后期，土力学理论问世。此后，信息化施工方法随之逐步形成[7]。该方法的特点：评价、修正、再评价，在确保安全的前提下，进行下一道工序。20世纪60年代，奥地利学者拉布西维兹(L.V. Rabcewicz)教授在从事隧道施工实践和理论研究的基础上，提出了著名的“新奥法”施工模式。后来，随着计算机技术的不断发展，岩土力学参数的反分析及计算理论的研究取得了较多的成果[8]。文献[9]基于位移-应变反馈的基础上，提出了确定初始地应力与地层弹性参数值有限元法。文献[10]提出了同时确定初始地应力和地层特性参数的优化反演理论。至20世纪90年代，随着信息化量测技术的应用及数据处理技术手段的不断更新，信息化方法也得到了极大地发展。Palph Peck等在《施工反思》中写到：“信息化方法具有天生解决存在问题的能力……”国际隧协前主席Eisenstein曾指出：“信息化方法特别适于隧道工程。”可见，采用信息化方法施工形成了施工监控、及时反馈的连续性动态体系，可以预见险情，便于施工方及时采取措施，能修正指导施工，可为确保隧道安全通过软弱破碎带提供可靠信息，特别适用于隧道穿越软弱破碎带的施工过程。

本文以某隧道为例，总结相关经验，旨在为类似工程设计施工提供参考。

1 软弱破碎带隧道基础资料收集

1.1 工程概况

某隧道全长2 131 m，其进口段(DK 462+235—+390)为4.4‰的上坡，出口段(DK 462+390—DK 464+366)为3‰的下坡。该隧道采用信息化施工方法顺利地穿越了长达322 m的软弱破碎带。

该施工区段地表覆土较厚，相对高差为50～200 m。地表呈波状起伏，丘形与山脊多呈圆形及长条状等。丘间槽地相对平坦，植被较发育。

1.2 隧道软弱破碎带概况

隧道软弱破碎带所处里程为DK 462+850—DK 463+172，属逆断层。隧道与断层夹角约70°，走向约北西310°，软弱破碎带宽度为5～20 m，且含水量较大。为了加快施工进度，设计上采用进出口双向开挖方式。在施工过程中，进口端围岩出现大变形现象，而出口端也由于隧道涌沙，导致隧道堵塞。

2 隧道软弱破碎带信息化监控量测

由于隧道处于软弱破碎带地段，故应在相关规范的指导下，并结合具体实际情况布设测线。隧道监测结果显示：

(1) 1月25日～31日，在里程DK 462+515—+528段，衬砌出现了宽度在1～3 mm之间的纵向裂纹；在里程DK 462+530—DK 462+560段，地表出现了最大裂缝宽度为15 cm的环状裂缝。

(2) 5月7日，里程DK 463+200位置的隧道左侧拱腰处，在开挖过程中出现1个溶洞。该溶洞宽约1 m，高约2 m。

(3) 5月24日～27日，上述溶洞突然塌陷，同时出现涌水、涌沙现象，致使初期支护失效。

DK 462+500—DK 463+200段经过设计人员测绘及建议，补充了9个勘探孔。经过进一步勘探分析，该隧道处在岩浆挤压破碎带强风化带内，且节理裂隙及地下水发育；而DK 462+900—DK 463+050段正上方为1所小学及近100家住户。隧道在此软弱破碎带开挖，可能会给房屋带来安全隐患。

3 软弱破碎带隧道信息化施工

3.1 信息化施工

在隧道开挖过程中，将通过现场量测获得的监测信息，及时准确地反馈给施工现场；使施工一线的技术人员能及时调整和确定合理的围岩动态支护参数。这个过程即为软弱破碎带隧道信息化施工[11-15]。图1为软弱破碎带隧道信息化施工流程。

图1 软弱破碎带隧道信息化施工流程

3.2 治理措施

针对案例隧道围岩破碎带信息化监测结果，指挥部专项研究小组最终决定采用超前注浆的方法加固围岩，以强化支护，并对该隧道支护及衬砌等进行了相应调整。

3.2.1 DK 462+635—DK 462+850段

(1) 拱部采用每环15根、长为8 m，φ75的超前注浆管棚。该注浆管棚纵向间距为3 m，环向间距为0.6 m，浆液采用单液水泥浆。

(2) 支护结构采用全环I18型、榀间距为0.6 m的钢架，同时加设网格间距为25 cm×25 cm的φ8钢筋网，混凝土喷层厚度为25 cm。此外，为补充注浆，还在拱墙上布置了长为3 m、间距为1 m的φ42预留锚管。

3.2.2 DK 462+850—DK 463+172段

为了防止地下水涌入，采用水泥-水玻璃双液浆超前帷幕进行加固。加固范围为：拱部开挖轮廓线以外5 m以内，边墙开挖轮廓线外3 m以内。注浆帷幕布置见图2。具体技术要求如下：

(1) 水泥浆与水玻璃浆液体积比为1∶0.8，其中水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃浓度为40 Be，水玻璃模数为2.4～2.8。Na2HPO4为缓凝剂，其掺入的质量为水泥质量的2%。

a) 注浆纵断面布置

b) A-A断面

c) B-B断面

(2) 拱部采用8 m长、间距为30～40 cm的φ75超前管棚预支护，并配合采用榀间距为0.6 m的I18型钢架支护。

(3) 加设网格间距为25 cm×25 cm的φ8钢筋网，混凝土喷层厚度为25 cm。此外，为补充注浆，还在拱墙上布置了长为5 m、间距为1 m的φ52预留锚管。

(4) 在可能出现流沙的掌子面地段，开挖时应喷射厚度为10 cm的混凝土面层，以及时封闭流沙。

(5) 采用台阶法开挖，在拱脚处设锁脚锚管，以防止拱脚收缩和掉拱，同时还设置了临时仰拱。

3.3 施工效果

针对案例隧道开挖过程中遭遇复杂的地质条件(如岩体破碎、含水量大，小溶洞塌陷等)，采取了超前注浆帷幕加固及现场围岩监测等措施，确保了隧道安全顺利地通过此次破碎带。

对DK 462+632里程处断面起拱点的水平净空收敛测量，测量结果如表1所示。起拱点的收敛-时间曲线见图3。

表1 隧道水平净空收敛观测记录

图3 水平净空收敛-时间曲线

4 结论

(1) 通过对某隧道实施信息化施工方法，准确及时地反馈了施工信息，从而有效地指导和确保隧道得以安全顺利进行穿越300 m以上的破碎带，既避免发生事故后再处理，节省工程投资，又保证施工进度。

(2) 在隧道软弱破碎带施工中，需根据现场的实际工程地质条件，对围岩的变形进行监测和严格控制，便于在施工中第一时间掌握突发情况，能迅速调整施工方案，使现场施工安全始终可控。

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