仁新高速青山隧道断层破碎带施工方法和工艺研究

骆 巍

（保利长大工程有限公司，广州 511431）

1 隧道断层基本地质情况

仁新高速某标段青山隧道起讫桩号K243+357～K264+000，长2643m，最大埋深约256m，隧道设计为双向六车道，隧址位于粤湘褶皱带的交界处，根据设计图纸揭示，隧道共穿越3 组断层破碎带F9、F11、F12，断层两侧的影响范围较大，在影响范围内岩体自稳能力差，侧壁稳定性差，节理裂隙密集发育，岩体破碎，成洞条件差。

2 对断层分析研究

2.1 研究方法手段

隧道施工至距设计破碎带50 米时应及时观察掌子面围岩变化，采用TSP203和地质雷达对掌子面进行综合预报，查明破碎带的准确位置、岩体破碎程度和含水构造情况。在施工断层的过程中，以量测数据作为指导施工、科学决策的基础。量测项目包含：拱顶下沉、周边收敛、围岩与初支接触压力、初支与二衬接触压力和应变。

2.2 数据采集

断层区间按照每3 米左右布设变形量测断面，采用5 条基线监测围岩的收敛变形；根据岩层发育的实际情况，每1～2 米范围测试围岩变形和接触压力，断面左右侧各埋设压1 个力盒。对开挖地段及衬砌地段地应力变化进行压力监测，二次衬砌中监测断面以每10 米段设置1 个。

2.3 对挤压性围岩大变形组织有关人员进行探讨

以南昆铁路的家竹青隧道为例，家竹青隧道是我国南昆铁路上的著名险洞，以高瓦斯、高地应力、大涌水而著称。由于煤系地段软弱（Ra=1.7MPa），且地应力较高（16.09MPa），在390m 长的地段内产生了大变形，洞壁位移60～80cm，（最大160cm），拱顶下沉接近100cm。之所以变形这么大，与设计阶段对大变形缺乏判断有关，当时国内对高地应力挤压性围岩尚缺乏认识，以为只是一般的软弱地层，故只采用了一般标准的初期支护[1]。施工中的变更设计是：① 改善洞形，加大边墙曲率；② 将预留变形量加大为45cm（拱）及25cm（墙）；③ 系统锚杆加长为8m（后期经应力量测，隧道锚杆减为4～7m）；④ 喷混凝土加厚（初喷20cm，复喷15cm），设三道纵缝；⑤ 钢架改为U29 可缩式[1]。

3 通过分析研究达到如下目的

3.1 对断层围岩特性的深入认识

1）了解围岩的基本性状，例如透水性、变形有无规律、对次级构造影响有多大等等。

2）掌握挖仰拱时，接长钢支撑变形情况。

3）掌握变形与喷射混凝土的关系。

4）掌握变形与初支的关系。

5）掌握变形与时间的关系。

3.2 通过压力、变形测试统计分析得出一定的结论

1）隧道开挖过程对初支压力和变形的影响。施工扰动是软弱围岩中诱发大变形的原因，一般情况可能会是掌子面开挖后方10～20m 段对于各项施工参数产生影响主要是对压力、变形影响较大，更远的距离则无较大影响；故仰供施作应当在钢支撑完成后及时跟上，仰供施作完成后，初期支护成为闭合受力的结构，软弱围岩和初期支护结构达到了基本稳定；初期支护转换过程中，尤其掌子面开挖扰动，影响未施工二衬位置对软弱围岩的变形控制，此时锚杆的作用尤其重要，关键是系统锚杆的设计施工，尤其是长锚杆的运用[2]。

2）初支施工后与二次衬砌间接触压力的变化。有可能仰拱与边墙接头处存在压力集中、断面突变的现象；在收敛速率大于规范要求的速率情况下提前施做的二衬，通过监测，二次衬砌受力较小，初期支护基本会处于良好的工作状态。在初期支护和二次衬砌间埋设测试压力盒，在假定二次衬砌和初期支护是全面接触的，隧道结构属深埋无明显偏压作用，衬砌结构刚度在整个断面上是均匀的、钢筋混凝土按28 天后强度计算，所得的压力值在全断面上若是均匀变化的，取其最大值作为主要荷载，对模筑钢筋混凝土的承载力、变形、斜截面抗剪强度进行结构检算，安全度应该满足设计要求[2]。

4 采取的主要工程措施

依据初步掌握的断层的围岩特性和变形规律和我们过往的施工经验，拟采取以下的主要工程措施。

1）通过一段时间施工后，利用量测成果得出一定的围岩变形规律，要对变形量进行预测，留足变形量，否则二次拆换很费劲。

2）短台阶。上下台阶保持5～7m，上台阶留核心土。

3）强支护。初期支护、二次衬砌足够强，允许发生变形，但须及时有效约束。

4）早封闭。早封闭对强支护起至关重要作用，保证仰拱距离下台阶为15-20m。

5）勤量测。监控量测是必不可少的一个环节，作为主要工序来安排和管理，及时分析及时反馈。

6）重视锚杆的作用，确保注锚的质量。

7）快衬砌：断层破碎带围岩挤压力较大，变形时间久，通过快衬砌，用强的二衬结构抵抗余存的变形压力。

8）施作到位，施工中实施全程监控，确保注锚质量、钢支撑稳定、接板连接牢固、钢架与围岩间密贴、喷射混凝土厚度达标等，特别注重细节，每道工序严格把控。

5 制定相应的具体施工对策

依据前期施工的经验和通过科学手段获取的断层围岩的一些特性和规律，应及时对断层的施工工艺和方法、施工流程、管理措施等方面做出以下调整：

1）根据围岩情况调整支护参数并进一步加强支护强度。

2）减小超前小导管环向间距，增加导管数量；导管的搭接长度可适当加长。

3）初期支护的型钢可加大，且型钢的间距可缩小，甚至可采取双层型钢支护。

4）增加预留变形量，确保二次初期支护的空间。

5）加长初期支护的系统锚杆长度；每榀型钢增设锁脚锚杆数量。

6）加厚二次衬砌的厚度，主筋的纵向间距缩小，主筋加密，或在钢筋中间加设型钢。

6 拟制定出符合断层岩性特征的施工方法和工艺

1）施工方法。根据经验我部建议施工采用上下短台阶法，上台阶的长度控制在6m；下台阶长度控制在18m，掌子面距离二衬距离严格按规范要求控制。上下台阶的划分高度保证施工作业要求。重视现场监控量测和超前地质预报，依据每日量测情况来调整施工工序，根据不同的情况，分别采用超前支护预注浆、局部断面预注浆等注浆方式、全断面周边预注浆、全断面帷幕预注浆等措施施工，将地下水尽可能封堵在围岩内，以确保施工及结构的安全。。

2）施工工艺。掌子面开挖采用人工风钻完成开挖掌子面和施工锚杆。初支喷射混凝土采用湿喷机保证初支混凝土强度；掌子面扒渣、装渣、挖仰拱、找顶均采用挖掘机来完成，配备6 台20 吨的自卸卡车来完成洞内石渣的运输任务；仰拱施做要一次性施工到位，单次施工长度不超6m，不能左右分段施工，施工时采用栈桥铺通运输通道，不影响前方掌子面的施工，基本可以和前方掌子面出渣或者进料平行进行。

7 结语

本文通过对仁新高速青山隧道断层破碎带工程的应用实例，总结了断层破碎带的施工方法。目前仁新高速已建成通车，施工过程未出现坍塌、涌水、突泥等质量问题，实践证明，通过对断层破碎带的深入研究分析，制定的断层岩性特征的施工方法和工艺可靠，达到预期施工目的，可在同类隧道中推广应用。