高铁隧道穿越断层破碎带围岩控制效果分析①

赵红飞，赵青云，刘继文，曹广勇，翟朝娇

(1. 中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2. 安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我国幅员辽阔，山地占主要成分，随着大力发展交通，山区修建公路又受地形制约，必然会修建大量隧道。断层破碎带是隧道中常见的不良地质现象，其分布极易出现拱顶塌方、大变形等工程事故，给施工带来巨大损失[1]。

现今国内外对于隧道穿越断层破碎段的围岩稳定性及其变形做了大量研究[2-6]。Jeon Seokwon Kim[2]发现了隧道节理裂缝延伸规律。辛纯涛[3]对比较常见的断层破碎带围岩监测方法进行了总结和分析，实际证明检测技术的应用。林建奎[4]发现了缩短工序循环时间，加快施工进度，能更有效控制围岩收敛变形。李兴春[5]对某隧道断层破碎段大变形产生的原因提出了超前支护、短台阶等施工方法。毕旭冰[6]等发现采用台阶开挖方法可以减小断层破碎带对围岩的影响。

本文以太(原)焦(作)高铁皇后岭隧道为工程背景，选取典型断面，对比分析围岩变形规律，评价开挖及支护方案是否合理，以其为类似条件工程提供参考。

1 工程背景

皇后岭隧道位于太行山中南段的长治盆地南缘，地属山西省长治市县境内。起始里程为DK241+765终点里程为DK246+305，全长4540m。隧道进口位于长治县辛呈村西南角；隧道出口位于长治县西八村东南，往南距685县道约110m，往东距207国道约360m。隧道最大埋深142.56米。

研究区域为隧道断层破碎带段，洞身地层为石灰岩，泥岩、砂岩。石灰岩：深灰色，弱风化，见溶洞。泥岩：深灰色，强风化。砂岩：浅灰色，弱风化。该段节理裂隙极发育，岩体极破碎，洞身段受构造影响，断层内岩体极破碎，呈散体结构。隧道埋深范围约29.5m-44m，围岩等级为V级。隧道地质剖面及断面尺寸如图1所示。

选取的两个典型断面分别位于DK243+190和DK243+390，间隔200m。其中DK243+190断面邻近断层，DK243+390断面为常规段。

图1 隧道地质剖面及断面尺寸

图2 断层破碎带现场

2 开挖和支护方案设计

选取的隧道区段为V级围岩，根据工程地质、水文地质和围岩级别，开挖V级围岩开挖采用三台阶临时仰拱法。开挖方式采用弱爆破方式开挖，开右至少要错开三榀开挖，依次开挖上、中、下台阶，日进尺1.2m。每层台阶开挖后，随即初喷混凝土和安设拱架。开挖示意图如图3所示，图中I—Ⅲ为相应台阶开挖顺序，①—③为相应支护顺序。

图3 三台阶临时仰拱开挖示意图

主要开挖及支护过程如下：

(1)开挖上台阶I，初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网片，架立I22型钢架，复喷26cm厚混凝土保护层，施作中空组合锚杆。施作上台阶临时仰拱，在平台底部喷射4cm混凝土，架设I18轻型临时钢架，复喷混凝土至设计厚度25cm，施作砂浆锚杆，锚杆梅花布置，环间距1200mm×1000mm。上台阶一次开挖一榀拱架间距。

图4 锚杆布置纵断面图

图5 测点分布示意图

(2)开挖中台阶Ⅱ，滞后上台阶一段距离后，拆除I部2～3榀I18临时钢架，再开挖Ⅱ。初喷4cm厚混凝土，挂设钢筋网片，架立I22型钢架，复喷26cm厚混凝土。施作中台阶临时仰拱，与上台阶相同。中台阶一次开挖两榀拱架间距。

(3)开挖下台阶Ⅲ，与中台阶相同。需要特别注意的是：中、下台阶开挖时至少错开2榀拱架施工，严禁两边拱架同时悬空。下台阶两侧开挖相隔距离3～5m；仰拱初支开挖不得大于3m。

主要支护参数见表1。

表1 主要支护构件及参数

3 围岩控制效果分析

3.1 监测方案设计

本文监测方案分为位移监测和受力监测。

位移监测包括拱顶下沉和水平收敛，监测断面为DK243+390和DK243+390，拱顶下沉测点设置在拱顶轴线附近，水平收敛测点对称分布。测量频率为1次/d，监测周期为60d。测点具体布置如图5所示。

受力监测包括围岩接触压力和拱架的轴力，监测断面为DK243+190，对监测断面的5个位置安装仪器，每个位置安装一个土压力盒和两个钢筋应力计。测量频率为1次/d，监测周期为10d。测点具体布置如图5所示。

3.2 监测结果分析

3.2.1 位移分析

图6为两个典型断面围岩收敛变形图。

(a) DK243+390断面 (b) DK246+190断面

图7 拱架轴力变化图(单位：kN)

分析可知：

(1) 常规断面dk243+390在26d后趋于稳定，断层带断面dk243+190在32d后趋于稳定。各断面拱顶的累计下沉量均大于水平收敛量，说明断层破碎段拱顶属于重点监控部位。

图8 围岩接触压力变化图(单位：kPa)

(2)两个断面各部位围岩的变形在上、中台阶开挖时变化明显，波动范围较大，断层带断面拱顶沉降和各处收敛量均大于常规断面。以变化范围在±0.2mm/d以内为稳定标准，常规断面的围岩变形在下台阶支护完成2d后基本趋于稳定，断层带断面的围岩变形在下台阶支护完成10d后基本趋于稳定。

(3)DK243+190断面的拱顶沉降量最大，达到10.1mm；DK243+390断面最小，为8.8mm。水平收敛最大值位于DK246+190断面上台阶B-C处，达到5.8mm，最小值位于DK243+390断面上台阶D-E处，为1.7mm。断层破碎段下，由于围岩松散、破碎，围岩收敛变形相对较大。

(4)本文研究范围内，隧道施工时，拱顶下沉受上台阶开挖扰动明显。以DK243+390断面为例，上台阶开挖完成后拱顶下沉量为4.9mm，约占最终监测值的50%；中台阶开挖引起的变形量为2mm，占20%；下台阶开挖引起的变形量占15%；开挖完毕到围岩稳定的变形量占15%。

(5)各监测断面的累计变形量均远小于预留变形量，处于允许范围内，说明设计采用的开挖方案合理，支护强度满足要求。

3.2.2 受力分析

图7为断层破碎带钢拱架轴力变化图，所受均为拉力，单位为kN。图8为围岩接触压力变化图，单位为kPa。

可以看出：

(1)拱架整体受力形态呈非对称性，受力形态差异较大。这是由于断层带的构造导致空间扭曲，使得拱架整体受力形态差异较大。

(2)拱架轴力最大的位置为拱顶，最大值为379.98kN，拱架轴力最小的位置为右拱腰，最小值为5.24kN。围岩接触压力最大的位置为拱顶，最大值为196.22kPa，围岩接触压力最小的位置为右拱肩，最小值为24.40kPa。拱架上的测点远小于钢材的屈服强度。

(3)随着掌子面推进，拱顶的轴力和围岩接触压力增速最快，其他位置相对较小，说明拱顶属于重点监控部位。围岩接触压力变化最大的部位是拱顶和右拱肩，都属于重点监控部位。

(4)距离掌子面1.2m到6m这段，拱架轴力和围岩接触压力变化速率较快，距离掌子面12m时，拱架轴力和围岩接触压力的分布规律趋于稳定。

4 结 语

(1)太焦高铁皇后岭隧道断层破碎段埋深29.5m-44m，围岩等级为V级。设计采用三台阶临时仰拱法施工，主要支护构件为I22型钢架。

(2)断层破碎段隧道拱顶下沉和水平收敛均在32d后趋于稳定，常规隧道拱顶下沉和水平收敛均在26d后趋于稳定。接近断层破碎段的监测断面位移最大，拱顶受上台阶开挖扰动最大，受中、下台阶开挖影响较小。

(3)断层破碎段下，在距离掌子面1.2m到6m这段，拱架轴力和围岩接触压力变化速率较快，在距离掌子面12m时，拱架轴力和围岩接触压力的分布规律趋于稳定。

(4)三台阶临时仰拱法在高铁隧道穿越断层破碎带等软弱围岩施工时方法可行，以I22型钢架为核心的支护方案满足围岩控制需求，为类似条件工程施工提供了参考。