高铁隧道断层破碎带影响范围分析

赵青云，曹广勇，赵红飞，刘继文，翟朝娇

（1.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601；2.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012）

0 前言

我国地质构造非常复杂，山地占我国大部分国土面积，随着时代的发展，修建更多的交通路线成为必然，隧道是交通中的重要组成部分，在公路选线设计中，不可避免地遇到隧道下穿断层破碎带的情况。断层带对施工危害非常大，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。

钟威等[1]分析影响断层带隧道稳定的因素，在断层隧道施工风险评估上运用了层次分析的方法。罗利锐等[2]对于断层隧道围岩稳定性进行了研究，结果表明断层交会和断层归并复合很容易引起围岩失稳，断层的风化程度、走向和隧道中线的走向的夹角也对围岩稳定性有比较大的影响。潘雪峰[3]以实际工程宝塔山隧道为背景，分析了穿越隧道断层破碎段的衬砌结构设计及施工防治措施，为类似的工程提供了施工参考。蒋建平等[4]通过研究发现正断层倾角的变化对隧道围岩稳定性影响比较大。郑文筠[5]在隧道断层段施工过程中运用了超前地质预报和三台阶法等技术措施和施工工艺，保证了施工安全，为断层带施工积累了经验。但对于断层带对隧道的影响范围研究较少。本文以太（原）焦（作）高铁皇后岭隧道为工程背景，依托现场的监测数据，对断层破碎带的影响范围进行研究，这对于过断层高铁隧道施工安全有重要意义。

1 工程背景

1.1 线路设计概况

皇后岭隧道位于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。其中正线洞门50m占1.1%，明洞300m占6.6%，暗洞V级围岩有1590m占35%，IV级围岩1150m占25.3%，III级围岩305m占6.7%，II级围岩1145m占25.3%。

并设置一处斜井与正洞交于DK243+750，斜井长度700m，最大纵坡11%，与主线隧道成133°斜交，施工完成后作为永久逃生通道保留。

1.2 地质构造

皇后岭隧道位于沁水盆地东南缘，晋获褶断带的西侧。区域构造方向基本与地层总体走向一致，均为北北东向。地层倾向北西，倾角平缓，一般为5°～15°。地貌单元主要有剥蚀低中山、低山地貌。进口地面标高约为927.61m，中间的地段分布以低中山为主，地形切割较浅，其中沟谷发育，海拔一般为994m～1131.02m之间，出口海拔1002m左右。最高点位于刘家山村东南山岭，海拔1131.02m，最低点位于隧道进口处，海拔约为972.61m，相对高差为158.41m。隧道最高点海拔高程1131.02m，隧道最大埋深142.59m。

本文研究区域为断层带及其附近隧道，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。

图1 隧道地质剖面及断面尺寸

2 开挖和支护方案设计

断层地段设计为V级围岩，采用三台阶临时仰拱法施工。开挖方式采用弱爆破方式开挖，开挖时考虑预留变形量为20～25cm，日进尺1.2m，开挖示意图如图2所示。

图2 三台阶临时仰拱开挖示意图

图3 锚杆布置纵断面图

主要开挖及支护过程如下。

利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。开挖①部，欠挖处理完毕，确定围岩安全后，施作①部导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网片，架立I20型钢架，并设锁脚钢管，复喷混凝土，施做砂浆锚杆，锚杆梅花布置，环间距1.2m×1m。施作①部临时仰拱，先在平台底部喷射4cm混凝土，然后加设I18轻型钢架，覆盖后再喷3cm厚混凝土保护层，共25cm厚。要求临时仰拱在初支主拱架每两榀做一次，必要时封闭掌子面。

在滞后于①部一段距离后，先拆除①部2～3榀I18临时钢架，再开挖②部，开挖②部方法与开挖①部相同。要求：中台阶左右至少要错开三榀开挖，严禁两边拱架同时悬空。欠挖处理完毕，确定围岩安全后，开挖面周边部分初喷4cm厚混凝土，挂设钢筋网片，架立钢架，架立钢架并设锁脚钢管。平台底部喷4cm厚混凝土，施作②部临时仰拱，必要时封闭掌子面。挂钢筋网片，然后复喷混凝土至设计厚度，施做砂浆锚杆。

在滞后于②部一段距离后，开挖③部，开挖③部方法与开挖①部相同。要求：下台阶左右至少要错开三榀开挖，严禁两边拱架同时悬空。初喷4cm厚混凝土，架立钢架。隧底周边部分喷混凝土至设计厚度。仰拱初支开挖不得大于3m。

主要支护参数见下表。

主要支护构件及参数

3 断层影响范围分析

3.1 洞内监控测量

洞内监控量测点布设：中心洞顶设置1个沉降点，中台阶两侧各设置一个收敛点。沿隧道纵向间隔5m布设一个断面。同时当衬砌完成后，继续按照5m间距在衬砌表面设监控点进行监控，测量频率为1次/d，监测周期为60d。

观测点布置要求：洞内测点用3cm×3cm正方形反光贴做为观测标志，贴在5cm×5cm钢板上，采用透明胶带包裹，保证反光贴不脱落，钢板与钢筋焊接做为观测桩。观测桩埋设在初喷混凝土后，采用手机钻机打孔，打孔深度不小于10cm，将观测桩砸入孔内，确保稳固，待喷射混凝土完成后，将观测桩覆盖粉粒擦拭干净后并采集初始读数，并悬挂测点标示牌。

变形监控量测采用全站仪进行，测点采用反光贴作为反射元件，量测方法采用自由设站和固定设站两种方法。拱顶下沉量测采用全站仪测量。测点应与隧道外测量基准点进行联测。

为验证位移趋于稳定，根据围岩沉降收敛累计变化图，选取之前布置在DK243+210和DK243+220断面的测点进行对比。断面的5个位置安装钢筋应力计，测量频率为1次/d，监测周期为20d。测点具体布置如图4所示。

图4 测点分布示意图

图5 沉降观测大样点

3.2 监测结果分析

图6为围岩沉降收敛累计变化图，图7 DK243+210断面拱架轴力变化图，图8为DK246+220断面拱架轴力变化图。

分析可知：

①断层中心的拱顶沉降和拱腰收敛最大，分别为12.1mm和4.7mm，属于重点监测断面，靠近断层的监测面拱顶沉降和拱腰收敛比较大，离断层较远的监测面拱顶沉降和拱腰收敛较小，表明距离断层越近，围岩受开挖和断层扰动影响越大，导致围岩变形相对较大；

②随着监测面远离断层，拱顶沉降和拱腰逐渐减小，距离断层超过55m后，监测面的拱顶沉降和拱腰收敛逐渐趋于稳定，拱顶沉降稳定值维持在8.2mm左右，拱腰收敛沉降稳定值维持在1.8mm左右；

图6 围岩沉降收敛累计变化图

图7 DK243+210断面拱架轴力变化图

图8 DK246+220断面拱架轴力变化图

③由图7和图8可知DK243+210和DK243+210断面的拱顶轴力都在17天之后趋于稳定，DK243+210拱顶轴力稳定在407kN左右，拱腰轴力稳定在101kN左右，DK243+220拱顶轴力稳定在390kN左右，拱腰轴力稳定在83kN左右，两个断面的拱顶轴力都是在1～3天增速较快，后来逐渐减小。拱顶轴力受开挖支护影响较大；

④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，拱顶轴力远小于钢材的屈服强度。说明设计采用的开挖方案合理，支护强度满足要求。

4 结论

①拱顶轴力在17天之后趋于稳定，拱顶轴力都是在1～3天增速较快，后来逐渐减小，拱顶轴力受开挖支护影响较大。

②断层中心的拱顶沉降和拱腰收敛最大，分别为12.1mm和4.7mm，属于重点监测断面。

③随着监测面远离断层，拱顶沉降和拱腰逐渐减小，距离断层超过55m后，监测面的拱顶沉降和拱腰收敛逐渐趋于稳定，断层的影响范围在55m左右。