隧道断层破碎带加强初期支护研究与应用

李晓宏

（山西二建集团有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

保障交通、提高交通运行效率对促进经济发展来说具有重要意义，随着我国交通工程建设事业的不断发展，隧道工程的建设规模也不断扩大。但隧道工程施工中需要面对的地质环境十分复杂，如何提高隧道工程的施工质量和施工安全早已成为众多工程建设人员思考的重要问题，以实际工程经验为例探讨工程技术，对提高我国隧道工程施工技术水平具有积极促进作用。

1 工程概况

本文以太行山一号国家观光旅游路平定段建设项目为例，娘子关—固关环线（程家—槐树铺）段第四合同段，太行山一号国家观光旅游路平定段建设项目娘子关固关环线（程家—槐树铺）段第四合同段位于平定县娘子关镇程家村东石太铁路桥下，与乡道033相接，路线向南沿白蹄沟布线，穿越1座隧道后，经过岭后村、槐树铺村，下穿太旧高速公路后至本项目终点，路线终点位于平定县柏井镇槐树铺村东南，与国道307相交，路线全长13.286456km。

全线采用四级公路技术标准，设计速度20km/h，路基宽度4.5m，隧道净宽采用8.5m。本标段线路全长全长1.3km，起终点桩号为K9+320~K10+620，包括路基土石方、涵洞、浆砌挡墙防护、混凝土挡墙防护、排水沟及急流槽、路面结构层为水稳层（20cm+20cm）+中粒式沥青5cm、盖板涵洞3道、青龙山隧道长218m，净空8.5m×5m，明洞11m、V级围岩109m、Ⅳ级围岩98m；波形护栏734m，交通标识牌14处；绿化面积1157m2。本文以此为例，对隧道断层破碎带加强初期支护进行深入研究。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

平定段建设项目所在区域中地层岩性非常复杂，进口附近为第四系上更新统坡洪积（Q3dl+pl）新黄土夹砂砾石，洞身范围为太古界马市口组（Arm）麻粒岩、黑云母斜长片麻岩、磁铁石英岩及太古界下白窑组（Arm）浅粒岩，局部可见基性辉绿岩脉及酸性花岗伟晶岩脉侵入。断层破碎带地段分布为构造挤压破碎岩与泥质夹层。

2.2 地质构造

娘子关固关环线隧道洞身穿越地区地质构造情况复杂程度较高[1]。地质构造行迹的变化主要受前震旦纪、中生代和新生代构造运动的影响，三期地质构造运动分别对当地地质构造产生了深远的影响，最终构成以断裂为主、存在小规模褶皱，岩浆活跃度高的地质构造表现。

2.3 地下水特征

娘子关固关环线隧道地区地下水以基岩裂隙水和构造裂隙水为主[2]。其中基岩裂隙水主要赋存在节理、构造裂隙、断裂破碎带中，并可进一步划分为基岩裂隙潜水和承压水，基岩裂隙潜水通常广泛分布在较浅地层中；该段承压水的产生原因主要是因为多期构造运动造成隧道围岩节理以不同趋势发育，软弱破碎带因受到不同时期构造运动的影响，内部被沿脉切割和侵入，导致软弱破碎带中的出现大量断层泥或构造夹泥层，隔断地下水的正常流动，进而发展成层位隔水和层位含水穿插存在的地下水构造区域，地层局部含有承压水。在工程建设前期地质勘察阶段，结合地质勘察报告计算出隧道用水量数值，隧道涌水值范围在16013~61157m3/d范围内，其中塌方段最大涌水量约为17688m3/d。

3 隧道断层破碎带变形问题分析

3.1 围岩变形过程

娘子关固关环线隧道工程施工至DK29+376～406段后，掌子面出现涌水和溜渣现象，施工队伍立即采用混凝土喷射方式对掌子面进行处理和加固。工程继续推进，10d后在施工人员套拱施作时，涌水量突然增大，造成初期支护结构和混凝土结构严重受损，部分位置严重变形伴随塌方现象。直到20d后，涌水量有所缓和，施工人员开始逐步实施加固换拱作业。

3.2 变形原因

通过多方验证，认为隧道施工中出现变形主要是在岩性特点、结构面特征、多期构造运动产生的深远影响和地下水流动几项因素共同作用的下引发的[3]。娘子关固关环线隧道工程所带区域岩系主要是从中酸性浅层岩变质所得，通过检测发现自然状态下变质岩单轴抗压强度为0.22MPa，风干状态下单轴抗压强度为1.8MPa。构造挤压破碎带的软化系数Ks＜0.22/1.8=0.12。不仅自身强度低，而且工程性较差，同时多期构造运动造成岩体内泥质夹层和断层泥含水量高，容易发生塑性变形。结构面中含有发育水平很高的挤压破碎带，挤压破碎带中含有断层泥及构造泥质夹层、压碎岩等多种结构，虽然干燥时具有较高强度，但遇水后会快速崩解，隧道开挖过程中使结构面中含水量发生变化，造成涌水量突然增大的情况[4]。

4 隧道断层破碎带加强初期支护应用

4.1 锚杆及初期支护结构处理

锚杆设计是经过大量工程验证对隧道工程具有良好支护效果的受拉构件，强化锚杆质量，提高锚杆施作质量，能有效改善围岩变形情况[5]。

4.2 注浆加固处理

娘子关固关环线隧道塌方路段主要表现为右侧临时挡墙后松动岩体塌方，经专家商议后，决定采用外堵内固注浆方法加固岩体，通过连续注浆建造止水帷幕，拦截地下水，避免岩体在地下水的冲刷下再次发生松动或塌方，止水帷幕的建造能有效提高初期支护的稳定性，并在两端设置泄水孔，及时排出积水。泄水孔的建造材料采用φ42mm、长为6m的小导管，导水管设置间距为1.5m×1.5m，泄水孔设置间距为3m×1.5m。止水帷幕注浆材料是由多种材料共同构成，主体材料为硫铝酸盐水泥单液浆，同时配合少量普通水泥[6]。

4.3 增设临时挡护墙

在塌方路段右侧增设临时挡护墙，以保障隧道工程和施工人员的安全性。挡护墙材料选用I16b型钢，钢架安装间距设为1.2m，浇筑作业间隔为4m，待临时挡护墙混凝土浇筑结构达到设计强度后，拆除和更换发生破损的仰拱。共设计三种临时挡护墙施工方案，各施工方案优缺点对比如表1所示。

表1 临时挡护墙施工方案对比

全面考虑各施工因素的优缺点后，最终选用第二种施工方案。

4.4 加强初期后换拱

拆除塌方段段止浆墙后进行换拱作业，并利用挂板混凝土对初期支护结构进行强化，混凝土注浆厚度为30cm。再对塌方段进行换拱处理，利用挂板混凝土进行加强支护，完成换拱后，须立即开展二次衬砌施工。

结合科学的施工方案，对塌方路段全段进行注浆加固、提高锚杆和支护结构的强度、增设临时挡护墙、拆除后重新施作，再重新注浆塌方路段、逐段拆除，最终完成控制该段围岩大变形的施工目的。娘子关固关环线隧道自完成施工通车后，始终处于良好状态。

5 工程经验总结

（1）娘子关固关环线隧道断层破碎带在施工过程中出现大面积塌方和变形的原因较多，主要是因为隧道工程所处位置地质环境和地下水分布情况复杂程度较高，围岩在岩性特点、结构面特征、多期构造运动产生的深远影响和地下水流动几项因素共同作用下出现松弛和破裂，最终出现塌方和变形情况[7]。由此可知，在实际隧道工程施工中，必须预先对工程建设区域的地质条件、地层结构、岩性结构、地下水分布情况等进行充分地勘察，使工程设计人员能全面地掌握工程建设区域的地质数据，在施工过程中采取科学的方式封堵和排出地下水，降低地下水对隧道工程结构的影响，避免其产生联通，并尽快使初期支护封闭成环，缩短二次衬砌间隔时间，规避隧道开挖面中岩体出现力学上的变化，保证岩体始终处于稳定状态，才能最大限度减少隧道塌方事故的出现概率。

（2）当隧道工程在施工过程中出现塌方变形情况后，应综合性考虑强化支护结构、排堵地下水和注浆加固等因素，避免采用难以全面应对塌方事故的单一应对措施[8]。

（3）隧道工程发生塌方或变形情况后，应增设必要的临时挡护墙结构，既能有效减少地下水继续发展影响后续施工，又能为施工人员提供安全的施工作业环境。先利用临时挡护墙对变形塌方路段进行隔离，继续隧道掘进作业，在整体结构稳定后对塌方变形段尽心迂回处理。迂回处理作业中，使用针对性较强的注浆作业方式，待注浆部分达到工程设计强度后，再以分段拆除换拱的方式进行处理，既能减少对隧道工程正常施工的影响，保证隧道工程在计划施工周期内完成施工，保证工程建设成本，又能通过继续掘进作业为处理塌方变形段提供更加宽阔的作业空间，同时提高塌方处理的安全性。