大型断裂融合带特长铁路隧道修建关键技术探讨

朱麟晨

(中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031)

云南地区因地处区域性大断裂发育地质环境，会加大施工难度。目前已有学者对隧道穿越大型断裂时的受力机理和控制措施进行研究。程国然[1]以在建丽香铁路为依托研究地震高烈度区隧道稳定性的影响因素；刘恺[2]、孙风伯[3]、许丁予[4]等分析了穿越活动断裂带隧道的错动破坏机理和抗错动措施；黄胜[5]、方林[6]、张云鹏[7]等采用室内模型试验和理论分析相结合的方式，分析隧道在穿越复杂地层断裂带下的地震响应特性，并提出相应的抗震设防措施；余莉[8]、宋晃[9]等依托实例介绍了超前地质预报在断裂带隧道中的应用；王芳[10]通过建立理想模型对位于陡倾断裂带中的深埋隧道涌水影响因素进行了研究。

以上研究多是从单条断裂带对于隧道影响的某一个方面进行，关于区域性大型断裂带对隧道的系统性影响及处置措施研究较少，且关于在多条区域性大断裂影响下的融合地段修建特长隧道的关键技术更鲜有系统性的报道[11]。本文依托广大铁路祥和隧道的修建，研究总结在大型断裂融合带处修建特长隧道的关键技术。

1 工程概况

祥和隧道全长10 220 m，为双线隧道，最大埋深为720 m，线路纵坡设计为人字坡，坡度分别为+0.5%和-0.48%，考虑工期、通风、排水，以及防灾救援等因素，于线路右侧设置贯通平导，长度为10 076 m。祥和隧道地质纵断面见图1。

图1 祥和隧道地质纵断面简图

该隧道为I级风险隧道，同时也是广大线头号高风险隧道。隧道穿越9条大断层，为国内首座位于2条区域大型活动断裂融合带的复杂多变地质特长隧道。

隧道处于川滇南北向构造带和青藏滇缅歹字形构造带之间，该复合地带为2个区域性大构造带斜交产生，东侧是程海—宾川大断裂，西侧是洱海深大断裂，隧道被这2个大型区域性活动断裂所夹持，构造挤压强烈，岩体十分破碎，该区域内侵入岩活动剧烈，花岗斑岩、辉绿岩以岩脉、岩株、岩墙等形态不规则地侵入区内各地层。隧道特点：①2条区域性活动大断裂融合带，9条大断层，地质极其复杂多变，结构受力环境差；②整个隧道均位于软弱破碎地质环境中，施工极其困难，安全风险高；③围岩稳定性差，支护变形普遍，工期风险大；④复杂环境地应力大、地下水发育，隧底及无砟轨道动力稳定问题突出。

2 开挖支护关键技术措施

广大铁路祥和隧道受区域地质构造影响，范围内发育荞麦地-马鞍山断裂、荞麦地-架子山断裂、三家村等9条断裂构造，总长2 150 m，典型断层破碎带基岩裂隙水见图2。

图2 断层破碎带基岩裂隙水发育

此外，构造挤压强烈，岩体十分破碎，该区域内侵入岩活动剧烈，花岗斑岩、辉绿岩以岩脉、岩株、岩墙等形态不规则的侵入区内各地层，侵入岩段落总长2 916 m，典型花岗斑岩、辉绿岩蚀变带见图3。

图3 花岗斑岩、辉绿岩蚀变带

同时，砂岩夹页岩、板岩及灰岩受构造及侵入岩影响，岩体极为破碎，节理裂隙强烈发育，部分岩体呈压碎状，软弱围岩段落总长2 914 m；隧道可溶岩段长约4 285 m，岩溶强烈发育，最大涌水量超过11×104m3/d。

全隧III级围岩长度为550 m，占隧道长度的5.39%；IV围岩长度为3 640 m，占隧道长度的35.67%；V围岩长度为6 030 m，占隧道长度的58.94%。

本隧道开挖支护的难点主要为岩质软硬不均，岩性复杂，易坍塌。受断层构造带影响，围岩稳定性差，易突水、突泥。地下水滞后对炭质页岩产生软化、泥化作用，致使隧道围岩容重增加，导致围岩体进一步软化，围岩自稳能力变差，易变形。因此，设计针对大型断裂融合带复杂地质特长隧道的高风险性和不确定性，采用“加强预报、平导超前、支护加强、调整工法、创新注浆、圆形衬砌”等综合措施。

2.1 圆形衬砌活动断裂带支护设计技术

祥和隧道D1K151+180-D1K151+670段(490 m)穿越上泥哨断裂和荞麦地-马鞍山活动断裂带，晚更新世以来该活动断裂带平均左旋走滑速率2.5～3.0 mm/年，平均垂直位速率2 mm/年。

为避免隧道衬砌受断层剪切和地震破坏，设计时按照“避让、补强、抗断”的设计理念，采用圆形断面复合钢筋混凝土衬砌进行设计，通过加强支护结构满足开挖及正常运营要求，以具备较强的抗震能力。

圆形衬砌设计断面及其现场施工情况如图4和图5。

图4 典型圆形衬砌设计断面(单位：cm)

图5 典型圆形衬砌施工断面

2.2 以控制变形为主的软弱围岩支护设计技术

多条构造影响范围内多种岩性混杂，各种不利结构面交错发育，岩质较软，特别是在辉绿岩、花岗斑岩、断层角砾及炭质页岩等软质岩地段，风化程度不均匀，岩体强度低，节理裂隙发育，孔隙较大，且地下水具有明显的迟滞性，使得结构面抗剪强度降低，导致围岩产生大规模的剪切破坏，致使围岩发生较大变形。设计采用以下措施解决软弱围岩段变形突出的问题。

1) 加强超前预报。超前地质预报采用地质素描、综合物探和超前钻探相结合的方案，其中以综合物探为主，局部段落采用钻探进行验证，针对地下水丰富地段采用了激发极化法。

2) 引排地下水。通过超前物探结果显示的异常区域，对该区域内掌子面进行超前水平钻孔，除了可以验证掌子面前方地质情况，还可以起到超前排放地下水的作用。对部分已施作初支但涌水量仍较大的区域，采用局部钻孔的方法引排洞周地下水，并在出水孔位置增设环向盲管引排地下水至侧沟。

3) 提高围岩强度。为了保证隧道开挖的安全，在富水软质围岩段落，采用对上台阶围岩进行超前局部注浆加固，下台阶围岩进行钻孔排水的方法，效果明显。超前注浆材料采用硫铝酸盐或普通水泥单液浆。

4) 加强初期支护。隧道初喷混凝土采用C30早强混凝土；初支钢架通常采用I22型钢钢架，局部地段采用HW175型钢钢架；在钢架台阶接头及墙脚的位置设置锁脚锚管，锁脚锚管与钢架采用“U形”连接的方式或将钻孔钢板直接焊接在钢架上，使锁脚锚管穿过孔洞并连接在钢板上；开挖后使初支及时成环。

针对软弱围岩段具有变形大、地下水滞后的特点，设计了“探、排、护”三位一体的处理方案，成功解决了本隧道软弱围岩段稳定性差，支护变形普遍，施工易变形造成坍塌的严重后果，保证了隧道施工安全。

2.3 应用新型注浆工法的涌水处理设计技术

隧道断层、软弱破碎带、侵入岩蚀变带等不良地质段落占全隧比例约60%，因此研究大型断裂融合带复杂地质特长隧道涌水涌泥机理及采用注浆治理的技术尤为重要。本隧道在采用注浆治理富水断层地段涌水涌泥灾害成功的基础上，结合工程实际及相关理论经验，建立了一整套集综合预报、注浆设计、注浆实施及效果评价等关键技术体系，并通过现场反复试验对比，创造性地提出并采用前承后继注浆工法，提高了开挖支护的安全性，有效地缩短了工期，且合理降低了施工成本。

前承后继注浆工法分为“前承”和“后继”2个部分，其中“前承”的第一步是在上台阶周边轮廓采用长5 m的钢花管浅孔低压注浆；第二步是顶入自进式管棚，每根长12～15 m，角度向上5～8°，设置于拱部，打入管棚后先不注浆；第三步是采用8～10 m长钢花管注浆，同时对管棚注浆，注浆压力3 MPa左右。“后继”是施做完初支钢架后，在拱腰至拱脚分别施做2组单根5 m左右的锁脚锚管，拱部范围采用径向注浆。

3 工期控制关键技术措施

祥和隧道穿越横断山脉，受地形地质条件限制，辅助坑道选择受限，因此贯通平导能否按期顺利掘进关乎整个隧道的工期，同时对全线总工期产生影响。祥和隧道是云南地区第一座利用贯通平导多掌子面超前正洞施工，实现全线工期的特长隧道，为类似工程在辅助坑道选择及平导快速施工方面提供较大借鉴。

3.1 加强超前预报保障平导施工

由于云南地区地质构造异常发育、地质条件较差、岩性复杂多变, 因此做好隧道超前地质预报工作是保障平导及引入正洞安全、快速施工的关键, 根据围岩及地下水的不同，选择合适的开挖方法和支护措施。采用地质素描、综合物探和超前钻探相结合的综合方法对隧道进行超前地质预报，其中以综合物探为主，局部钻探进行验证。

3.2 调整开挖方式提高掘进效率

云南地区隧道以软弱围岩为主，从开工以来的爆破情况看，开挖后的超欠挖均较难控制，为改善开挖效果，提高施工进度，设计中利用单臂掘进开挖方法工效较高，开挖轮廓好的特点进行辅助开挖，最大限度控制超欠挖的发生，减少喷混凝土的超耗，在开挖的同时可以出渣，节省出渣时间，减少掌子面施工人员，提高掘进效率。

3.3 优化平导轮廓改善受力条件

在深埋V级围岩及断层破碎带地段，由于丰富的地下水、较高的地应力，以及较强的构造挤压作用影响，常导致初期支护发生变形开裂。通过调整平导边墙曲率，优化结构的受力条件，取得了较好的效果。平导曲墙式二次衬砌见图6。

图6 平导曲墙式二次衬砌

3.4 多工作面引入正洞施工

为加快施工进度兼顾施工通风和排水的需要，共设置22处横通道。平导超前后利用横通道多次引入正洞开辟工作面施工(施工中成功实现于1个主攻方向3次引入正洞施工)，将巷道内的新鲜空气，压入各工作面，成功解决隧道开辟工作面困难的问题，还改善了隧道通风条件。平导多掌子面引入正洞施工示意图见图7。

4 隧底稳定性控制技术措施

为解决复杂环境下地应力大和地下水发育造成隧底及无砟轨道动力稳定控制难题，设计采用“排水减压、锚杆锁定、注浆补强”等措施，有效应对了双线无砟轨道隧道运营过程中产生上鼓、下沉和翻浆冒泥等病害发生，保证了隧道运营安全。

图7 平导多掌子面引入正洞示意图

4.1 隧底排水降压

于隧道中线左、右侧80 cm处钻设排水降压孔，排水降压孔按纵向间距8 m交错布置，排水降压孔内设直径100 mm PVC管，并于仰拱填充内排水降压孔顶端至中心水沟间凿槽，于凿槽内埋设圆形截面PVC弯管，将排水降压孔内涌水直接引入中心沟。增设降压泄水孔施工见图8。

图8 增设降压泄水孔施工

4.2 锚杆锁定

于隧道轨道板两侧增设压力型预应力锚杆加固，锚杆纵向间距3 m。锚杆由锚固段(长2～3m)和自由段(不小于5 m)组成。锚杆端头设置承载体和锚固段。锚固剂固化完毕并达到设计强度后方可进行张拉，单孔张拉力设计值200 kN，张拉完毕，经验收合格后自由段套管与岩壁间空隙采用M35水泥砂浆注浆。锚杆锁定封锚见图9。

图9 锚杆锁定封锚

4.3 隧底注浆加固

洞身穿越断层破碎带、物探异常和基底不密实段落，采用直径42 mm钢管进行隧底充填注浆加固。注浆加固孔设置于轨道板两侧，纵向间距2 m，嵌入开挖轮廓线外基岩2.5 m。

5 结语

大型断裂融合带地质极其复杂多变，结构受力环境差；整个隧道均位于软弱破碎地质环境中，导致施工极其困难，安全风险高；围岩稳定性差，支护变形普遍，工期风险大；复杂环境地应力大、地下水发育，隧底及无砟轨道动力稳定问题突出。

设计针对大型断裂融合带复杂地质特长隧道的高风险性和不确定性采用“加强预报、平导超前、支护加强、调整工法、创新注浆、圆形衬砌”等措施，取得了较好的效果。祥和隧道是云南地区第一座利用贯通平导多掌子面超前正洞施工，实现全线工期的特长隧道，为类似工程在辅助坑道选择及平导快速施工提供较好借鉴。

上述实践表明，采用“排水减压、锚杆锁定、注浆补强”等措施，能有效解决复杂环境下地应力大和地下水发育造成隧底及无砟轨道动力稳定控制难题。