隧道穿越断层带施工技术研究

刘小飞

（中铁二十局集团市政工程有限公司，甘肃兰州 748399）

0 引言

在不同地质的作用下，断裂岩层因受力复杂，岩体的自稳能力相对较差，在隧道穿越断层裂缝带时，容易发生坍塌或塌陷等不稳定性破坏。因此，在隧道工程建设中，为保证隧道初期支护系统的安全运行，往往需要采取多种措施，如剪切面法、阶梯法、CD法、CRD 法等，进行开挖施工。国内外诸多学者分别从理论分析、数值模拟和实测分析的角度，对隧道穿越断层断裂带施工技术进行了大量研究，更好地避免隧道穿越断层带施工过程中的坍塌等问题。

1 工程概况

新建陇西至漳县高速公路隧道位于定西市漳县武阳镇。隧道为左、右分离式双洞长隧道，左线起讫里程为ZK26+240～ZK28+927.5，全长2687.5m；右线起讫里程为YK26+210～YK28+936，全长2726m，左、右线均为变更调整后里程。隧道入口端位于S209 陇西至漳县公路附近，隧址区有县道S209 与之相连，交通较为便利。由于隧道洞身穿越断层角砾岩，受F4漳县—康勿里断层影响较大，该段最大埋深为245m，最小埋深为194.5m，根据地质勘探1钻样取芯样本揭示，离地表223m 位置岩体主要为强风化灰岩伴有部分泥质砂岩，具有一定的强度，岩体整体呈碎状结构，完整性较差；离地表238m 位置2钻孔样本主要为风化泥岩，整体呈角砾状，根据现场勘测，该类围岩失水后极易崩解，呈碎屑状，完整性较差，强度极低，基本无自稳能力。其中，隧址F4 断层带地表位于山体冲沟段，横跨线路方向，沟深最高位置约10m，最低位置约5m，冲沟整体呈V 字形，坡口最宽位置约16m，最窄位置约10m。根据现场地形地貌调查，冲沟上游至下游200m 段高差在20m 左右，调绘期间，在ZK26+470 地表冲沟有少量水渗出。

2 隧道穿越断层带施工MIDAS 有限元分析

在岩土工程中，弹性有限元是隧道工程中常用的分析模型。由于弹性元件的单元和结构在受力时很少发生大变形，因此弹性和线弹性材料的特点规律才成为模拟中建立隧道模型问题的分析和控制重点。并且两者之间存在线性关系，既满足广义胡克定律，又能节省计算时间。

在计算之前，根据选择的位移方式，可以使用相应的公式计算关键节点的位移，用于替换单元内的所有单位点位移。形成一个对应的关系式，其矩阵形式是：

式（1）中：{} 为每个单独的离散单元某一节点（或单元）的位移对应的矩阵；[]为节点的坐标，在前处理时确定；{}为相邻单元之间交点的位移矩阵。

然后利用虚功原理，得出位移与变形之间的关系，划分出有限元的刚度矩阵，具体见公式（2）。

式（2）中：{} 为有限元内的任意点的位移矩阵；[]为单元应变或变形矩阵。

根据位移方程，得到公式（3）。

式（3）中：{} 为单元内任意节点（或单元）的位移列阵；[] 为单元的弹性矩阵，该矩阵与单元材料紧密相关。

通过节点整合，最终得到整体计算公式（4）。

式（4）中：[]为整体分析时，经过整合的节点刚度矩阵；{} 为整体分析时，经过整合的节点位移列阵；{}为整体分析时，经过整合的节点所受到的外来荷载列阵。

最后在计算有限元变形与位移时，将参数代入公式进行计算即可。

3 隧道穿越断层带施工技术

3.1 开挖支护

以围岩监控量测数据指导现场支护参数，调整和上、中、下台阶及仰拱步距。若监控量测数据正常，采用SVd 支护；若监控量测数据异常，如围岩突发异常，变形量在30～60cm 时，采用SVrⅠ衬砌类型支护，变形量在60～100cm 时，则采用SVrⅡ衬砌类型支护。施工过程中应及时对已完成初支段落进行围岩监控量测，按照监控得到的测量数据，根据预留方案进行变形量和支护参数的调整，避免在施工前期出现侵限现象，导致后期施工困难。总之，前期需要加强对参数的监控和调整，为后期支护施工提供数据支持。

3.1.1 SVd 型开挖支护

在资料分级中，F4 断层的围岩等级被确认为V级，针对该等级的土层开挖方式，一般采用三台阶法（见图1），并主要以机械的方式开挖，不采用人工开挖，若出现大块孤石等情况，可用破碎锤对孤石进行破除分解，但严禁采用爆破开挖方式。三台阶法开挖方式的具体流程如下：一是开挖上台阶环形导坑，即先开挖图1 中的①部分，这部分施工完成后，需要及时进行支护处理，并施作下循环径向注浆管，完成径向注浆；二是开挖图1 中中台阶②-1 部分侧导坑，然后进行初期支护和注浆操作；三是完成图1 中中台阶②-2 部分侧导坑的开挖，跟进图1 中中台阶2-③核心土的开挖，根据该过程中墙体的变形情况，选择是否设置临时仰拱，以保证这一部分的稳定性，并在开挖完成后及时进行支护及注浆操作；三是进行下台阶的施工，即开挖图1 中③-1、③-2 部分侧导坑及③-3 核心土，完成之后，进行初期支护与注浆操作；四是开挖基底，这部分施工结束后会形成一个完整的闭环，再利用材料进行填充，保证支护结构的稳定性。

图1 三台阶预留核心土分部开挖示意图

3.1.2 SVr 型开挖支护

SVrⅠ型衬砌结构采用非爆法开挖方式，施工流程与SVd 型开挖支护一致。

SVrⅡ型衬砌结构的施工流程与上述两种结构的施工流程有些许差异，具体施工步骤如下：第一，进行左侧的上台阶开挖、支护及注浆，完成之后进行左侧的下台阶开挖、支护及注浆；第二，进行右侧的上台阶开挖、支护及注浆，完成之后进行右侧下部台阶开挖、支护及注浆；最后完成开挖之后，进行边墙的开挖与支护，SVrⅡ型衬砌结构完成（此种开挖方法为两台阶开挖，无中台阶）。

3.2 注浆施工

该工程中采用的是小导管注浆方式，采用的小导管型号为Φ42×4mm，按照2 榀一环的施工要求，保证每环的间距为100cm，25 根500cm 的小导管。注浆时，将注浆端加工成10cm 长的锥形，便于小导管注浆施工，设置8 个注浆孔，间隔为15cm，注浆孔的排列形式为梅花形，注浆孔的孔径为8mm。为确保注浆效果，防止浆液外漏，注浆管尾部50cm 不设置注浆孔，尾部安装注浆和止浆阀。环向小导管斜插角45。为保证注浆顺利进行，在注浆过程中要严格控制注浆压力，最好保持在0.5～2.5MPa，在1∶1 配置的水泥浆中加入浓度为35 波美度的水玻璃，并按照水泥浆质量的5%加入，其中的模数具体参数控制为2∶4，调配完成后方可进行注浆操作。

自进式管棚钻杆采用Φ76×9.5mm 管棚，管棚长度拟定15m（3×4m，3m），环向间距40cm，35 根/环，仰角2左右，连接套采用Φ92×150mm 连接套，注浆浆液采用1∶1 水泥浆液。根据自进式管棚直径和长度，结合钻进情况，选择合适的钻进机，该工程主要采用的钻进机型号为ZGYX420S，根据施工现场的实际情况，分别选择奇数孔钻进注浆或者偶数孔钻进注浆，最终完成注浆操作。

根据漳县隧道断层带地质情况，该工程最终选择帷幕注浆方式，在开挖轮廓线6m 以外的区域进行注浆操作，注浆过程分三个环节操作，三个环节的注浆孔个数分别设置为20 个、20 个以及18 个，注浆孔的深度逐步增加，从一环到3 环的孔深分别设置为12m、20m、30m，其中全断面钻孔58 个。具体开孔布置方案见图2。

图2 帷幕注浆开孔布置图

3.3 监控量测

布置观测点时需要遵照平行原则，原则上需要在同个断面上布置沉降、净空收敛两个观测点，起拱线和边墙左、右侧各布置一道收敛点，每个监控断面布置5 个观测点，原则上对称布置。观测点的沉降位移小于3mm/d，属于正常范围；大于3mm/d 时，需要采取报警机制，增加对初支断面的监测频率，并根据每日的沉降数据，适时加强初支支护参数，监测频率见表1。

表1 按照沉降收敛大小布置监测频率

4 结语

通过对相关工程的研究，明确了SVd 型开挖支护、SVr 型开挖支护和帷幕注浆技术在隧道穿越断层带施工中的重要性，利用科学的管理手段，结合“质量第一”的施工理念，能够有效避免隧道施工过程中容易出现的问题，可减少质量通病，为建成高质量、高标准的高速公路奠定基础，也可为同类项目工程提供参考。