某国外铁路隧道穿越断层破碎带施工研究

陈 彬

(中铁十八局集团国际公司，天津 300222)

随着“一带一路”倡议的提出及贯彻实施，我国与其他发展中国家的联系更加密切，在基础设施建设上的合作越来越多。在铁路隧道项目中会遇到各种各样复杂的地质条件，其中断层破碎带是铁路隧道工程施工中的一大难题[1]。因为受地质活动的影响，断层破碎带段的围岩通常比较破碎且属节理裂隙发育，地下水富集，若穿越施工中方法不当或控制不到位，容易引发涌水、塌方及大变形等安全事故，从而会延误整个项目的工期，甚至危及人身安全，造成不可挽回的重大经济损失[2]。因此，针对断层破碎带穿越施工加大研究有着重要的意义。

1 工程概况

某国外铁路隧道项目全长11.65 km，设计行车速度为120 km/h，结构形式为单洞双线形式，隧道拟建地点地质条件复杂，以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，地形陡峻，有多处断层破碎带，最大埋深约520 m。该隧道项目的建设标准及技术措施均是采用中国的隧道建设标准、技术措施及设备，是至今我国铁建在某国建设的最长隧道。

经勘测，该隧道施工中会经过多个断层破碎带，以其中的穿越F2断层破碎带施工为例展开分析，F2断层破碎带(具体地质情况见图1)和线路DK24+887～DK24+937段相交，夹角是80°。此断层破碎带岩性以片岩、砂岩及夹薄层泥灰岩为主，节理、层理及裂隙发育，不仅风化严重，而且层面交错，呈压碎状态，围岩的稳定性差，发生坍塌的概率比较大。

图1 DK24+887～DK25+937里程段纵剖面图

2 工程重点、难点分析

1)因为F2断层破碎带段的围岩破碎严重，所以穿越施工中掌子面稳定性比较差，易因外界因素影响而产生大的变形、坍塌等事故，对施工人员及设备的安全有很大威胁。所以穿越施工的安全控制是重点。

2)超前钻孔的过程中，涌水量比较大，且易受到水压冲力作用而发生卡钻，地下水富集严重，增大了穿越施工的难度。

3)岩体风化严重，在安装钢拱架时，易引起掌子面的滑塌，施工难度大[3]。

3 穿越断层破碎带综合施工分析

3.1 开挖施工

因为断层破碎带处的围岩破碎比较严重，所以结合现场条件综合考虑后，决定采取三台阶临时仰拱的方法进行断层破碎带穿越施工，具体如图2所示。

图2 三台阶临时仰拱施工示意图

具体施工方法如下：

1)对区域①进行弱爆破开挖，并做初期支护，即，先进行初期支护，并喷上一层混凝土，再将钢筋网及临时仰拱钢架安装好，并进行封闭。接下来，顺着径向往钻孔中安装锚杆和锁脚锚管，接着按设计要求进行混凝土喷射，直至达到设计厚度后，再往底部喷射厚度10 cm的混凝土进行封底。接着按同样的方法对区域②和区域③进行弱爆破开挖施工及初期支护施工。且待区域③混凝土喷射达到设计厚度要求后，对Ⅳ段进行仰拱灌筑，并等混凝土初凝之后，对Ⅴ段进行灌筑填充，直至达到设计高度[4]。弱爆破施工设计参数见表1。

表1 弱爆破施工设计参数

2)使用衬砌模板台车对Ⅲ段进行二次衬砌灌筑，且拱墙衬砌施工要一次成型。

3)施工中要注意对Ⅴ段的拱顶变化及净空变化等情况实施监测，以便优化支护及二次衬砌施工。

4)穿越断层破碎带施工中采取VC型复合衬砌方式进行隧道支护，且严格控制Ⅴ断围岩开挖速度，上台阶处每次开挖进尺需≤1榀钢架间距，边墙处每次开挖支护进尺需≤2榀钢架间距。同时，要在做完钢架锁脚后再进行仰拱开挖施工[5]。

3.2 超前注浆预加固施工

因为断层破碎带中的岩体完整性及稳定性均比较差，易产生坍塌等事故。而为了避免事故发生，决定采取超前注浆预加固措施进行加固，具体做法如下：

1)综合使用地质雷达、瞬态电磁及掌子面地质素描等技术来实时监测及超前预报现场地质情况，确保可以提前了解并准确掌握掌子面前面的围岩性质及富水情况[6]。

2)利用Ⅰ型的小导管按轴向顺着隧道轮廓线以辐射状对F2断层破碎带5 m范围内进行帷幕注浆，待浆液与破碎岩体牢固粘结形成一层堵水帷幕后，实现超前支护，以提高断层破碎带岩体的稳定性，减小出现坍塌及涌水等事故的概率，确保施工过程足够安全[7]。5 m超前帷幕注浆设计参数如表2所示。

表2 5 m超前帷幕注浆设计参数

3)做好超前帷幕注浆支护施工之后，要及时打检查孔检查其施工质量。各个循环均打5个检查孔(拱部2个、底部1、两边边墙各1个)，孔径是110 mm，长度与注浆孔长度一致，为30 m，并控制平均出水量在0.2 L/min以内[8]。

4 稳定性分析

4.1 建立数值计算模型

根据设计方案和地质勘测结果，利用有限差分法构建了相应的数值计算模型(见图3)，模型共计划分有11 963个节点、62 896个单元，且在X轴方向取长度196.30 m，在Y轴方向取长度310.00 m，在Z轴方向取长度97.86 m。在对各个面的位移约束条件进行计算的过程中，为了加快计算效率且确保计算结果准确又可靠，按“内密外稀”的方式进行围岩网格布置，简而言之就是离隧道越近，围岩网格布置得越密集，反之，则布置得越稀疏[9]。数值计算中所有的参数都与现场施工保持一致，并将钢拱架及钢筋网作为安全系数折算到了初衬中，具体参数取值见表3。

图3 数值计算模型图

表3 计算参数

4.2 未做超前注浆预加固措施的稳定性分析

为了了解和掌握隧道穿越F2断层破碎带的稳定性情况，在断层破碎带的两边每间隔5 m布置1个监测点，共计监测断面8个，监测点40个，具体监测点布置情况如图4所示。8个断面的桩号分别是：DK24+998、DK25+005、DK25+015、DK25+028、DK25+046、DK25+058、DK25+069、DK25+075。

图4 监测点布置示意图

此次数值计算中未考虑超前支护作用，而是直接根据图4监测点布置情况，借助Historywrite命令把测点1的拱顶沉降变化量、测线S2的周边收敛位移变化量导进Origin系统中，并做了全面、细致的分析[10]，具体结果见图5。

由图5可知：1)穿越断层破碎带施工中，拱顶沉降的最大值是138.60 mm，发生在断面DK25+075；2)周边收敛位移的最大值是202.94 mm，发生在断面DK25+069，此时，水平收敛方向也出现最大变形量19.40 cm。

由设计方案可知，VC型复合衬砌的预留变形量是8.00～12.00 cm，而计算得出未做超前支护时隧道的最大变形量达到了19.40 cm(出现在DK25+069处)，明显大于预留变形量的最大限值12.00 cm，这种情况下，再加上地质作用及开挖施工的扰动，极易引发坍塌等事故[11]。

(a)拱顶沉降

4.3 超前注浆预加固后的稳定性分析

按同样的方法及模型对超前注浆预加固后的稳定性进行分析，并通过提高围岩的弹性模量、剪切模量及内聚力等参数，来对超前帷幕注浆预加固进行模拟，且加固后F2断层破碎带的Ⅴ级围岩参数见表3。同时，加固后8个断面的拱顶沉降及周边收敛位移也发生了变化，具体情如图6所示。

由图6可知：1)拱顶沉降的最大值是42.03 mm，发生在断面DK25+085；2)周边收敛位移的最大值是64.98 mm，发生在断面DK25+069；3)最大变形量出现水平收敛方向，值为64.98 mm；4)对比加固前后情况可知，经加固处理后断层破碎带处围岩的变形量由202.94 mm减小为64.98 mm，满足了设计中8.00～12.00 cm预留变形量的要求[12]。这说明对穿越F2断层破碎带施工中采用三台阶临时仰拱+超前注浆预加固的综合方法具有良好的可行性。

(a)拱顶沉降

5 监控量测验证

目前，该国外铁路隧道已施工到DK25+069段，同时DK25+005断面监测也已经稳定，因此，选择DK25+005断面作为数值计算及现场实测对比断面。根据数值计算模型中的监测点布置方式对现场监测点进行布置，并使用高精度全站仪及数显收敛监测设备对穿越施工过程中的拱顶沉降变化及水平收敛变化等情况进行监测，监测频率是1次/d(位移≥0.60 mm)，0.3次/d(位移<0.60 mm)，整个监测过程历时40 d，最终现场监测结果与数值计算结果见图7。

由图7可知：1)现场实际测得的拱顶沉降变化曲线跟数值计算得出的变化曲线走势基本相一致，现场实际量测和数值计算得出的拱顶沉降最终稳定值分别是20.98，13.96 mm；2)现场实际量测得到的水平收敛变化曲线和数值计算得出的水平收敛变化曲线走势基本相一致，现场实际量测和数值计算得出的水平收敛最终稳定值分别是24.10，15.30 mm；3)相对于数值计算来说，现场施工过程中不可避免地会有爆破扰动及开挖扰动等扰动因素，这就会使现场施工过程中围岩的变形量会略大于数值计算值。

(a)拱顶沉降对比

6 结论

通过上文对国外某铁路隧道项目穿越F2断层破碎带施工过程进行分析，得出结论如下：

1)在穿越断层破碎带施工中，采取三台阶临时仰拱+超前注浆预加固方式进行施工，并辅以早封闭、勤量测，将围岩的最大变形量从202.94 mm减小为64.98 mm，满足了设计预留变形量(8.00～12.00 cm)的要求，同时，通过现场监测也表明拱顶沉降及水平收敛跟数值计算结果及发展趋势基本相一致，促使穿越F2断层破碎带施工高效、安全、优质完工，表明此次穿越断层破碎带施工提出的综合施工方法具有良好的可行性。

2)由于断层破碎带地质条件复杂，岩体破碎，且地下水富集，施工中若处理不当极易引发坍塌、涌水等事故，威胁人身及工程安全。因此，在铁路隧道穿越断层破碎带施工过程中，必须提前勘测清楚断层破碎带地质构造情况，制定针对性穿越施工方案，确保隧道穿越断层破碎带施工顺利完工，为整个铁路隧道项目如期优质完成建设奠定基础。