强富水区山岭隧道穿越断层破碎带施工技术研究

谭艳臣 李德 唐亮 常泽洲 王富春 宋健 王志浩 金熙宾

第一作者简介：谭艳臣（1987-），男，工程师。研究方向为高速公路隧道桥梁路面施工。

*通信作者：李德（1999-），男，硕士研究生。研究方向为岩土工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.040

摘  要：为降低隧道穿越断层破碎带施工中的涌水突泥风险，该文依托古兜山隧道实体工程，采用“TSP+地质雷达+超前地质钻孔”的地质超前预报技术，探明隧道掌子面前方的地层状况和富水程度，提出富水区隧道穿越断层破碎带施工关键技术。提出隧道洞口明挖法与隧道洞内光面爆破技术及洞内围岩段的双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、三台阶七部法的开挖方式；采用S-Ⅴb型隧道衬砌结构型式与全断面帷幕注浆、加强泄水等技术相结合的支护方式，其中的整体承载结构为初期支撑系统和二次模筑衬砌的组合结构。该施工关键技术可有效避免古兜山隧道施工的突水涌泥现象，可指导类似工程的施工。

关键词：强富水区；断层破碎带；隧道；施工技术；超前探测

中图分类号：U455      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0173-04

Abstract： In order to reduce the risk of water gushing and mud outburst in the construction of the tunnel passing through the fault fracture zone， based on the physical project of Gudoushan Tunnel， this paper adopts the geological prediction technology of "TSP+ geological radar and advanced geological drilling" to find out the stratum condition and water-rich degree in front of the tunnel face， and puts forward the key construction technology of the tunnel crossing the fault fracture zone in the water-rich area. The main contents are as follows. The tunnel entrance open excavation method and the tunnel smooth blasting technology are put forward， and the excavation methods of double side wall guide method， single side wall guide method and three-step seven-part method in the surrounding rock section of the tunnel are put forward. The supporting method of combining S-Vb tunnel lining structure with full-section curtain grouting and strengthening water discharge technology is adopted， in which the whole bearing structure is the combined structure of initial support system and secondary mold lining. The key construction technology effectively avoids the phenomenon of water inrush and mud gushing in the construction of Gudoushan Tunnel and can guide the construction of similar projects.

Keywords： strong water-rich area; fault fracture zone; tunnel; construction technology; advanced detection

隨着我国经济的迅猛发展，为在地势复杂的山区快速通行而修建公路隧道成为必然的趋势。隧道施工中也遇到很多的难题，当隧道穿越断层破裂带时，由于其围岩条件复杂、隧道掘进的难度大，安全性不易得到保证。如遇到强富水的断层破碎带，常因发生渗漏甚至突水、突泥、冒顶等工程问题而导致工期延误，甚至会出现施工安全问题。因此，采用合理的施工方法穿越断层破碎带，是隧道施工的关键问题。

Huang等[1]通过数值分析计算，给出了向下通过水体隧洞跨越断裂破碎带掌子面稳定性的解析模式。王涵等[2]基于FLAC 3D数值模拟提出了锚－网－喷－钢拱架联合支护方案，从而使隧道能够安全通过断层破碎带。陈剑等[3]采用以地表模袋注浆为主、堵水注浆材料为辅的洞区综合处理手段，隧道通过突水涌砂段。崔光耀等[4]提出了二衬防坍塌的单层配筋抗震技术，并提出了对断层破裂地段隧洞内的二衬防坍落的配筋抗震标准。马栋等[5]通过地表抽水测量，获得断层破碎带岩土体渗透系数等水文地质数据，并提出了“超前钻孔+TSP+地质雷达”的预测技术。王超[6]采用ABAQUS数值分析软件，建立流固耦合的模型，选取径向注浆结合排水孔的方法，对隧道注浆所用材料的渗透系数进行改良。万飞等[7]对隧道的支撑构件位移率、张拉锚杆轴向动力、施工区域压力进行检测，提出边墙小导管注浆、增强钢柱整体强度的改善方法。郑文筠[8]针对西秦岭铁路隧道的断层破碎带区域，实施了超前小导管预支护、超前地质预报的方法。彭超[9]在隧道进口段施工穿越浅埋断层破碎带的设计中，采用了微台阶开挖工法及设置加大拱脚、围岩注浆加固等处理措施。李生杰等[10]基于隧道穿越断层的工程条件，制定了封堵掌子面、打设排水洞、改进施工技术的工作技术。傅鹤林等[11]通过建立三维数值分析模型，研究围岩与隧洞结构在穿越高压富水断层破碎带过程中的稳定性，提出留核心土、增加一定的注浆圈厚度等措施保证施工安全。

目前，国内外在隧道穿越断层破碎带的应对措施方面主要以隧道的超前地质预报、超前支护、改进注浆加固技术和材料及动态调整支护参数为主。然而，由于岩土体参数的不同，不同隧道穿越软弱破碎带时，隧洞岩体的稳定性不同。因此，对于具体工程，结合隧道周围的实际断层破碎带的工程地质条件选取合理的施工措施是保证隧道施工安全亟须研究的问题。

1  工程概况

古兜山隧道为双向分离式，进洞口设计标高左线88.16 m、右线88.07 m，出洞88.07 m，出洞口设计标高左线44.28 m、右线44.90 m；隧道最大埋深：左线224.64 m、右线222.35 m，属特长深埋隧道。

1.1  工程地质条件

1.1.1  地形地貌

古兜山隧址区地形、地貌总体上是西高东低，中部高、进出口两端低的特征。受区域构造影响，隧址区主要为北东、近东西走向的低山丘陵夹山间谷地地貌，其次为少量北西走向丘陵夹沟谷地貌。隧道场地最高标高为288.3 m，入口端附近的冲沟最低标高为43.0 m，出口端附近冲沟最低标高为33.0 m。隧道场地中部山势相对平缓，沟谷多发育宽且略具半封闭沟谷，地表溪流属常年流水，水库水利设施较多。隧道穿越地段的溪流由于高差较小，水力联系通道可能因施工扰动发生变化，可能在强降雨条件下，通过发育的节理裂隙带、张性断层等形式渗入隧道，向开挖扰动区域聚集排泄。

1.1.2  地层岩性

古兜山隧道范围内涉及的主要地层：地表为第四系全新统残坡积层，下部主要为燕山期的花岗岩、花岗岩斑岩脉及基性岩脉等，局部发育少量石英脉沿节理裂隙穿插。沉积地层以第三系地层为主。变质岩主要为寒武系地层；第四系地层广泛分布于低缓丘陵表层及三角洲平原、山间洼地地段。

1.1.3  水文地质条件

古兜山隧道地下水主要是细粉质黏土、砂土等之间的孔隙水，含量不同受季节影响，主要的来源为大气降水补充。随着断层向不同类型的构造面发展，局部渗透系数逐渐增大，地面与土壤表层地下水又经过不同类型的构造面进入地下水，增加了地下水来源，使隧洞区的地下水层更加发育，可能出现涌水等不良工况。

1.2  断层破碎带工程地质特性

古兜山隧道区有3条断层破碎带通过，其具体形迹如图1所示。

WF1破碎带：该破碎带为隐伏断层，钻孔揭露岩体碎裂，物探表明低阻失常，断层影响范围约30～50 m；受构造影响，隧洞场地的破碎带围岩以碎块岩为主。

WF2破碎带：该破碎带产状约5～20°∠75～85°，影响范围约100～120 m；受构造影响，隧洞场地的破碎带围岩以碎块岩为主。

WF3破碎带：该破碎带为隐伏断层，钻孔揭露岩体碎裂，物探显示低阻失常，断层影响范围约30～50 m；受构造影响，隧洞场地的破碎带围岩以碎块岩为主。

上述3条断层破碎带隧道围岩不稳定，易坍落，有涌水的可能性。

图1  古兜山隧道破碎断裂带分布

2  隧道工程穿越断层破碎带工程技术研究

2.1  超前探测技术

超前地质探测是隧道施工中不可分割的一环，在隧道基础建设、自然灾害防治、安全维护等方面发挥着重要作用[12]。利用超前地质探测技术在一定程度上摸清古兜山隧道掌子面前方的地质情况和不良地质现状，并及时进行围岩的分类评价，古兜山隧道的超前地质预报主要采用以下3种方法。

TSP超前地质预报：采用TSP203超前地质预报装置，间隔约150 m进行一次探测，设置了4 000个不同的采样区域，采样频率为100 m/次，各采样点的距离在300 mm以上，采集数据后及时分析，判断出前方不良地质体的方位。

地质雷达探测：地质雷达选用MALA型雷达装置，采用100 MHz罗盘，测线的频率为100 MHz，采样时间为450 ns，每秒的采样数为1 024个，采集方式为连续采集，测速后每隔20～30 m检测一次。

超前地质钻孔：利用物探手段，初步推测前方的富水区或断层破碎带，再运用超前钻孔对物探结果进行验证，古兜山隧道超前地质钻孔长度20～30 m，保护段长度不小于10 m，在确定处理措施时必须依据探孔探测结果和出水状况而定。

2.2  隧道开挖方式

古兜山隧道穿越WF2、WF3两条断层破碎带，施工过程中结合现场的工程地质情况和超前地质预报结果，对地下水采取“以堵为主、限量排放”的原则。施工过程中根据超前钻孔涌水量大小选取“超前帷幕注浆”及“开挖后局部注浆堵水”等一系列合适的涌水处理方法，避免因隧道施工地下水排放从而影响水库蓄水的功能，并做好施工期和营运期临近水库段的排水量监测、水库水位及附近地表水的监测。隧道通过断层破碎带部分，采取的开挖方式如下。

隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，主要采用机械开挖方式，对于局部围岩较好区段采用爆破开挖。

隧道洞内开挖采用光面爆破或预裂爆破技术。在Ⅴ级围岩中需爆破时，采用微震光面爆破技术，尽可能减少超挖及减轻对围岩的扰动和破坏。选用合理的爆破参数，根据围岩的变化适时调整爆破参数，以确保开挖断面有良好的光爆效果。

隧道主洞洞口或洞身地質条件较差的Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法或单侧壁导坑法开挖。隧道主洞地质条件较好的Ⅴ级围岩段采用三台阶七部法开挖。隧道主洞Ⅲ级和Ⅱ级围岩区段采用上下台阶法开挖。

2.3  支护方式

古兜山隧道支护采用S-Ⅴb型衬砌结构型式，如图2所示。衬砌向两端较好围岩各延伸28 cm，如地下水水量较大则调整为抗水压衬砌结构，采用全包放水措施。初期支护系统由喷射砼、锚索、钢拱架和钢网等为一体，组成主体防护系统；二次模筑衬砌则使用了防水性较强的钢筋砼构件；隧道整体承载结构则为初期支撑系统和二次模筑衬砌的组合。

初期支护：依据工程地质条件、埋深、施工方式和施工步骤等采用喷射砼、锚索、钢筋直径网和钢柱等单独或复合的支护形式。锚索使用的是全长的黏结式锚索，需要在各种锚索上安装垫板，确保注浆方法的饱满性。紧靠围岩一侧的工字钢钢架防护层厚度约为4 cm，临空侧为2 cm；紧靠围岩侧的格栅钢架防护层厚度为4.5 cm，臨空侧为2.5 cm。

二次衬砌：由喷锚初期支护和围岩段基础共同构成的支撑系统，在二次衬砌段中采用模筑砼或钢筋大直径砼构件，并结合分析支护围岩段和初期支护结构的变形等量测数据后，才能实施第二次模筑衬砌。同时对于较薄弱支护围岩段的仰拱应紧随开挖层的浇筑，并尽早合拢成环，拱墙的第二次模筑衬砌工期也不可滞后或过长。当因围岩变化太大初期支撑变形不能收敛，或无法进行补充的，为提高支撑围岩的稳定性，进行临时仰拱的侧向支承或封闭挖面，在必要时预先进行二次模筑衬砌，此时就必须考虑增加二次模筑衬砌的方法。为了确保仰拱具有适当的强度与刚性，在边墙与仰拱之间选择有圆顺的衔接形式，填充后，边墙可和仰拱分别完成。

若断层破碎带附近的静水压力较大，则采用超前帷幕注浆、开挖后预注浆处治方案，并根据地质情况进行调整。施工过程中应对地下水、地表水库水位、地表冲沟水量进行监测。为保证隧道断层破碎带段的安全，对于不同地段的围岩施工时还应通过超前小导管、超前长管棚等措施加以辅助施工，加强围岩的强度，增强结构的整体刚度。

3  工程应用与效果评价

探明掌子面前方的工程地质情况时，利用TSP203地质预报系统超前地质预测手段，及时摸清隧道前方掌子面地质状况，支护参数或开挖方式可以及时得到修改。

隧道开挖时采用隧道洞口明挖法与隧道洞内光面爆破技术及洞内围岩段的双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、三台阶七部法的开挖方式。隧道支护采用S-Ⅴb型衬砌结构型式，断层破碎带周边地下水静水压力过大时，采取加强结构支护与超前支护、全周边环向注浆，加强排水等措施相结合的方法，尽可能地减小了地下水对隧洞衬砌结构的不良影响。

Ⅴ、Ⅳ级围岩及时施作了二次衬砌，Ⅲ级围岩段在围岩变形基本稳定后施作。当围岩变形过大，初期支护支护力不足时，及时加强初期支护，或修改二次衬砌设计参数及提前施作模筑混凝土。在施作带仰拱的二次衬砌时，应先浇筑仰拱，再浇筑洞身墙拱二衬混凝土。

古兜山隧道现场的关键施工技术有效避免了富水区隧道穿越断层破碎带的突水涌泥现象，保证了施工安全和施工进度。

图2  古兜山隧道复合式衬砌结构

4  结论

综上所述，本文结合强富水区山岭隧道穿越断层破碎带的工程实例，深入分析了隧道断层破碎带部分的工程措施，得出以下结论。

1）当隧洞通过断层破碎区后，根据隧洞的工程地质情况，及超前的地质预报，进一步判断工程地质、水文条件和掌子面前方的情况，以避免在隧址附近发生地下水突涌等影响施工的现象。

2）穿越断层破碎带的隧道开挖时，采用隧道洞口明挖法与隧道洞内光面爆破技术及洞内围岩段的双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、三台阶七部法的开挖方式，以确保围岩稳定。

3）支护方式采取S-Ⅴb型衬砌结构型式等二次衬砌结构，初始支撑方式由锚索、喷涂砼、钢拱架和钢筋网等构成；使用了与防水钢筋砼结合的二次模筑衬砌；一次支护则与二次模筑衬砌，组成了整个隧道的主要承重构件。

4）对于隧道中的软弱围岩采用小导管和预注浆技术进行预加固，提高掌子面前围岩的刚度，控制地表的沉降量。

5）断层破碎带周边地下水静水压力大时，加强结构支护、超前帷幕注浆、开挖后进行预注浆，降低地下水对衬砌结构的不良作用。

参考文献：

[1] HUANG M， ZHAN J W. Face Stability Assessment for Underwater Tunneling Across a Fault Zone[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2019，33（3）：1-12.

[2] 王涵，高永涛，李建旺.隧道穿越断层破碎带施工方案及力学效应研究[J].公路，2021，66（2）：316-323.

[3] 陈剑，魏义山，江红，等.地铁暗挖隧道断层破碎带突水涌砂原 因分析及处治技术[J].隧道建设，2017，37（7）：857-863.

[4] 崔光耀，赵清，王明年，等.断层破碎带段隧道结构二衬防垮塌抗震配筋技术[J].长安大学学报（自然科学版），2015，35（2）：107-113.

[5] 马栋，闫肃，王武现.赣深高铁龙南隧道大型富水断层破碎带施工技术[J].隧道建设（中英文），2020，40（11）：1634-1641.

[6] 王超.某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究[J].铁道标准设计，2016，60（12）：109-114.

[7] 万飞，谭忠盛，马栋.关角隧道F2-1断层破碎带支护结构优化设计[J].岩石力学与工程学报，2014，33（3）：531-538.

[8] 郑文筠.西秦岭特长隧道穿越F6断层破碎带施工技术[J].现代隧道技术，2012，49（4）：99-103，110.

[9] 彭超.公路隧道穿越浅埋断层破碎带工程处理技术[J].现代隧道技术，2013，50（1）：134-138，160.

[10] 李生杰，谢永利，朱小明.高速公路乌鞘岭隧道穿越F4断层破碎带涌水塌方工程对策研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（S2）：3602-3609.

[11] 傅鹤林，安鹏涛，李凯，等.隧道穿越高压富水断层破碎带过程分析[J].现代隧道技术，2020，57（S1）：458-465.

[12] 李术才，刘斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014，33（6）：1090-1113.