长大隧道穿越断层破碎带的施工方案研究

杨玉泉YANG Yu-quan

（中铁二十五局集团第二工程有限公司，南京 210000）

1 概述

地质断层破碎带的围岩属于软弱围岩，其自支护能力比较弱，甚至没有自支护能力，易发生隧道地质灾害。在以往的隧道施工过程中，比较容易产生的5 种掌子面塌方现象：①在强风化围岩中，如果伴随着涌水情况的出现，可能会产生较大规模的掌子面塌方。②在有层理面的围岩当中，如果出现层理面的强度较低、涌水较大的状况，则可能在短时间内就会发生多次规模不一的掌子面塌方，也经常会出现瞬间发生大规模塌方的情况。③在断层破碎带中，由于围岩破碎导致一次甚至多次规模不一的掌子面塌方。④由于砂层围岩自稳能力较差，发生规模不一的掌子面塌方情况是比较常见的，还可能会发生小规模拱顶掉落的情况。⑤在互层围岩中由于裂隙水的涌出导致塌方，塌方的时间一般发生在掌子面涌水状况出现大幅度变化的时期。

因此，在研究地质断层破碎带中施工方案中，最重要的思路就是：如何提高围岩的自承能力，以确保围岩顺利开挖、初支施作及后续工序的安全进行。从目前国内外许多的隧道施工经验来看，采用的基本方法就是要控制好围岩的松弛和流失问题。总的原则是确保掌子面的稳定、初支全面断面要及时闭合、加固周边围岩，在目前很多工程实践中，都很充分地证实了这一点。

2 项目概况

云南省高速公路网丘北至砚山高速公路土建1 标冲革隧道，为一座分离式隧道；左、右两幅测设线距离约25.0～29.0m。该隧道为全线控制性工程，左幅长4087m、右幅长4092m，主要设计参数为：设计时速100km/h，分离式双向四车道；净宽10.75m，净高5.0m；紧急停车带净宽13.75m，净高5.0m；设置车行和人行横洞。隧道主洞内轮廓尺寸详见图1。

图1 隧道主洞内轮廓设计图

该隧道斜穿一座北东南西走向的山脉，山脊狭窄，纵向冲沟发育。隧道区属构造侵蚀低中山地貌，隧道区地形变化大，隧道顶部坡度较缓；隧道区海拔高程1546～1797m，相对高差251m。根据设计单位提供的地质勘察报告显示，冲革隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段穿越断层破碎带，断层两盘均为粉砂质泥岩，岩体较破碎～破碎，呈碎块、碎石状；结构面发育～极发育。沿该断层有泉点出露，地下水类型为裂隙水，富水性中等～丰富，出水为淋雨状或涌流状。

由于该隧道在穿越断层破碎带施工过程中，断层段地质情况复杂多样，地下水丰富，存在突水涌泥的可能性，隧道岩体的稳定性较难把控。因此，如何实现该隧道断层破碎带的地质和水文情况的提前预判断尤为重要，从而制定出针对性较强的施工技术措施，对超前地质预报、全断面超前注浆堵水技术、围岩开挖工法等一系列施工技术进行研究和探讨。

围岩级别为V2，衬砌类型SF5c。

SF5c 型复合式衬砌参数：①喷射混凝土：C25 湿喷混凝土，全环厚度27cm。②钢筋网：钢筋网采用Φ8 钢筋，规格为15×15cm。③钢架：I20 工字钢架，设计钢架纵向间距0.6m，纵向采用Φ20 螺纹钢钢筋连接，环向间距1m，上一榀与下一榀连接筋位置错开50cm。④预留变形量15cm。⑤400g/m2土工布及PVC 防水板。⑥C30 防水钢筋混凝土衬砌厚60cm。⑦设计预留变形量为15cm。

3 施工方案

按照“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的施工方案，来进行断层破碎带的施工，以确保掌子面的稳定。稳定掌子面的方法有：正面喷混凝土；注浆加固；超前支护；开挖方式选择预留核心土的“三台阶七步法开挖”施工，每循环进尺控制在1 榀拱架间距（0.6m），确保断层破碎带段施工安全。加强过程控制，充分利用超前地质预报、监控量测等手段辅助指导施工，对施工过程实行动态、全过程监控。

3.1 超前地质预报

对于地勘资料所述存在断层破碎带或岩性接触带地段，超前地质预报工作需探明断层破碎带围岩的类型、涌水量大小、产状情况、规模和物质组成等，以及分布在隧道中的位置，并得出其对隧道的施工安全的风险系数。

该隧道穿越断层破碎带时采用地质调查法+TSP 地震波法+地质雷达+超前地质钻孔的综合超前地质预报预测前方围岩及地下水情况。具体步骤为：①采用地质调查法进一步核实断层破碎带及岩性接触带的产状、位置与规模等；②采用TSP 地震波法进行长、中长距离探测，确定断层破碎带或岩性接触带在隧道内的大致位置和宽度；③辅以地质雷达对断层破碎带或岩性接触带进行短距离精确探测；④必要时，采用高分辨直流电法探测断层破碎带或岩性接触带的地下水发育情况；⑤根据物探资料，采用超前地质钻探法预报断层的确切位置和规模、破碎带的物质组成及地下水的发育情况等。

超前地质钻探：在隧道掌子面利用水平钻机进行钻探，通过对岩样的取芯分析，可直观揭露出隧道掌子面前方的地质状况。在需连续钻探时，每循环可钻进30～50m；连续钻孔时，前后两循环孔应重叠5～8m。对于可能发生涌水、突泥的地段必须进行超前钻探，且超前钻探必须设有防突装置。超前地质钻孔布置见图2。

图2 超前地质钻孔布置图

根据超前地质预报结果，该隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段为断层破碎带，断层两盘均为粉砂质泥岩，岩体破碎，呈碎块、碎石状；结构面发育～极发育，富水性中等，围岩自稳能力差。据此确定后续施工方案。

3.2 正面喷射混凝土

掌子面开挖完成后，由于围岩裂隙水的全面流出，立即喷射一层混凝土（厚度5cm）进行封闭，以缩短围岩暴露时间，控制围岩变形，防止围岩在短期内松驰剥落。喷射时自下而上进行，喷嘴作小圆周运动；工作风压0.4～0.5MPa，喷拱部时稍大。

3.3 全断面注浆

当探水孔5-6 孔中至少4 孔出水，总流量≧10m3/h 时应进行全断面深孔注浆堵水。注浆加固范围为半径12m的圆，注浆段一般长30m，分三环实施，分别为12m、10m、8m。需要注意的是，为了给下一个注浆段作止浆岩盘的需要，故需预留6m 已注浆段的围岩，暂不进行开挖施工。注浆孔的布置方法：在工作面按照梅花状进行排列布设，每个注浆孔之间的距离不得大于3m，并采用长短孔结合的方式，以达到充分注浆的目的，开孔直径Φ115mm，终孔直径Φ75mm，注浆前，埋设Φ127mm 无缝钢管于止浆岩盘内作为孔口管，孔口外露长度为0.2-0.3m，孔口管长度为3m。注浆材料为水泥浆，水泥浆的水灰比为1:1，设计注浆压力为注浆处静水压力的2～3 倍，或者预估注浆压力为初压0.5-1MPa，终压3-5MPa。

结束本孔注浆的条件为：当注浆压力达到设计终压后，并继续注浆10min 以上。注浆效果以钻2-3 个孔的方式进行检查，检查孔内涌水量不应大于0.2L/min·m，且某一处的漏水量不大于10L/min，否则应进行加密钻孔注浆。距预测突水处5-8m 左右作为深孔全断面预注浆的开始工作面，预注浆终点位置需超过预测突水段5m。

3.4 超前支护

①小导管从钢拱架腹部穿过，尾端与钢架焊接。小导管长4.5m，环向间距30～50cm，小导管的上仰角为5°～15°，设置于衬砌拱部约120°范围，前后环搭接长度不小于1.0m。②注浆液为水泥浆，其水灰比按为1:1 配制，注浆压力按0.5～1.0MPa 进行控制。注浆顺序由下而上、浆液先稀后浓、注浆量先大后小。注浆效果满足开挖后拱部基本无渗漏水、无坍塌的要求。③地下水大时采用水泥-水玻璃注浆，注浆参数如下：1）水泥浆/水玻璃1∶0.8（体积比）；水泥浆液水灰比1∶1。2）水玻璃模数m=2.6 浓度为35～40°Be。3）注浆压力：0.5～1.0MPa。

3.5 预留核心土三台阶开挖法

断层破碎带围岩采用预留核心土三台阶开挖法施工，上部留核心土支挡工作面环形开挖。将开挖面分成拱部环形导坑、上台阶核心土、中台阶和下台阶。上部留核心土的目的是对开挖工作面起支挡作用，以便对隧道拱部的初支及时施作，来增强工作面的稳定性，在拱部初支的保护下进行核心土及下部开挖施工；左右侧中下导交错开挖，开挖后及时施作初期支护，施工安全性较好。为尽量减少开挖施工过程对围岩的扰动，对隧道开挖线的周边30cm 的区域要以人工开挖的方式施工；其余部位采用机械开挖的方式，开挖中、下台阶左、右侧时，严禁以对开方式进行，以错开2～3m 距离为宜。以初支的钢拱架间距（0.6m）来确定每循环的开挖进尺，台阶长度8～10m。在每一步开挖完成后，需立即对开挖面进行初喷4cm 厚的混凝土，初期支护施工及时跟进。在每一步开挖完成后，紧贴初喷混凝土面进行钢拱架的架设。在架立的钢拱架拱脚设计位置（一般位于钢拱架拱脚0.3m 高的位置），按锁脚小导管设计的下倾角度，紧贴好钢拱架的两侧，将四根直径为Φ42mm、长度为4.5m 锁脚小导管打设好，并牢固焊好连接部位，然后进行第二次喷射混凝土的施工。具体开挖的施工顺序见图3。

图3 三台阶预留核心土法施工顺序图

施工步骤及工艺如下：第1 步：开挖上部弧形导坑。在隧道拱部超前小导管打设、注浆施工完毕、对工作面形成有效保护后，即可进行上部弧形导坑的开挖施工，如图3中所示断面Ⅰ部位，按隧道开挖宽度的1/2～1/3 预留好核心土，长度以3～5m 这宜。上台阶开挖矢跨比应大于0.3。第2、3 步：开挖左、右侧中台阶，如图3 中所示断面Ⅱ、Ⅲ部位。开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m。第4、5 步：左、右侧下台阶开挖，如图3 中所示断面Ⅳ、Ⅴ部位。开挖高度一般为3～4m，左、右侧台阶错开2～3m。第6 步：上、中、下台阶预留核心土开挖，如图3 中所示断面Ⅵ-1、Ⅵ-2 部位。第7 步：最后进行如图3 中断面Ⅶ部位的开挖施工。每次开挖长度以2～3m 为宜，开挖完成后对仰拱初支及时施作，以便全断面初支能够及时封闭成环。然后对仰拱及仰拱回填及时进行施作。

3.6 钢拱架及钢筋网片施工

严格按设计及规范要求加工、制作和架设钢拱架。钢拱架严禁出现悬空情况，严禁采用虚碴进行回填，必须架设在坚实的基面上，并且要加垫槽钢。

钢筋网网格可在钢筋配送中心内进行自动下料、加工、点焊成网片。网片与网片间、锚杆、钢架间要焊接牢固，在喷射混凝土时不得晃动。

3.7 监控量测

根据本项目的具体情况，施工中进行了以下监控量测项目：地质及支护状态观察、围岩收敛、拱顶下沉。

测点布置情况：在隧道每个量测断面共布置5 个测点，其中三个为拱顶下沉测点、左右2 个为净空水平收敛量测线。监测范围在隧道开挖影响范围以外。

施工期间，该隧道K7+800～K7+860（ZK7+785～ZK7+840）段断层破碎带拱顶最大断面累计沉降量为38mm，累计最大水平收敛量为21mm，变化曲线趋于稳定，满足了设计和施工规范要求。见图4、图5。

图4 拱顶下沉累计变化量时态曲线图

图5 围岩收敛累计变化量时态曲线图

3.8 防排水及二衬施工

根据量测情况和围岩地质情况，及时进行防排水及二衬施工，二次衬砌与掌子面的距离要求≤50m。二次衬砌拱墙（钢筋）混凝土从整平层处采用模板台车一次整体浇筑成型。

4 结论和措施

本文以丘砚高速公路冲革隧道为依托，对穿越断层破碎带施工方案进行了研究和实施。研究表明：该方案能够确保长大隧道顺利穿越富水破碎断裂带时的施工安全，拱顶累积沉降值和累计水平收敛量均满足了设计和施工规范要求。实践证明，该施工方案切实可行，与常规的CD 法施工相比较，在开挖施工过程中节约了大量的临时支护工程成本，提高了经济效益。经过测算，每单洞延米节约成本为0.8327 万元，详见表1。冲革隧道左、右幅穿越断层破碎带单洞总长为115m，总计节约成本95.76 万元。

表1 三台阶七步开挖法与CD 法施工方案经济对比分析表（每单洞延米）

该方案为今后类似施工提供了如下借鉴经验：①精心做好各个台阶开挖过程中各项工序的衔接工作，其目的是要及时对开挖出来的围岩进行封闭，避免出现崩塌情况。②为确保发挥初期支护对围岩的承载能力，故需对全断面初期支护及早进行封闭成环。③在初期支护全断面封闭成环2～3 个循环后，立即施作仰拱。仰拱与掌子面的距离宜控制在30～40m 之间。随后相关的后续工序，如铺设防水板、二次衬砌等及时跟进。④对超前支护小导管的打设角度、搭接长度要严格按设计要求进行施作，注浆工艺严格进行控制，以确保达到加固地层的效果，使开挖作业能够安全实施。⑤严禁初期支护与围岩出现不密贴的情况，严禁发生初支背后出现空洞的情况，必要时要对初支背后进行钻孔、注浆处理。⑥为防止拱（墙）脚的基底承载力下降，严禁积水浸泡，需规划、完善好洞内临时防排水系统。⑦对监控量测工作要高度重视，做好量测数据的处理和分析工作，根据数据及时对支护参数进行调整，并且通过数据来确定后续工序的施工时间。