隧道穿越軟弱破碎帶信息化施工方法*

趙 軍 周躍峰

(1.安陽工學院土木與建筑工程學院，455000，安陽； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，610031，成都//第一作者，教授級高級工程師)

隧道穿越軟弱破碎帶時極易發生塌方和突水等突發性災害。一旦施工方法不當，造成的損失不可想象[1-3]。隧道穿越軟弱破碎帶時，采取常用開挖支護方式很難避免塌方及涌水等風險。因此，施工中除了按照一般工程施工技術要求外，還要采取針對性較強的輔助方法——信息化施工方法[4-6]。

20世紀40年代后期，土力學理論問世。此后，信息化施工方法隨之逐步形成[7]。該方法的特點：評價、修正、再評價，在確保安全的前提下，進行下一道工序。20世紀60年代，奧地利學者拉布西維茲(L.V. Rabcewicz)教授在從事隧道施工實踐和理論研究的基礎上，提出了著名的“新奧法”施工模式。后來，隨著計算機技術的不斷發展，巖土力學參數的反分析及計算理論的研究取得了較多的成果[8]。文獻[9]基于位移-應變反饋的基礎上，提出了確定初始地應力與地層彈性參數值有限元法。文獻[10]提出了同時確定初始地應力和地層特性參數的優化反演理論。至20世紀90年代，隨著信息化量測技術的應用及數據處理技術手段的不斷更新，信息化方法也得到了極大地發展。Palph Peck等在《施工反思》中寫到：“信息化方法具有天生解決存在問題的能力……”國際隧協前主席Eisenstein曾指出：“信息化方法特別適于隧道工程。”可見，采用信息化方法施工形成了施工監控、及時反饋的連續性動態體系，可以預見險情，便于施工方及時采取措施，能修正指導施工，可為確保隧道安全通過軟弱破碎帶提供可靠信息，特別適用于隧道穿越軟弱破碎帶的施工過程。

本文以某隧道為例，總結相關經驗，旨在為類似工程設計施工提供參考。

1 軟弱破碎帶隧道基礎資料收集

1.1 工程概況

某隧道全長2 131 m，其進口段(DK 462+235—+390)為4.4‰的上坡，出口段(DK 462+390—DK 464+366)為3‰的下坡。該隧道采用信息化施工方法順利地穿越了長達322 m的軟弱破碎帶。

該施工區段地表覆土較厚，相對高差為50～200 m。地表呈波狀起伏，丘形與山脊多呈圓形及長條狀等。丘間槽地相對平坦，植被較發育。

1.2 隧道軟弱破碎帶概況

隧道軟弱破碎帶所處里程為DK 462+850—DK 463+172，屬逆斷層。隧道與斷層夾角約70°，走向約北西310°，軟弱破碎帶寬度為5～20 m，且含水量較大。為了加快施工進度，設計上采用進出口雙向開挖方式。在施工過程中，進口端圍巖出現大變形現象，而出口端也由于隧道涌沙，導致隧道堵塞。

2 隧道軟弱破碎帶信息化監控量測

由于隧道處于軟弱破碎帶地段，故應在相關規范的指導下，并結合具體實際情況布設測線。隧道監測結果顯示：

(1) 1月25日～31日，在里程DK 462+515—+528段，襯砌出現了寬度在1～3 mm之間的縱向裂紋；在里程DK 462+530—DK 462+560段，地表出現了最大裂縫寬度為15 cm的環狀裂縫。

(2) 5月7日，里程DK 463+200位置的隧道左側拱腰處，在開挖過程中出現1個溶洞。該溶洞寬約1 m，高約2 m。

(3) 5月24日～27日，上述溶洞突然塌陷，同時出現涌水、涌沙現象，致使初期支護失效。

DK 462+500—DK 463+200段經過設計人員測繪及建議，補充了9個勘探孔。經過進一步勘探分析，該隧道處在巖漿擠壓破碎帶強風化帶內，且節理裂隙及地下水發育；而DK 462+900—DK 463+050段正上方為1所小學及近100家住戶。隧道在此軟弱破碎帶開挖，可能會給房屋帶來安全隱患。

3 軟弱破碎帶隧道信息化施工

3.1 信息化施工

在隧道開挖過程中，將通過現場量測獲得的監測信息，及時準確地反饋給施工現場；使施工一線的技術人員能及時調整和確定合理的圍巖動態支護參數。這個過程即為軟弱破碎帶隧道信息化施工[11-15]。圖1為軟弱破碎帶隧道信息化施工流程。

圖1 軟弱破碎帶隧道信息化施工流程

3.2 治理措施

針對案例隧道圍巖破碎帶信息化監測結果，指揮部專項研究小組最終決定采用超前注漿的方法加固圍巖，以強化支護，并對該隧道支護及襯砌等進行了相應調整。

3.2.1 DK 462+635—DK 462+850段

(1) 拱部采用每環15根、長為8 m，φ75的超前注漿管棚。該注漿管棚縱向間距為3 m，環向間距為0.6 m，漿液采用單液水泥漿。

(2) 支護結構采用全環I18型、榀間距為0.6 m的鋼架，同時加設網格間距為25 cm×25 cm的φ8鋼筋網，混凝土噴層厚度為25 cm。此外，為補充注漿，還在拱墻上布置了長為3 m、間距為1 m的φ42預留錨管。

3.2.2 DK 462+850—DK 463+172段

為了防止地下水涌入，采用水泥-水玻璃雙液漿超前帷幕進行加固。加固范圍為：拱部開挖輪廓線以外5 m以內，邊墻開挖輪廓線外3 m以內。注漿帷幕布置見圖2。具體技術要求如下：

(1) 水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶0.8，其中水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃濃度為40 Be，水玻璃模數為2.4～2.8。Na2HPO4為緩凝劑，其摻入的質量為水泥質量的2%。

a) 注漿縱斷面布置

b) A-A斷面

c) B-B斷面

(2) 拱部采用8 m長、間距為30～40 cm的φ75超前管棚預支護，并配合采用榀間距為0.6 m的I18型鋼架支護。

(3) 加設網格間距為25 cm×25 cm的φ8鋼筋網，混凝土噴層厚度為25 cm。此外，為補充注漿，還在拱墻上布置了長為5 m、間距為1 m的φ52預留錨管。

(4) 在可能出現流沙的掌子面地段，開挖時應噴射厚度為10 cm的混凝土面層，以及時封閉流沙。

(5) 采用臺階法開挖，在拱腳處設鎖腳錨管，以防止拱腳收縮和掉拱，同時還設置了臨時仰拱。

3.3 施工效果

針對案例隧道開挖過程中遭遇復雜的地質條件(如巖體破碎、含水量大，小溶洞塌陷等)，采取了超前注漿帷幕加固及現場圍巖監測等措施，確保了隧道安全順利地通過此次破碎帶。

對DK 462+632里程處斷面起拱點的水平凈空收斂測量，測量結果如表1所示。起拱點的收斂-時間曲線見圖3。

表1 隧道水平凈空收斂觀測記錄

圖3 水平凈空收斂-時間曲線

4 結論

(1) 通過對某隧道實施信息化施工方法，準確及時地反饋了施工信息，從而有效地指導和確保隧道得以安全順利進行穿越300 m以上的破碎帶，既避免發生事故后再處理，節省工程投資，又保證施工進度。

(2) 在隧道軟弱破碎帶施工中，需根據現場的實際工程地質條件，對圍巖的變形進行監測和嚴格控制，便于在施工中第一時間掌握突發情況，能迅速調整施工方案，使現場施工安全始終可控。

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