隧道穿越斷層段施工技術研究

黃劍

作者簡介：

黃 劍（1986—），工程師，主要從事道路與橋梁技術研究和施工管理工作。

文章以某山區隧道為研究背景，介紹了該隧道開挖支撐系統的設計方案，研究了該隧道穿越斷層段的施工技術，并通過施工監測評估支撐效果。監測結果顯示，開挖后仰拱噴射混凝土以及閉合隧道的支撐系統盡快施工，能有效地抑制隧道變形。

隧道;斷層;施工

U455.4A361243

0 引言

此隧道由溪流左岸開始，貫穿崎嶇的山脈，全長約12.9 km，為高速公路施工的關鍵工程。該隧道共分為三條坑道，其中兩主坑設計為雙車行道，另外于兩主坑的中間位置設置一斷面較小的前進導坑，作為主坑施工前了解前方地質及必要時預做地質處理的坑道，完工后并可作為主坑維修及緊急逃生通道。基于施工進度及地質因素的考慮，隧道的端部先以鉆炸法施工，再以全斷面隧道鉆掘機（TBM）開挖貫通。鉆炸法施工的斷面，主坑的直徑約為13.5 m，導坑約為5.2 m，而TBM工法施工的斷面，主坑的直徑約為11.7 m，導坑則為4.8 m。在隧道已開挖的區段中，沿線遭遇到最重要的地質構造為一控制型斷層，該斷層位于距離洞口約800 m的位置。導坑系以TBM工法方式通過斷層，在通過斷層時，由于地質情況極為惡劣，故TBM先后兩次因機頭前方基巖坍塌，導致機頭無法轉動，須停機由TBM側面開挖迂回至機頭前方，將機頭附近的巖塊及其前方不良地質路段的土石挖除后，再恢復開挖前進，兩次TBM受困總計耗費約4個月。因此，為使后續主坑的TBM開挖時避免在通過斷層遭遇相同地層施工風險，主坑決定采用鉆炸法的方式通過斷層，其中西行線以全斷面開挖通過，而東行線僅以上半斷面開挖通過。

1 工程地質概述

隧道位于山地區，山脈由第三紀輕度變質沉積巖所構成，在隧道起始段約4 km的路段，主要由破碎的硬頁巖及四棱石英砂巖所組成。該路段以斷層為分界點，斷層以東，主要由破碎的干溝層硬頁巖所組成，通過斷層后約3 km多的路段，則主要由四棱砂巖層夾薄層硬頁巖所構成。

根據設計階段的地勘推算，斷層寬約20 m，其斷層泥為不透水層，而四棱砂巖層側的石英巖角礫則透水性相當高，并可能蘊含高壓的地下水層[1]。此外由導坑的開挖結果顯示，硬頁巖側及斷層剪裂泥并未蘊含地下水。導坑開挖通過斷層后，曾于現場采取斷層

泥材料進行試驗，由試驗結果得知其塑性指數約為11，孔隙比約為0.18～0.24，濕密度約為2.30～2.41 g/cm3，屬黏質砂土。

另外由三軸試驗結果顯示其峰值強度時的有效粘聚力約為14～40 kPa，有效摩擦角約為13°～20°。而在斷層帶內進行的現場平板載重試驗結果，其承載力>2 MPa，變形模量約為49 MPa，彈性模量則約為303 MPa。由以上的物理性質及力學試驗結果顯示，斷層泥孔隙比及密度與一般巖石材料接近，而力學強度則與弱巖或較高強度的黏土接近。由此可推知其開挖裸露后未遇地下水入侵時，尚有較好的穩定性，而若吸水后則極易膨脹瓦解，并可能有高膨脹壓力產生。

2 隧道支撐設計

該隧道原設計理念乃將開挖時的支撐系統，按巖體評分劃分為6級。斷層依其巖體評分應采用第6類的支撐系統，包括間距1 m的H150x150鋼拱架，25 cm厚的噴射混凝土，并視地質情況采用支撐鋼管及臨時噴射混凝土仰拱以閉合開挖面。隧道開挖后的預估變形量為15 cm（如圖1所示）。由于導坑通過斷層時，先后發生兩次受困事件，而需以開挖迂回處理，因此主坑開挖時，其支撐考慮采用較為保守的方式，以避免重蹈覆轍[2]。

主坑西行線按原設計的進度，以鉆炸法通過斷層，支撐設計包括間距1 m的H200×200鋼拱架、30 cm厚的噴射混凝土、6 m長的系統錨桿，并于頂拱及隧道兩側施作固結灌漿，上半斷面開挖后，視需要于兩側基腳再施作一排6 m長向下45°的錨桿，以進一步穩固基腳。此外考慮斷層的特性，且由已開挖路段實際的監測結果顯示，頂拱的沉降量最大曾達30 cm，因此預估變形量由原設計的15 cm提高為55 cm。

主坑東行線依原預定進度應以TBM方法通過斷層，東行線斷層的巖性與已開挖的導坑及西行線相同，因此綜合導坑和西行線的施工經驗及地質因素，并考慮施工進度的要求，東行線的上半斷面決定改以鉆炸法的方式通過，而下半斷面則仍以TBM的方式通過。由于西行線開挖時，雖采用比原設計較為保守的支撐，但開挖完成后上半斷面兩側收斂變形量仍達50 cm，故東行線半斷面使用較西行線更保守的支撐。上半斷面開挖時的支撐型式包括每間距1 m采用兩對H200×200的鋼拱架并列、45 cm厚的噴射混凝土、6 m長的系統錨桿及于頂拱與隧道固結灌漿，基腳處再打設三排6 m長的錨桿，以避免后續TBM開挖下半斷面時基腳側壁崩落。此外預估變形量則由原設計的15 cm調整為20 cm。

3 施工技術研究

主坑通過斷層時，上半斷面系采用環狀開挖，中間預留核心土，于架設支撐后再將核心土挖除。洞臺則分為左、右兩側開挖，待一側開挖完成支撐后，再進行另外一側的開挖及支撐工作。洞臺的開挖工作需在上半斷面全部通過斷層帶（包括斷層泥及前后破碎帶共約55 m寬）后才開始進行，而一側洞臺通過斷層帶后，再進行另一側洞臺的開挖[3]。

此外，為抑制隧道的變形并形成整體的支撐效應，一側洞臺開挖時，在洞臺基腳以H150×150的型鋼將已架設的鋼拱架以縱向相連結，并施作15 cm厚的臨時仰拱噴射混凝土。另一側洞臺則于開挖后，每完成10 m施作一次25 cm厚的仰拱噴射混凝土，以完成隧道支撐系統的閉合效應[4]。

由于采用了較原設計更強的支撐系統，且隧道以鉆炸法通過斷層時，巖體比預期中還干燥，并無顯著地下水，故大致上無重大災害發生，僅在開挖過程曾產生局部約5～30 m3的塌方。塌方發生后，現場隨即以噴射混凝土將塌方后的基巖面封面，并用H100×100型鋼等在原設計開挖線位置架設臨時拱型支撐后，再施噴噴射混凝土，并以混凝土回填塌方后形成的孔穴以穩定隧道。

4 支撐效果評估

監測是隧道在軟弱地層施工時極為重要的工作，通過監測的成果，可充分掌握施工行為與地質環境結合后的整體反應，以作為評估進而調整施工行為的重要依據。該隧道在斷層路段配合實際地質需要，共裝設四組監測斷面，如圖2所示。根據監測結果可得到以下幾點結論：

（1）若考慮儀器安裝前已發生的先期變形量，則頂拱于上半斷面開挖后，大部分的沉降量即已完成，其后洞臺的開挖所產生的沉降量并不大。

（2）測線量得的變形量主要因洞臺開挖所產生，且當該洞臺的開挖面到達監測斷面前，即已有明顯的變形產生，而變形速率大致上在開挖面通過監測斷面時達最大值。

（3）測線量得的最大變形量約達300 mm，以力學觀點而言，這主要可能由于斷層的變形模量較低，因此開挖后需有足夠的變形，方可使巖壓與支撐系統達到平衡。因此在低變形模量的軟弱地層內開挖時，提供足夠的側向支撐力，方可抑制隧道變形。

（4）當洞臺開挖面通過監測斷面時，對于頂拱沉降的影響較小，不過當仰拱施作后，其變形量即迅速收斂而趨于穩定。仰拱施作后，測線變形并未如預期迅速收斂，推測其原因可能系仰拱雖已盡速施作，但因開挖面與監測斷面的距離仍近，故開挖區的前進效應對于監測斷面仍具有決定性影響。

5 結語

（1）監測對于在軟弱基巖中進行開挖是極其重要的工作，監測的成果既可立即反映基巖的變形行為，迅速采取必要的補強措施，以避免工程失敗，也可作為事后評估巖體及支撐型式互制行為的重要依據，以作為今后類似工程施工的參考。本文所引用隧道通過斷層路段，經設計時的調查，施工中的觀察與監測成果的評估后可知，斷層在力學上應具有相當整體性的行為，尤其是對于隧道開挖后的變形行為，更具有關鍵性與整體性的影響。此外隧道開挖后，側壁產生較大的收斂變形量，由力學觀點而言，因系斷層材料的變形模量較低所致。因此如何提供隧道橫向足夠的支撐力，以抑制過大的側向變形量，必須有詳細的考慮，而開挖時需提高預估的變形量，以免開挖后變形量過大而導致設計凈空不足，以致事后再進行費時費事的整修工作。

（2）施作仰拱以閉合支撐系統，是為防止隧道變形過大所采用的經濟有效措施，但若開挖面與監測斷面的距離太近時，雖然仰拱已快速施作，但開挖面的前進效應對于隧道的變形仍具有極大的影響，此點必須特別考慮。至于采用重型的剛性支撐，對于抑制隧道變形亦具有相當程度的作用，但以經濟觀點而言，采用重型的剛性支撐，并不如施作仰拱以閉合支撐系統有利。灌漿雖然可有效提高巖體強度及變形模量，若隧道開挖而巖體受擾動后再進行灌漿工作，則其效果可能會不如預期中的理想。

[1]楊金虎.慈母山隧道穿越斷層破碎帶開挖支護技術分析[J].地下空間與工程學報，2011（2）：361-365.

[2]潘 菊.隧道穿越斷層破碎帶開挖支護的施工技術[J].四川建材，2015（3）：184-185.

[3]劉運微.隧道穿越斷層破碎帶施工關鍵技術研究[D].西安：長安大學，2013.

[4]王 茜，凌同華，劉唐利，等.穿越斷層破碎帶隧道入口段施工數值模擬[J].交通科學與工程，2019，35（4）：78-84.