穿越斷裂破碎帶公路隧道施工技術研究

吳世解

（中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005）

在公路隧道施工過程中往往會遇到斷裂破碎帶，而穿越斷裂破碎帶施工安全風險較大，若不控制好施工方法，發生拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等情況的概率相當大[1]。本文依托廣連高速公路TJ03 標羅家營隧道右洞建設施工項目，對隧道穿越斷裂破碎帶施工技術進行研究。

1 項目概況

本文所依托的工程項目羅家營隧道為分離式+小凈距隧道，單洞共設3條車道。本隧道單洞的建筑界限凈寬為15.50m，隧道凈高為5.00m。右線里程樁號為K50+965～K51+825，長860m，最大埋深約55.06m，呈弧線形。根據物探成果反映羅家營隧道右線YK50+970～YK51+030 段視電阻率低異常，縱深方向上連續，平面寬度約30m。根據異常帶內電阻率低的異常特征，推斷此處為斷裂破碎帶或者節理裂隙發育帶[2]。由于穿越斷裂破碎帶施工風險較大，若不控制好施工方法，發生隧道拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等事故的概率相當大，為確保安全穿過斷裂破碎帶，在現有設計資料以及物探成果的前提下，需進一步做好超前地質預報，并根據地質預報成果最終確定開挖方法。羅家營隧道右洞斷裂破碎帶位置如圖1 所示。

圖1 羅家營隧道右洞斷裂破碎帶位置示意圖

2 超前地質預報

為進一步探明待施工的羅家營隧道YK50+970～YK51+030里程段的工程地質以及水文地質的活動態勢。項目部用RAMACX3M 地質雷達進行超前地質預報，天線的中心頻率為100MHz，此地質預報方法可預報掌子面前方約20～30m 的范圍。

根據第一次地質超前預報資料顯示，YK50+970～YK51+00 區域雷達信號變化較大、有規律性，幅值強，波形亂，同相軸不連續，呈均勻的中低頻信號為主，推斷該區域圍巖為全～強風化花崗巖。且該處圍巖巖體破碎，節理裂隙發育，巖質較軟，圍巖完整性較差、自穩能力差。此種類型的圍巖在無支護時，容易發生拱部易坍塌以及側壁易失穩現象，隧道洞室內在集中降雨狀態下呈線狀或淋雨狀出水，視電阻率100～1200Ω·m，[BQ]值145，根據[BQ]值可推斷為V 級圍巖。第二次地質超前預報結果與第一次超前預報結果類似。

3 施工工藝技術

3.1 施工技術簡介

結合超前地質預報結果，此類型圍巖若采用臺階法施工極易發生拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等情況。經與業主單位、設計單位、監理單位等多方討論，初步計劃該段隧道的開挖方法為雙側壁導坑法，采用的襯砌結構型式為XS-Va 型，采用的超前支護形式為超前注漿小導管[3]。采用微震爆破開挖洞身，以減少爆破對圍巖的擾動，同時采用裝載機、挖掘機等機械設備與人工開挖結合。施工過程嚴格遵循“早預報、預注漿、管超前、半斷面、留核心、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤測量”的原則[4]。

由于隧道初期支護施工完成后圍巖處于較穩定狀態，二次襯砌的工藝較常規，本文將不對二次襯砌施工方法做詳細描述，主要介紹超前支護施工以及洞身開挖的雙側壁導坑法在隧道穿越斷裂破碎帶中的應用以及效果。

3.2 超前支護

根據超前地質預報結果，YK50+970～YK51+030 里程段隧道無支護時隧道側壁易發生失穩，隧道拱部易發生坍塌，同時極有可能發生突水事故。為避免洞身開挖時出現事故，用51 根φ50mm 的超前注漿小導管進行超前支護。超前注漿小導管長度為4m。小導管的施工工藝如下：

（1）小導管制作：項目部從有資質的廠家采購超前注漿小導管成品，小導管原材料為熱軋無縫鋼管，管徑φ50mm，壁厚5mm，管口0.5m 范圍內管壁段不開孔，其余管壁上采取梅花型鉆眼，鉆眼間距15cm，鉆眼直徑10mm。小導管尾部做成長度為10cm 的錐形，錐形部分不鉆孔。

（2）小導管的鉆孔、安設：先根據圖紙進行測量放樣，并在圍巖放樣點上做好標記，根據放樣點和設計角度進行鉆孔，鉆孔方向應順直，鉆孔深度均大于設計鉆孔深度，鉆孔直徑按照大于超前小導管直徑20mm 進行控制；鉆孔時，超前小導管孔位按照縱向搭接長度不小于1m 進行控制[5]。鉆孔施工完成后清理空洞，清理方法為將高壓風送入孔底，將鉆渣清理干凈。清理完成并經驗收合格后方可將小導管插入鉆孔中，小導管外插角為12°，或將小導管從型鋼鋼架上部、中部打入。小導管外露長度按照不小于20cm 進行控制，小導管的外露部分支撐于掌子面后方的型鋼拱架上。

（3）雙層小導管布置方式：第一層與第二層縱向錯開一榀鋼拱架，環向錯開20cm，鋼管環向間距為40cm，外插角第一層20～25°，第二層8～12°。

（4）注漿：本項目的注漿設備為HBY-60 注漿泵，采用水泥凈漿作為注漿材料，水泥漿的水灰比為1∶1。注漿前先將管內沉積物沖洗干凈。注漿順序為由下至上，并根據注漿先后順序調整漿液的濃度，開始注漿時先用較稀的漿液注漿，后續將漿液濃度調濃。注漿壓力范圍維持在0.5～1MPa。注漿時，當達到設計終壓1.0MPa 時維持此注漿壓力10min 以上。注漿壓力逐級緩慢提升。根據現場實際情況，注漿的實際注入量與設計注漿量大致相近，注漿結束時的進獎量在20～30L/min 以下[6]。

（5）雙側壁導坑支護中的導坑也采用φ50×5mm 的鋼花管作為注漿小導管。導坑錨桿為φ22 藥卷錨桿，鎖腳錨管為φ22 注漿錨桿。

（6）超前小導管施工注意事項：導管孔施工時控制好導管孔的位置及角度，導管孔的孔徑按照大于鋼管直徑20mm 控制，小導管的實際打入長度不小于設計長度。鉆孔時根據測量放樣點進行，為確保孔位外插角度符合設計要求，項目部加工了方向架用于控制鉆孔方位。

因施工過程難免有孔位偏差超過規范規定的允許誤差的情況，為確保超前支護的施工質量，施工時需進行補管，補管位置主要為距離偏大的兩孔間處，補管施工質量要求與其他管一致。由于巖體破碎，施工時常常遇到注漿壓力不滿足設計圖紙要求的情況。根據此情況，項目部及時調整水泥凈漿的配合比，并采取小泵量低壓注漿或間歇注漿，使水泥漿在裂隙中停留時間加長的方式，以便凝膠。因漿液為水泥凈漿，施工中均按注漿后8h 再開挖的時間間隔進行控制。施工完成后逐孔、逐根檢查小導管并做好記錄。因越斷裂破碎帶圍巖自穩能力差，采用超前小導管的超前支護形式有效保證了隧道開挖工作面的穩定。超前小導管的支護效果也在后續的洞身開挖中得到了驗證。

3.3 洞身開挖

3.3.1 洞身開挖施工概述

采用雙側壁導坑法開挖隧道洞身，為確保施工安全，避免左右洞施工相互影響，隧道左右線開挖錯開，本隧道先進行左洞施工，后進行右洞施工，左洞掌子面與右洞的二襯間距約30m，滿足規范要求不小于20m 的要求。洞身開挖爆破施工采用弱爆破的方式，以減少對圍巖的擾動，并輔以人工、挖掘機、風鎬，相互配合開挖。

3.3.2 開挖及支護順序

羅家營隧道穿越斷裂破碎帶采用雙側壁導坑法進行施工，施工工藝順序立面圖如圖2 所示。

圖2 羅家營隧道雙側壁導坑法施工工序立面圖

穿越斷裂破碎帶的開挖、支護順序按中字母順序由A 至P 進行，具體施工順序如下：主洞小導管超前注漿預支護→左側導洞上半斷面開挖→左側導洞上半斷面初期支護→左側導洞下半斷面開挖→左側導洞下斷面初期支護→右側導洞上斷面開挖。右側導洞上斷面初期支護→右側導洞下半斷面開挖→右側導洞下半斷面初期支護→主洞上部開挖→主洞上部初期支護→主洞中部開挖→主洞下部開挖→主洞下部初期支護、中夾巖柱加固→澆筑主洞仰拱→鋪設防水板，澆筑二次襯砌混凝土→另一側主洞開挖。

因超前支護已經采取超前小導管的方式，提高了圍巖的穩定性，在開挖過程中也未發生突水、突泥的情況，證明此種超前支護的形式是安全有效的。

因本斷裂破碎帶圍巖破碎，極易坍塌，雖然已經采取了超前支護，但是圍巖的自穩能力尚無法得到明確判斷。為避免大面積坍塌，本段開挖循環進尺按50cm 控制（1 榀鋼架間距）。開挖后及時安裝鋼拱架并噴射混凝土。

施工中，二襯距離下臺階長度按不大于20m 控制。主洞下臺階長度全程按5～10m 控制。主洞中臺階長度按10～20m 控制。主洞的上、中臺階間距按5～10m 控制。側導洞上、下掌子面間距按不大于10m 控制。施工過程中最大臨界震動速度v≤15cm/s。

為避免拱頂下沉侵入隧道建筑界限，結合設計文件、監控量測成果以及類似項目的經驗，隧道拱頂預留變形量按照15cm 控制。施工中，型鋼拱架鎖腳錨桿施工完成后再開挖仰拱。初支施工在隧道洞身開挖完成后進行，側導洞初期支護臨時鋼拱架的拆除時間均在主洞初期支護鋼拱架后。

因本段隧道圍巖等級為V 級，為滿足施工安全以及施工規范的要求，本段圍巖封閉位置與掌子面的距離按不大于35m 控制。

開挖完成后，二次襯砌根據監控量測成果進行，監控量測相關參數滿足規范要求后再施工二次襯砌。

3.4 監控量測

為驗證本方法在穿越斷裂破碎帶公路隧道施工中的有效性，同時根據規范的相關要求，項目部對隧道進行了監測，主要監測項目如下：

3.4.1 地質及支護狀態觀測

對開挖工作面的觀察結果：巖體破碎，圍巖完整性較差、自穩能力差，需要及時支護，開挖過程中易發生拱頂局部掉塊。

開挖后已支護段的觀察結果：初期支護完成后噴射混凝土層表面無裂痕；噴射混凝土沒有產生裂縫或剝離且沒有發生剪切破壞；鋼支撐無被壓彎曲現象；沒有底鼓現象。

3.4.2 拱頂下沉監測

此段隧道開始施工一個月內部分斷面拱頂沉降的監測數據如表1 所示。

表1 拱頂沉降的監測數據

3.4.3 周邊位移觀測

此段隧道開始施工一個月內部分斷面的周邊收斂的監測數據如表2 所示。

表2 周邊收斂的監測數據

3.4.4 監測結論

隧道右線拱頂沉降監測數據和周邊收斂監測數據分析可知，右線穿越斷裂破碎帶段監測斷面的拱頂下沉、周邊收斂相對變化速率及累計位移量基本符合規范要求。

4 結束語

本破碎斷裂帶施工段目前已安全施工完成，施工中未出現隧道拱頂沉降過大、坍塌、突水、突泥等事故，公路隧道穿越斷裂破碎帶時采用雙側壁導坑法進行施工是一種較為有效的方法。