隧道穿越斷層破碎帶施工技術研究綜述

康海波 萬志強 趙剛應 張乾

摘要：在山嶺隧道修建過程中，隧道經常會穿過錯綜復雜的大小斷層，給隧道施工增加困難，隧道如何安全、快速通過斷層破碎帶成為研究重點。文章對國內隧道穿越斷層的支護方法以及開挖工法進行了總結，分析探討隧道穿過破碎帶時的施工技術，并提出在斷層破碎帶區段進行隧道掘進，應根據實際隧道地質情況合理設計超前支護，對于不同類型和大小的斷層，所采用的超前支護方法不盡相同，遵循“短進尺、強支護、少擾動、快封閉、早襯砌、勤量測”的原則，施工中應盡量減少對隧洞圍巖的影響，在開挖后及時支護。

關鍵詞：山嶺隧道;斷層破碎帶;支護方法;超前支護

中圖分類號：U455.4文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.036

文章編號：1673-4874（2021）01-0131-04

0引言

隧道穿過斷層破碎帶時，由于斷層破碎帶圍巖巖體破碎，在開挖過程中如果不及時進行結構支護或者施工不當時，在隧道內部會發生坍塌、掉塊等危害。倘若隧址區地下水充足，且巖體次生裂隙發育，隧道開挖至斷層段時，容易出現突水、突泥等災害，影響工程進度，威脅工作人員的安全。

國內山嶺隧道工程項目日益增多，在山嶺隧道建設過程中應總結施工經驗并且進行理論研究，逐步探索出各類施工開挖工法和支護技術來確保斷層隧道巖體的穩定。楊金武[1]以穿過斷層破碎帶的慈母山一號隧道為工程背景，對安全通過該斷層隧道的支護參數進行了分析說明，為類似斷層隧道設計建設提供參考，劉萬生[2]詳細介紹了西格二線關角隧道成功通過斷層破碎帶的施工技術、方法，為其他穿越斷層隧道施工提供經驗，鄭金松[3]采取超前小導管對斷層段圍巖進行提前加固，開挖工法為正臺階法，并在施工過程中取得了較好的效果;彭超[4]對實際斷層隧道進行施工設計，通過多圍巖進行注漿加固，采用微臺階開挖工法，增加預留變形量等措施，取得了較好的效果。本文通過總結國內隧道含斷層破碎帶的施工處治技術，綜合描述各隧道在斷層破碎帶的施工工法以及采用的支護設計，采取經驗類比的方法，為類似的隧道穿越斷層破碎帶提供借鑒與指導。

1隧道穿越斷層施工技術實例總結

本節總結國內幾大典型含斷層隧道施工方案，從斷層隧道開挖工法、超前支護措施、初期支護結構和二襯支護結構進行總結歸納。典型斷層破碎帶隧道開挖所采取的施工技術總結于表1中。

2隧道穿越斷層破碎帶施工技術總結分析

依據上述典型斷層隧道施工案例，分別從斷層破碎帶開挖技術、斷層破碎帶超前支護技術和斷層破碎帶襯砌支護技術進行總結分析。

2.1隧道穿越斷層開挖技術研究

斷層破碎帶地段圍巖巖體破碎，整體性差，是隧道全線施工中的關鍵控制地段。施工工法對隧道圍巖的穩定性有重要的影響，不同隧道施工工法以及施工工序對破碎帶圍巖的影響也不同。含斷層破碎帶圍巖隧道施工工法主要有CRD法、臺階法、CD法、雙側壁導坑法等[5]。應在隧道實際施工過程中，根據施工難度、施工進度、機械配制、隧道斷面大小、隧址區區域地質情況，合理地選擇相應的隧道開挖工法。

斷層破碎帶地段隧洞施工在通常情況下，應不采取全斷面開挖的方法，具體在實際隧洞施工中，應根據開挖現場斷層破碎帶巖體性質、破碎帶寬度以及圍巖破碎程度等情況合理選擇開挖工法。在破碎帶范圍內掘進隧道，應遵循“短進尺、強支護、少擾動、快封閉、早襯砌、勤量測”的原則，可以選擇微震爆破、半截面微臺階或者上下截面順序的開挖方法，具體施工技術有：

（1）微震爆破：在含斷層破碎帶圍巖處進行爆破，應對爆破鉆眼進行合理布置，并且遵循“短進尺”的原則，藥量需精準控制，科學設置爆破參數，這樣才可確保隧道開挖輪廓線以外的巖體穩定，減少對圍巖的擾動，確保爆破工作安全進行。此外還應注意起爆順序以及鉆爆參數的控制。

（2）半斷面微臺階開挖：此類開挖工法適用于隧道局部圍巖含有斷層破碎帶或者斷層破碎帶規模較大時，通常斷層破碎帶出現于隧道拱頂時，可選擇此類施工方法。半斷面微臺階法施工工序較為復雜，但可以保障隧道掌子面土體的穩定，并且隧道開挖引起周邊圍巖擾動較小。同時，此類開挖技術可以合理地利用空間，提高機械施工效率。值得注意的是，在破碎帶圍巖開挖過程中，為保障隧道圍巖的穩定性，開挖后應及時進行錨噴支護。在開挖過程中，開挖斷面的下半部與后拱部可同時進行施工，這樣可以增加隧道斷面的閉合速度，增強隧道整體穩定性。

（3）上下斷面順序開挖：當斷層破碎帶規模大，圍巖整體性差時，應采用上下斷面順序開挖。此類開挖方法是指在上斷面開挖支護完成后，再對下斷面進行開挖支護。若斷層破碎帶巖體風化嚴重或者圍巖穩定性極差，在開挖過程中，應預先保留核心土，并對周邊巖體進行環形順序爆破施工。如在寶鼎2號隧道施工過程中所采用的環形開挖預留核心土法，開挖與襯砌施工工序見圖1。值得注意的是，含斷層段圍巖開挖時，應嚴格控制一次開挖進尺，減少圍巖擾動，每開挖一個斷面部分，應立即進行噴錨支護，施工過程中進行隨接、隨挖、隨噴的有序性操作。

2.2隧道穿越斷層支護技術研究

支護技術主要包括超前支護以及錨噴支護。超前支護是指在隧道開挖前，預先在隧道開挖面前方土體施作支護結構;錨噴支護是指在隧洞掘進過程中，保障洞周巖體穩定性的一種復合支護結構。由于各地區斷層構造產生的原因不同，不同含斷層的隧道，斷層破碎帶巖體巖性也可能不同，但每類支護方式有其特有的適用性以及很強的針對性，所以很難探索出一種合適的隧道施工以及支護方法來解決應對艱險多變的破碎帶圍巖。

2.2.1斷層隧道超前支護技術

2.2.1.1超前支護類型

斷層破碎帶巖塊破碎，圍巖穩定性差，在隧道掘進過程中，容易發生大變形。因此在實際建設過程中會采用加強支護結構與超前支護相結合的方法來加強圍巖的自穩性。超前支護是在隧道未開挖前對隧道圍巖進行預加固來提高圍巖強度等級，改善圍巖受力狀態，從而達到安全開挖的目的。主要的超前支護類型有超前小導管、超前管棚和超前預注漿等。隧道超前支護類型的運用范圍和使用材料見表2。

超前小導管的目的是在隧道開挖前進行預設，從而加強預設范圍內巖體的抗剪能力，增強該范圍巖體的自穩性。一般在穿越斷層區間時，超前注漿小導管的安設距離在30cm，安設位置位于起拱線之上。小導管注漿類型主要有水玻璃砂漿、純水泥漿和水泥砂漿[6]。提前注漿加固可以提高圍巖的自穩能力，不同注漿類型適用范圍不同。當圍巖巖體裂隙較大時，可以使用純水泥漿或者水泥砂漿;當圍巖巖體裂隙較小且含水量大時，水玻璃砂漿更為合適。

管棚可分為洞外和洞內管棚。隧道內部管棚一般設置在巖體破碎、地質條件差的地段。在斷層破碎帶地段進行管棚施工作業時，應盡可能地給予施工人員管棚施工作業場地。通常在設計截面上，管棚施工作業面積沿隧道方向長3m，橫向擴大30～50cm。隧洞穿過斷層破碎帶時，為充分利用管棚對巖體的支護作用，保障巖體的穩定，其長度需要符合兩個條件[7]：（1）在管棚施工前，沿隧道開挖方向進行鉆孔試驗，掌握隧道開挖方向的地質情況，根據地質條件確定管棚施工長度;（2）管棚長度應穿過掘進面巖體一定距離，使得荷載能夠轉移至襯砌結構上。在斷層破碎帶圍巖段施工，管棚布設間距應根據實際地質情況和破碎帶巖體結構來綜合考慮，一般環向布設間距為2～3.5D。

2.2.1.2不同斷層類型的超前支護措施

根據沿隧洞縱向斷層破碎帶間距，將斷層規模進行分類。斷層可以分為小斷層（寬度<5m）、中斷層（寬度為5～10m）以及大斷層（寬度>10m）。超前支護方案根據破碎帶大小和分布特征的差異而不盡相同：

（1）隧道穿過小斷層時，在長期的地質作用下，破碎帶內巖體主要受擠壓作用，破碎帶巖體變得擠壓緊密，此時破碎帶巖體強度大，自穩性相對較好。在隧道掘進過程中，采用加強初次支護的結構強度，并與相應的輔助措施相結合來增強破碎帶巖體的可靠性[8]。比如采用超前錨桿與系統錨桿相配合，增加噴射混凝土的厚度，提高鋼筋網的密度等。其中超前錨桿一般安置在拱部，錨桿環向間隔一般為40cm，2m 設一圈，錨桿長3.5m，直徑一般為Φ22m，外插角度約為10°。通過早強砂漿將超前錨桿與巖體膠結，及時發揮超前支護作用。在超前支護發揮作用后，進行隧道開挖，并進行初期支護。

（2）隧道穿過中斷層時，圍巖強度較低，斷層巖體較破碎，在增加初期支護結構強度的情況下，仍需在隧洞拱部施作超前小導管并進行注漿加固。小導管一般選取規格為Φ42～50mm的直熱軋鋼管，外插入角為10°～20°，布設環向間隔為30～50mm，沿隧洞方向兩組超前小導管間水平搭接距離≥1m。一般在小導管內灌注水玻璃或水泥等漿液。在超前支護的情況下，采用對隧洞巖體擾動較小的掘進方式，如預留核心土法、臺階法等。根據開挖工法和施工工序，及時施加超前支護結構和完成注漿作業，待超前支護結構發揮力學作用時，即可進行下一步開挖。

（3）隧道穿過大斷層時，圍巖強度極低，斷層巖體極破碎，圍巖自穩能力極差，如果支護不及時或者施工不當，隧道容易產生坍塌事故。此時需采用鋼拱架和超期管棚相結合的支護手段，抑制破碎圍巖的坍塌，增強圍巖的強度，提高圍巖的穩定性。管棚規格一般選取Φ108mm厚壁熱扎無縫鋼管，尺寸一般為10～40m。在含大破碎帶的隧道施工過程中，管棚需分批配置通過破碎帶，沿破碎帶方向兩組管棚搭接距離>3m，環向管棚間距一般為管徑的2～3倍。鋼拱架設置可采用格柵鋼架或者型鋼，設置間隔一般為0.5～1.0m一榀。

2.2.2含斷層段圍巖隧道襯砌設計

含斷層段圍巖采取復合式襯砌。復合式襯砌施工主要內容包括：噴射混凝土、鋪設鋼筋網、施加鋼拱架、安裝系統錨桿。初期進行錨噴支護、初期支護拱墻一般采用C25噴射混凝土，并且鋪設鋼筋網和環形鋼拱架，在斷層圍巖極為破碎地段應該增加噴射混凝土的厚度、提高混凝土的強度或者加密系統錨桿。二襯設計應采取圓滑、等厚斷面，一般采用C35鋼筋。

斷層段圍巖襯砌設計應設置仰拱，仰拱應及時封閉，使襯砌結構及早形成閉合結構，提高襯砌結構的整體性剛度，并且可以有效阻止水流浸泡隧道基底，導致邊墻變形和底鼓現象。在初期支護施工階段，仰拱厚度不宜過厚，保留預留變形量，仰拱的曲率應盡可能調大，保證與邊墻連接的順滑，可以減少出現應力集中現象。

3結語

（1）含斷層段圍巖隧道施工開挖方法，應根據實際隧道中斷層寬度、巖體破碎程度以及破碎帶巖體性質等綜合考慮，務必遵循“短進尺、強支護、少擾動、快封閉、早襯砌、勤量測”的原則，選擇合理的施工技術。

（2）斷層破碎帶地段巖體破碎，地質條件復雜，在隧道開挖前期，應進行超前支護來保障圍巖的穩定性，以及確保施工安全進行。不同斷層類型采用的超前支護手段不同，不同隧道施工建設應根據實際情況進行超前支護施工設計。

（3）斷層破碎帶地段隧道一般采用復合襯砌結構進行支護，若出現局部巖體較破碎或者襯砌出現開裂情況，應合理提高噴射混凝土強度，采取增加噴射混凝土厚度、增強型鋼剛度等措施。

（4）本文總結了幾大典型含斷層破碎帶隧道的施工關鍵技術，其他項目在參考的同時，應根據項目實際工程情況進行設計。

參考文獻

[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）：159-163，182.

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[4]彭超.公路隧道穿越淺埋斷層破碎帶工程處理技術[J].現代隧道技術，2013，50（1）：134-138.

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[7]田峰.淺談鋼支撐支護和管棚法支護的施工工藝[J].科技資訊，2008（1）：24-25.

[8]郭乾.典型不良地質條件下隧道圍巖穩定性分析及對策研究[D].重慶：重慶交通大學，2010.