大型斷裂融合帶特長鐵路隧道修建關鍵技術探討

朱麟晨

(中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

云南地區因地處區域性大斷裂發育地質環境，會加大施工難度。目前已有學者對隧道穿越大型斷裂時的受力機理和控制措施進行研究。程國然[1]以在建麗香鐵路為依托研究地震高烈度區隧道穩定性的影響因素；劉愷[2]、孫風伯[3]、許丁予[4]等分析了穿越活動斷裂帶隧道的錯動破壞機理和抗錯動措施；黃勝[5]、方林[6]、張云鵬[7]等采用室內模型試驗和理論分析相結合的方式，分析隧道在穿越復雜地層斷裂帶下的地震響應特性，并提出相應的抗震設防措施；余莉[8]、宋晃[9]等依托實例介紹了超前地質預報在斷裂帶隧道中的應用；王芳[10]通過建立理想模型對位于陡傾斷裂帶中的深埋隧道涌水影響因素進行了研究。

以上研究多是從單條斷裂帶對于隧道影響的某一個方面進行，關于區域性大型斷裂帶對隧道的系統性影響及處置措施研究較少，且關于在多條區域性大斷裂影響下的融合地段修建特長隧道的關鍵技術更鮮有系統性的報道[11]。本文依托廣大鐵路祥和隧道的修建，研究總結在大型斷裂融合帶處修建特長隧道的關鍵技術。

1 工程概況

祥和隧道全長10 220 m，為雙線隧道，最大埋深為720 m，線路縱坡設計為人字坡，坡度分別為+0.5%和-0.48%，考慮工期、通風、排水，以及防災救援等因素，于線路右側設置貫通平導，長度為10 076 m。祥和隧道地質縱斷面見圖1。

圖1 祥和隧道地質縱斷面簡圖

該隧道為I級風險隧道，同時也是廣大線頭號高風險隧道。隧道穿越9條大斷層，為國內首座位于2條區域大型活動斷裂融合帶的復雜多變地質特長隧道。

隧道處于川滇南北向構造帶和青藏滇緬歹字形構造帶之間，該復合地帶為2個區域性大構造帶斜交產生，東側是程海—賓川大斷裂，西側是洱海深大斷裂，隧道被這2個大型區域性活動斷裂所夾持，構造擠壓強烈，巖體十分破碎，該區域內侵入巖活動劇烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖脈、巖株、巖墻等形態不規則地侵入區內各地層。隧道特點：①2條區域性活動大斷裂融合帶，9條大斷層，地質極其復雜多變，結構受力環境差；②整個隧道均位于軟弱破碎地質環境中，施工極其困難，安全風險高；③圍巖穩定性差，支護變形普遍，工期風險大；④復雜環境地應力大、地下水發育，隧底及無砟軌道動力穩定問題突出。

2 開挖支護關鍵技術措施

廣大鐵路祥和隧道受區域地質構造影響，范圍內發育蕎麥地-馬鞍山斷裂、蕎麥地-架子山斷裂、三家村等9條斷裂構造，總長2 150 m，典型斷層破碎帶基巖裂隙水見圖2。

圖2 斷層破碎帶基巖裂隙水發育

此外，構造擠壓強烈，巖體十分破碎，該區域內侵入巖活動劇烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖脈、巖株、巖墻等形態不規則的侵入區內各地層，侵入巖段落總長2 916 m，典型花崗斑巖、輝綠巖蝕變帶見圖3。

圖3 花崗斑巖、輝綠巖蝕變帶

同時，砂巖夾頁巖、板巖及灰巖受構造及侵入巖影響，巖體極為破碎，節理裂隙強烈發育，部分巖體呈壓碎狀，軟弱圍巖段落總長2 914 m；隧道可溶巖段長約4 285 m，巖溶強烈發育，最大涌水量超過11×104m3/d。

全隧III級圍巖長度為550 m，占隧道長度的5.39%；IV圍巖長度為3 640 m，占隧道長度的35.67%；V圍巖長度為6 030 m，占隧道長度的58.94%。

本隧道開挖支護的難點主要為巖質軟硬不均，巖性復雜，易坍塌。受斷層構造帶影響，圍巖穩定性差，易突水、突泥。地下水滯后對炭質頁巖產生軟化、泥化作用，致使隧道圍巖容重增加，導致圍巖體進一步軟化，圍巖自穩能力變差，易變形。因此，設計針對大型斷裂融合帶復雜地質特長隧道的高風險性和不確定性，采用“加強預報、平導超前、支護加強、調整工法、創新注漿、圓形襯砌”等綜合措施。

2.1 圓形襯砌活動斷裂帶支護設計技術

祥和隧道D1K151+180-D1K151+670段(490 m)穿越上泥哨斷裂和蕎麥地-馬鞍山活動斷裂帶，晚更新世以來該活動斷裂帶平均左旋走滑速率2.5～3.0 mm/年，平均垂直位速率2 mm/年。

為避免隧道襯砌受斷層剪切和地震破壞，設計時按照“避讓、補強、抗斷”的設計理念，采用圓形斷面復合鋼筋混凝土襯砌進行設計，通過加強支護結構滿足開挖及正常運營要求，以具備較強的抗震能力。

圓形襯砌設計斷面及其現場施工情況如圖4和圖5。

圖4 典型圓形襯砌設計斷面(單位：cm)

圖5 典型圓形襯砌施工斷面

2.2 以控制變形為主的軟弱圍巖支護設計技術

多條構造影響范圍內多種巖性混雜，各種不利結構面交錯發育，巖質較軟，特別是在輝綠巖、花崗斑巖、斷層角礫及炭質頁巖等軟質巖地段，風化程度不均勻，巖體強度低，節理裂隙發育，孔隙較大，且地下水具有明顯的遲滯性，使得結構面抗剪強度降低，導致圍巖產生大規模的剪切破壞，致使圍巖發生較大變形。設計采用以下措施解決軟弱圍巖段變形突出的問題。

1) 加強超前預報。超前地質預報采用地質素描、綜合物探和超前鉆探相結合的方案，其中以綜合物探為主，局部段落采用鉆探進行驗證，針對地下水豐富地段采用了激發極化法。

2) 引排地下水。通過超前物探結果顯示的異常區域，對該區域內掌子面進行超前水平鉆孔，除了可以驗證掌子面前方地質情況，還可以起到超前排放地下水的作用。對部分已施作初支但涌水量仍較大的區域，采用局部鉆孔的方法引排洞周地下水，并在出水孔位置增設環向盲管引排地下水至側溝。

3) 提高圍巖強度。為了保證隧道開挖的安全，在富水軟質圍巖段落，采用對上臺階圍巖進行超前局部注漿加固，下臺階圍巖進行鉆孔排水的方法，效果明顯。超前注漿材料采用硫鋁酸鹽或普通水泥單液漿。

4) 加強初期支護。隧道初噴混凝土采用C30早強混凝土；初支鋼架通常采用I22型鋼鋼架，局部地段采用HW175型鋼鋼架；在鋼架臺階接頭及墻腳的位置設置鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用“U形”連接的方式或將鉆孔鋼板直接焊接在鋼架上，使鎖腳錨管穿過孔洞并連接在鋼板上；開挖后使初支及時成環。

針對軟弱圍巖段具有變形大、地下水滯后的特點，設計了“探、排、護”三位一體的處理方案，成功解決了本隧道軟弱圍巖段穩定性差，支護變形普遍，施工易變形造成坍塌的嚴重后果，保證了隧道施工安全。

2.3 應用新型注漿工法的涌水處理設計技術

隧道斷層、軟弱破碎帶、侵入巖蝕變帶等不良地質段落占全隧比例約60%，因此研究大型斷裂融合帶復雜地質特長隧道涌水涌泥機理及采用注漿治理的技術尤為重要。本隧道在采用注漿治理富水斷層地段涌水涌泥災害成功的基礎上，結合工程實際及相關理論經驗，建立了一整套集綜合預報、注漿設計、注漿實施及效果評價等關鍵技術體系，并通過現場反復試驗對比，創造性地提出并采用前承后繼注漿工法，提高了開挖支護的安全性，有效地縮短了工期，且合理降低了施工成本。

前承后繼注漿工法分為“前承”和“后繼”2個部分，其中“前承”的第一步是在上臺階周邊輪廓采用長5 m的鋼花管淺孔低壓注漿；第二步是頂入自進式管棚，每根長12～15 m，角度向上5～8°，設置于拱部，打入管棚后先不注漿；第三步是采用8～10 m長鋼花管注漿，同時對管棚注漿，注漿壓力3 MPa左右。“后繼”是施做完初支鋼架后，在拱腰至拱腳分別施做2組單根5 m左右的鎖腳錨管，拱部范圍采用徑向注漿。

3 工期控制關鍵技術措施

祥和隧道穿越橫斷山脈，受地形地質條件限制，輔助坑道選擇受限，因此貫通平導能否按期順利掘進關乎整個隧道的工期，同時對全線總工期產生影響。祥和隧道是云南地區第一座利用貫通平導多掌子面超前正洞施工，實現全線工期的特長隧道，為類似工程在輔助坑道選擇及平導快速施工方面提供較大借鑒。

3.1 加強超前預報保障平導施工

由于云南地區地質構造異常發育、地質條件較差、巖性復雜多變, 因此做好隧道超前地質預報工作是保障平導及引入正洞安全、快速施工的關鍵, 根據圍巖及地下水的不同，選擇合適的開挖方法和支護措施。采用地質素描、綜合物探和超前鉆探相結合的綜合方法對隧道進行超前地質預報，其中以綜合物探為主，局部鉆探進行驗證。

3.2 調整開挖方式提高掘進效率

云南地區隧道以軟弱圍巖為主，從開工以來的爆破情況看，開挖后的超欠挖均較難控制，為改善開挖效果，提高施工進度，設計中利用單臂掘進開挖方法工效較高，開挖輪廓好的特點進行輔助開挖，最大限度控制超欠挖的發生，減少噴混凝土的超耗，在開挖的同時可以出渣，節省出渣時間，減少掌子面施工人員，提高掘進效率。

3.3 優化平導輪廓改善受力條件

在深埋V級圍巖及斷層破碎帶地段，由于豐富的地下水、較高的地應力，以及較強的構造擠壓作用影響，常導致初期支護發生變形開裂。通過調整平導邊墻曲率，優化結構的受力條件，取得了較好的效果。平導曲墻式二次襯砌見圖6。

圖6 平導曲墻式二次襯砌

3.4 多工作面引入正洞施工

為加快施工進度兼顧施工通風和排水的需要，共設置22處橫通道。平導超前后利用橫通道多次引入正洞開辟工作面施工(施工中成功實現于1個主攻方向3次引入正洞施工)，將巷道內的新鮮空氣，壓入各工作面，成功解決隧道開辟工作面困難的問題，還改善了隧道通風條件。平導多掌子面引入正洞施工示意圖見圖7。

4 隧底穩定性控制技術措施

為解決復雜環境下地應力大和地下水發育造成隧底及無砟軌道動力穩定控制難題，設計采用“排水減壓、錨桿鎖定、注漿補強”等措施，有效應對了雙線無砟軌道隧道運營過程中產生上鼓、下沉和翻漿冒泥等病害發生，保證了隧道運營安全。

圖7 平導多掌子面引入正洞示意圖

4.1 隧底排水降壓

于隧道中線左、右側80 cm處鉆設排水降壓孔，排水降壓孔按縱向間距8 m交錯布置，排水降壓孔內設直徑100 mm PVC管，并于仰拱填充內排水降壓孔頂端至中心水溝間鑿槽，于鑿槽內埋設圓形截面PVC彎管，將排水降壓孔內涌水直接引入中心溝。增設降壓泄水孔施工見圖8。

圖8 增設降壓泄水孔施工

4.2 錨桿鎖定

于隧道軌道板兩側增設壓力型預應力錨桿加固，錨桿縱向間距3 m。錨桿由錨固段(長2～3m)和自由段(不小于5 m)組成。錨桿端頭設置承載體和錨固段。錨固劑固化完畢并達到設計強度后方可進行張拉，單孔張拉力設計值200 kN，張拉完畢，經驗收合格后自由段套管與巖壁間空隙采用M35水泥砂漿注漿。錨桿鎖定封錨見圖9。

圖9 錨桿鎖定封錨

4.3 隧底注漿加固

洞身穿越斷層破碎帶、物探異常和基底不密實段落，采用直徑42 mm鋼管進行隧底充填注漿加固。注漿加固孔設置于軌道板兩側，縱向間距2 m，嵌入開挖輪廓線外基巖2.5 m。

5 結語

大型斷裂融合帶地質極其復雜多變，結構受力環境差；整個隧道均位于軟弱破碎地質環境中，導致施工極其困難，安全風險高；圍巖穩定性差，支護變形普遍，工期風險大；復雜環境地應力大、地下水發育，隧底及無砟軌道動力穩定問題突出。

設計針對大型斷裂融合帶復雜地質特長隧道的高風險性和不確定性采用“加強預報、平導超前、支護加強、調整工法、創新注漿、圓形襯砌”等措施，取得了較好的效果。祥和隧道是云南地區第一座利用貫通平導多掌子面超前正洞施工，實現全線工期的特長隧道，為類似工程在輔助坑道選擇及平導快速施工提供較好借鑒。

上述實踐表明，采用“排水減壓、錨桿鎖定、注漿補強”等措施，能有效解決復雜環境下地應力大和地下水發育造成隧底及無砟軌道動力穩定控制難題。