復雜條件下大斷面隧道施工關鍵技術研究

霍錦峰

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州）

引言

在某山嶺隧道工程中，采用鉆爆法施工具有優勢，但在地質條件復雜條件下，采用鉆爆法施工引起的隧道超前挖現象非常普遍，特別是對于受構造作用圍巖等級低條件下，自然狀態下的圍巖被地應力扭剪、受結構面切割破碎，隧道爆破和開挖不當甚至會引發圍巖坍塌，地下水發育時，容易引發水力通道連通，導致突水涌泥[1-2]。為研究機理裂隙發育和圍巖破碎條件下大斷面隧道的爆破與開挖問題，本文嘗試依托實際工程，采用超前全斷面帷幕注漿的措施對富水斷層破碎帶進行止水和加固，并給出了相應的爆破施工參數，研究成果可為復雜地質條件大斷面隧道的安全快速施工提供參考。

1 工程概況

某省高速公路隧道為特長分離式隧道，橫穿山體，山體總體呈東西走向，隧道全長12.130 km（左洞）/11.996 km（右洞）。隧道進出口的高程分別為770.2 m、900.2 m，洞身最大埋深約212.6 m。左線隧道起訖里程樁號為ZK75+660～ZK87+790，右線隧道起訖里程樁號為YK75+790～YK87+786。

隧址區位于剝蝕構造丘陵地區左線隧道III 級圍巖長度為4 977.5 m，占左線長度比例為41.03%，IV級圍巖長度為4 675 m，占左線長度比例為38.54%，V 級圍巖長度為2 477.5 m，占左線長度比例為20.42%；右線隧道III 級圍巖長度為4 941.7 m，占右線長度比例為41.19%，IV 級圍巖長度為4 675 m，占右線長度比例為38.97%，V 級圍巖長度為2 379.3 m，占右線長度比例為19.83%。

線路存在2 條對隧道影響較大的斷層破碎帶，分別為F6 斷層破碎帶和F7 斷層破碎帶。F6 斷層破碎帶的寬度約為455 m，與隧道軸線以大角度相交，交角約75°；F7 斷層破碎帶的寬度約為125 m，圍巖等級為Ⅴ和Ⅳ級。

2 復雜條件下隧道施工重難點分析

2.1 斷層破碎帶掘進施工重難點分析

根據區域資料和工程地質調繪、物探資料，線路存在2 條對隧道影響較大的斷層破碎帶，分別為F6斷層破碎帶和F7 斷層破碎帶。F6 斷層破碎帶的寬度約為455 m，與隧道軸線以大角度相交，交角約75°，圍巖完整性較差，圍巖等級為Ⅴ和Ⅳ級。F7 斷層破碎帶的寬度約為125 m，圍巖等級為Ⅴ和Ⅳ級。經過現場調研，2 條斷層破碎帶的圍巖受斷裂影響，巖體破碎，巖塊飽和單軸抗壓強度Rc=30 MPa，[BQ]計算值為225；由于圍巖較差，不能進行大進尺爆破，只能進行小進尺爆破，且施工過程中，如果沒有及時采取支護措施，斷層破碎帶極易在爆破振動和開挖卸載的擾動效應下，產生側壁圍巖擠出、掌子面垮塌和拱頂塌方冒頂等問題，給隧道開挖及事故處置帶來極大的困難。

2.2 隧道突涌水、突泥條件下掘進施工重難點分析

根據地質調查資料顯示，隧道主要不良地質是涌水、大變形以及斷層破碎帶等，這些圍巖段落施工時，由于隧道采用的是鉆爆法施工，圍巖破碎帶和斷層構造接觸帶等在爆破作用下引發松動和巖體力學性質劣化，產生不可避免的損傷，在斷層夾層中充填的黏土、砂礫，在連通水體后被攜帶和突發性地涌出，進而引發隧道內的突水涌泥災害，嚴重地造成機械設備掩埋和人員傷亡；在雨季和冬季冰雪融化季節施工時呈淋雨狀或涌流狀出水，全線隧道的富水程度等級為中等富水～強富水，富水程度為強富水段的洞身長度達到1 480 m，這些地下水如果在水源供給充足，或者連通地表水體的情況下，高壓水體極易沖破土壓力和支護結構，因此在隧道施工過程中，需要探明地下水的發育程度，圈定其發育范圍，并采取注漿止水等措施進行地下水的控制和防范，這也是隧洞施工的難點之一[3]。

2.3 軟巖大變形段的掘進施工重難點分析

F6 斷層破碎帶和F7 斷層破碎帶在構造應力的作用下，圍巖的破碎，斷層接觸帶受擠壓和剪切應力的影響，巖體泥化，圍巖強度和圍巖級別極地，因此受到局部高地應力和地下水的作用，圍巖體極易發生塑性變形或者力學強度劣化，進而產生大變形，影響隧道的成洞效果，也給隧道的襯砌支護帶來巨大壓力[4]。

3 大斷面隧道施工關鍵技術

3.1 大斷面隧道爆破施工技術

大斷面隧道采用鉆爆法施工，隧道爆破設計參數的確定采用理論計算法、工程類比法與現場試爆相結合，在保證爆破震動速度符合安全規定的前提下，提高隧道開挖成型質量和施工進度。以新奧法理論指導施工，三臂鑿巖臺車、YT-28 風鉆成孔，采用非電毫秒延時起爆網絡，選用2#巖石乳化炸藥，藥卷規格Φ32×300 mm×300 mg，實施控制爆破和光面爆破[5]。

在隧道開挖作業時，控制循環進尺，采取有效的控制爆破，避免產生的爆破有害效應超過安全規定和預設指標，以保證隧道能夠快速成洞，安全穿越不同圍巖等級的地質條件。一般而言，圍巖等級越差隧道，其單循環開挖進尺越小，經過大量的工程總結，本研究中針對III 級圍巖隧道，單循環開挖進尺控制在3 m～5 m 范圍內，對于IV 級圍巖隧道，單次循環開挖進尺控制在2 m～3 m 不等，對于V 級圍巖隧道，單次循環開挖進尺控制在1.5 m～2.0 m。以V 級圍巖爆破施工為例，CRD 法開挖炮孔布置圖如圖1 所示，爆破參數如表1 所示。

圖1 V 級圍巖CRD 法開挖炮孔布置圖

表1 V 級圍巖CRD 法開挖左半洞爆破參數

3.2 大斷面隧道穿越斷層破碎帶全斷面帷幕注漿施工技術

如圖2 所示，全斷面帷幕注漿技術主要適用于區間長度超過20 m 的富水地質構造帶（巖層破碎帶、斷層破碎帶、接觸帶、褶皺帶）的注漿堵水處理，具體實施情況需結合根據地質詳勘結果，并結合超前物探和超前探孔探明的情況綜合判定，判定標準為超前探水孔中單孔流量＞3 m3/h，總水量＞15 m3/h，巖體破碎，軟弱結構面極發育，整體穩定極差，開挖失穩風險極高[6-7]。

圖2 斷層破碎帶隧道全斷面帷幕注漿

在超前全斷面注漿前，應對掌子面前方的地下水發育情況和發育范圍采取科學合理的超前預報方法進行確定，鎖定水源后及時反饋地下水信息，實現注漿過程的信息化和調整注漿參數，并合理布置鉆孔，對未有開挖巖體采取“分區定位”的方法對地下水水流進行封堵，注漿遵循“由外到內、間隔跳空”的原則水量進無約束封控，并在相鄰兩個開挖循環中，鉆孔注漿應使注漿擴散圈有效重疊形成阻水帷幕，做到“環環相扣”，在地質條件變化和地下水量異常地區，應根據超前預報或超前探水情況，調整注漿量、注漿厚度，如有必要可以增加鉆孔、局部加強，確保注漿防水堵水效果。

全斷面帷幕注漿其注漿形式是在掌子面向前方密集打入“喇叭狀”的注漿孔，灌漿后形成傘狀的止水帷幕，因此注漿范圍應該超出隧道開挖輪廓，在非斷層破碎帶V 級圍巖中應超出5 m，在斷層破碎帶中超出8 m，隧道開挖時共布設了96 個（6 環）超前全斷面帷幕注漿孔，其中第1-3 環每環布置22 個注漿孔，第4 環布置16 個注漿孔，第5 環布置10 個注漿孔，第6環布置4 個注漿孔[8]。

單孔注漿漿液擴散半徑為2.5 m，為保證注漿擴散圈相互疊加，形成封閉的傘狀止水帷幕，單次循環注漿孔孔底的間距應控制在3.0 m 以內。注漿材料采用以普通水泥單液漿為主，其水灰比控制在（0.6～1）:1以內，并輔以普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，其水灰比控制在（0.8～1）:1，水玻璃濃度為30～35 Be，以上材料注漿效果不佳時，可考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿，硫鋁酸鹽水泥單液漿水灰比控制在（0.6～1）:1。

注漿方式采用前進式分段注漿，注漿初始壓力為1.2 P～1.5 P（P 為注漿位置靜水壓力），終止壓力為2 P～3 P（P 為注漿位置靜水壓力），注漿速度控制在10 L/min～120 L/min 范圍內，終孔間距不大于3.9 m，漿液擴散半徑為2.5 m，橫向加固范圍為開挖輪廓性外8 m，縱向加固長度為25 m。

4 結論

以某省高速公路隧道工程為研究對象，在分析場區隧道圍巖工程地質特征的基礎上，提出大斷面隧道爆破施工技術及斷面隧道穿越斷層破碎帶全斷面帷幕注漿施工技術，得到以下幾個結論：

（1）左線隧道IV 級、V 級圍巖長度共計為7 152.5 m，占左線長度比例為58.96%，右線隧道IV 級、V 級圍巖長度共計為7 054.3 m，占左線長度比例為58.80%；富水程度為強富水段的洞身長度達到1 480 m；對線路有影響的構造主要為F6 斷層破碎帶（長455 m），F7 斷層破碎帶（長約125 m）。

（2）采用光面爆破技術，Ⅲ級圍巖循環進尺3～5 m 以內，IV 級圍巖循環進尺2～3 m 以內，V 級圍巖循環進尺1.5～2 m 以內，V 級圍巖爆破施工采用CRD 法，采用超前全斷面帷幕注漿的措施對富水斷層破碎帶進行止水和加固，有效地改善了圍巖力學性質，提出的鉆爆法施工參數保證了隧道的順利貫通。