隧道穿越斷層帶施工技術研究

劉小飛

（中鐵二十局集團市政工程有限公司，甘肅蘭州 748399）

0 引言

在不同地質的作用下，斷裂巖層因受力復雜，巖體的自穩能力相對較差，在隧道穿越斷層裂縫帶時，容易發生坍塌或塌陷等不穩定性破壞。因此，在隧道工程建設中，為保證隧道初期支護系統的安全運行，往往需要采取多種措施，如剪切面法、階梯法、CD法、CRD 法等，進行開挖施工。國內外諸多學者分別從理論分析、數值模擬和實測分析的角度，對隧道穿越斷層斷裂帶施工技術進行了大量研究，更好地避免隧道穿越斷層帶施工過程中的坍塌等問題。

1 工程概況

新建隴西至漳縣高速公路隧道位于定西市漳縣武陽鎮。隧道為左、右分離式雙洞長隧道，左線起訖里程為ZK26+240～ZK28+927.5，全長2687.5m；右線起訖里程為YK26+210～YK28+936，全長2726m，左、右線均為變更調整后里程。隧道入口端位于S209 隴西至漳縣公路附近，隧址區有縣道S209 與之相連，交通較為便利。由于隧道洞身穿越斷層角礫巖，受F4漳縣—康勿里斷層影響較大，該段最大埋深為245m，最小埋深為194.5m，根據地質勘探1鉆樣取芯樣本揭示，離地表223m 位置巖體主要為強風化灰巖伴有部分泥質砂巖，具有一定的強度，巖體整體呈碎狀結構，完整性較差；離地表238m 位置2鉆孔樣本主要為風化泥巖，整體呈角礫狀，根據現場勘測，該類圍巖失水后極易崩解，呈碎屑狀，完整性較差，強度極低，基本無自穩能力。其中，隧址F4 斷層帶地表位于山體沖溝段，橫跨線路方向，溝深最高位置約10m，最低位置約5m，沖溝整體呈V 字形，坡口最寬位置約16m，最窄位置約10m。根據現場地形地貌調查，沖溝上游至下游200m 段高差在20m 左右，調繪期間，在ZK26+470 地表沖溝有少量水滲出。

2 隧道穿越斷層帶施工MIDAS 有限元分析

在巖土工程中，彈性有限元是隧道工程中常用的分析模型。由于彈性元件的單元和結構在受力時很少發生大變形，因此彈性和線彈性材料的特點規律才成為模擬中建立隧道模型問題的分析和控制重點。并且兩者之間存在線性關系，既滿足廣義胡克定律，又能節省計算時間。

在計算之前，根據選擇的位移方式，可以使用相應的公式計算關鍵節點的位移，用于替換單元內的所有單位點位移。形成一個對應的關系式，其矩陣形式是：

式（1）中：{} 為每個單獨的離散單元某一節點（或單元）的位移對應的矩陣；[]為節點的坐標，在前處理時確定；{}為相鄰單元之間交點的位移矩陣。

然后利用虛功原理，得出位移與變形之間的關系，劃分出有限元的剛度矩陣，具體見公式（2）。

式（2）中：{} 為有限元內的任意點的位移矩陣；[]為單元應變或變形矩陣。

根據位移方程，得到公式（3）。

式（3）中：{} 為單元內任意節點（或單元）的位移列陣；[] 為單元的彈性矩陣，該矩陣與單元材料緊密相關。

通過節點整合，最終得到整體計算公式（4）。

式（4）中：[]為整體分析時，經過整合的節點剛度矩陣；{} 為整體分析時，經過整合的節點位移列陣；{}為整體分析時，經過整合的節點所受到的外來荷載列陣。

最后在計算有限元變形與位移時，將參數代入公式進行計算即可。

3 隧道穿越斷層帶施工技術

3.1 開挖支護

以圍巖監控量測數據指導現場支護參數，調整和上、中、下臺階及仰拱步距。若監控量測數據正常，采用SVd 支護；若監控量測數據異常，如圍巖突發異常，變形量在30～60cm 時，采用SVrⅠ襯砌類型支護，變形量在60～100cm 時，則采用SVrⅡ襯砌類型支護。施工過程中應及時對已完成初支段落進行圍巖監控量測，按照監控得到的測量數據，根據預留方案進行變形量和支護參數的調整，避免在施工前期出現侵限現象，導致后期施工困難。總之，前期需要加強對參數的監控和調整，為后期支護施工提供數據支持。

3.1.1 SVd 型開挖支護

在資料分級中，F4 斷層的圍巖等級被確認為V級，針對該等級的土層開挖方式，一般采用三臺階法（見圖1），并主要以機械的方式開挖，不采用人工開挖，若出現大塊孤石等情況，可用破碎錘對孤石進行破除分解，但嚴禁采用爆破開挖方式。三臺階法開挖方式的具體流程如下：一是開挖上臺階環形導坑，即先開挖圖1 中的①部分，這部分施工完成后，需要及時進行支護處理，并施作下循環徑向注漿管，完成徑向注漿；二是開挖圖1 中中臺階②-1 部分側導坑，然后進行初期支護和注漿操作；三是完成圖1 中中臺階②-2 部分側導坑的開挖，跟進圖1 中中臺階2-③核心土的開挖，根據該過程中墻體的變形情況，選擇是否設置臨時仰拱，以保證這一部分的穩定性，并在開挖完成后及時進行支護及注漿操作；三是進行下臺階的施工，即開挖圖1 中③-1、③-2 部分側導坑及③-3 核心土，完成之后，進行初期支護與注漿操作；四是開挖基底，這部分施工結束后會形成一個完整的閉環，再利用材料進行填充，保證支護結構的穩定性。

圖1 三臺階預留核心土分部開挖示意圖

3.1.2 SVr 型開挖支護

SVrⅠ型襯砌結構采用非爆法開挖方式，施工流程與SVd 型開挖支護一致。

SVrⅡ型襯砌結構的施工流程與上述兩種結構的施工流程有些許差異，具體施工步驟如下：第一，進行左側的上臺階開挖、支護及注漿，完成之后進行左側的下臺階開挖、支護及注漿；第二，進行右側的上臺階開挖、支護及注漿，完成之后進行右側下部臺階開挖、支護及注漿；最后完成開挖之后，進行邊墻的開挖與支護，SVrⅡ型襯砌結構完成（此種開挖方法為兩臺階開挖，無中臺階）。

3.2 注漿施工

該工程中采用的是小導管注漿方式，采用的小導管型號為Φ42×4mm，按照2 榀一環的施工要求，保證每環的間距為100cm，25 根500cm 的小導管。注漿時，將注漿端加工成10cm 長的錐形，便于小導管注漿施工，設置8 個注漿孔，間隔為15cm，注漿孔的排列形式為梅花形，注漿孔的孔徑為8mm。為確保注漿效果，防止漿液外漏，注漿管尾部50cm 不設置注漿孔，尾部安裝注漿和止漿閥。環向小導管斜插角45。為保證注漿順利進行，在注漿過程中要嚴格控制注漿壓力，最好保持在0.5～2.5MPa，在1∶1 配置的水泥漿中加入濃度為35 波美度的水玻璃，并按照水泥漿質量的5%加入，其中的模數具體參數控制為2∶4，調配完成后方可進行注漿操作。

自進式管棚鉆桿采用Φ76×9.5mm 管棚，管棚長度擬定15m（3×4m，3m），環向間距40cm，35 根/環，仰角2左右，連接套采用Φ92×150mm 連接套，注漿漿液采用1∶1 水泥漿液。根據自進式管棚直徑和長度，結合鉆進情況，選擇合適的鉆進機，該工程主要采用的鉆進機型號為ZGYX420S，根據施工現場的實際情況，分別選擇奇數孔鉆進注漿或者偶數孔鉆進注漿，最終完成注漿操作。

根據漳縣隧道斷層帶地質情況，該工程最終選擇帷幕注漿方式，在開挖輪廓線6m 以外的區域進行注漿操作，注漿過程分三個環節操作，三個環節的注漿孔個數分別設置為20 個、20 個以及18 個，注漿孔的深度逐步增加，從一環到3 環的孔深分別設置為12m、20m、30m，其中全斷面鉆孔58 個。具體開孔布置方案見圖2。

圖2 帷幕注漿開孔布置圖

3.3 監控量測

布置觀測點時需要遵照平行原則，原則上需要在同個斷面上布置沉降、凈空收斂兩個觀測點，起拱線和邊墻左、右側各布置一道收斂點，每個監控斷面布置5 個觀測點，原則上對稱布置。觀測點的沉降位移小于3mm/d，屬于正常范圍；大于3mm/d 時，需要采取報警機制，增加對初支斷面的監測頻率，并根據每日的沉降數據，適時加強初支支護參數，監測頻率見表1。

表1 按照沉降收斂大小布置監測頻率

4 結語

通過對相關工程的研究，明確了SVd 型開挖支護、SVr 型開挖支護和帷幕注漿技術在隧道穿越斷層帶施工中的重要性，利用科學的管理手段，結合“質量第一”的施工理念，能夠有效避免隧道施工過程中容易出現的問題，可減少質量通病，為建成高質量、高標準的高速公路奠定基礎，也可為同類項目工程提供參考。