砂巖地層隧道穿越斷層破碎帶塌方處治技術

斷層破碎帶是公路隧道建設過程中難以避免的不良地質工況之一，其地質情況的多變、復雜極易導致塌方，給隧道建設帶來困擾。文章依托上思至防城港公路太陽島隧道，針對砂巖地層斷層破碎帶處塌方具體工況，提出反壓回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“長短結合”的超前支護體系、整體提高支護參數等綜合處治方案。通過實際監控量測數據及雷達探測結果驗證，該方案處治效果滿足實際工程需要，可為類似工況隧道的設計施工提供借鑒。

公路隧道；斷層破碎帶；塌方處治；監控量測；物探檢測

U457+.2A331163

作者簡介：陳增穩（1992—），碩士，工程師，主要從事公路隧道設計工作。

0" 引言

公路隧道在修建過程中，不可避免地會穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶地質情況復雜、多變，極易形成塌方。如處治不善，不僅會增加施工風險，還會在隧道建成后易導致二襯開裂、滲水等病害。因此，研究隧道穿越斷層破碎帶塌方處治具有重要的意義。朱勝祥［1］通過現場試驗論證了采用超前小導管雖然可以控制圍巖變形，但止水效果差；楊江峰［2］依托亞曲灘隧道具體工況進行模擬分析，結果表明超前管棚對隧道拱頂沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰；宋洋等［3］通過理論分析及現場監測驗證，對富水軟巖破碎帶隧道預留變形量進行了優化研究。本文以上思至防城港公路太陽島隧道ZK7+132處斷層破碎帶處塌方處治為例，提出了砂巖地層斷層破碎帶隧道塌方合理可行的處治方案。

1" 工程概況

1.1" "基本工況

上思至防城港公路位于廣西防城港市，采用雙向四車道高速公路技術標準，設計速度為100 km/h，路基寬度為26 m。太陽島隧道位于上思至防城港公路K6+252～K8+540段，隧道左右洞平均長度為2 278 m，屬長隧道。隧道洞口段主要穿越第四系殘積層（Q4el）地層，洞身段主要穿越侏羅系下統百姓組中段（J1b1）砂巖及泥質粉砂巖地層。勘察階段判斷在K7+410（ZK7+380）段附近穿越F1斷層，該斷層為非全新活動斷層。施工階段在ZK7+127～ZK7+137段揭露斷層破碎帶，該破碎帶處圍巖為極破碎黃褐色泥質粉砂巖，無水，呈松散碎石土狀（見圖1）。

1.2" 原設計方案

ZK7+127～ZK7+137段前期勘察結果為Ⅳ1級，原設計超前支護為A25超前中空注漿錨桿（L=450 cm，環距為50 cm，縱距為300 cm）；初期支護采用Ⅰ14鋼架（縱距為100 cm）、20 cm厚C25噴射混凝土+A8鋼筋網@20 cm×20 cm、C22藥卷錨桿（L=300 cm，100 cm×100 cm梅花形布置）；二次襯砌為40 cm厚C30防水混凝土，預留變形量為7 cm。

1.3" 超前地質預報

本段超前地質預報采用地質雷達法，探測樁號為ZK7+119，探測結果如圖2所示。儀器設備采用SIR-4000型探地雷達系統，該系統由儀器主機和100 MHz天線兩部分組成。具體檢測方式：在上臺階掌子面拱腰位置

兩條測線，上下錯開約1 m，均為從左向右探測。探測結果顯示距ZK7+119掌子面8～18 m的波形異常，即ZK7+127～ZK7+137段為地質異常段。

砂巖地層隧道穿越斷層破碎帶塌方處治技術/陳增穩，歐陽慕，王瑞慧，謝" 沃

1.4" 塌方情況

結合超前地質預報情況，按照強支護、短進尺的施工原則，在ZK7+127～ZK7+137地質異常段增設超前小導管，并實施逐榀開挖逐榀支護。

隧道掌子面進至ZK7+132時地質情況發生突變，拱頂出現40～50 cm厚的泥質夾層，受施工擾動泥質夾層在短時間內失穩，拱頂大量由極破碎泥質粉砂巖構成的松散體呈傾瀉狀快速垮塌，堆積在掌子面前方，最終形成塌方。已施工的超前小導管被塌方體一并沖彎、脫落。塌方導致拱頂出現長約5 m、高約6 m、寬約4.6 m的塌腔。據現場作業人員描述，現場管理人員組織設備清理塌方體時，拱頂又有新的松散石塊不斷塌落，破碎帶處圍巖幾乎無自穩能力。

2" 處治方案

經過現場工況調查，推斷為斷層導致的破碎帶，判定此處破碎帶圍巖等級屬Ⅴ2級。綜合考慮圍巖質量的急劇變化與現場坍塌的持續，提出處治思路：應先穩定掌子面，止住塌方，再通過超前注漿加固土體，之后按照調整后的支護參數重新開挖支護。同時，塌方形成的空腔應及時填充，完成后應對填充效果進行檢測，確保填充密實。為此，結合現場設備、材料，擬定如下處治方案。

2.1" 反壓回填

先用洞渣對掌子面進行反壓回填，回填分上下兩臺階，上臺階應覆蓋塌腔范圍，并盡量填至拱頂，拱頂處機械不便作業時，可采用少量人工輔助。下臺階與上臺階錯臺3～5 m，下臺階空間以能夠容納現場設備作業為宜。反壓回填既能限制掌子面及塌方體的變形，又能起到阻止塌方持續發展的作用。

2.2" 超前預加固

考慮拱頂塌方體過于松散、無法自穩的特征，超前支護采用強度較大、縱向支護區間較長的洞內超前管棚，其參數為：管徑為89 mm，長度L=10 m，外插角≤12°，縱向間距為3 m，環向間距為40 cm。按照規范［4］要求，在管棚內設置由3根C18主筋和固定環構成的鋼筋籠。管棚注漿采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～2 MPa。

管棚縱向間距中的巖塊較為松散，如果其在管棚注漿過程中未充分固結，容易發生掉塊。為防止以上現象發生，在兩環管棚中間設置一環超前小導管，其參數為：管徑為42 mm，長度L=10 m，外插角≤14°（可微調，不得與管棚沖突），縱向間距為3 m，環向間距為40 cm。小導管注漿采用水泥漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～1 MPa。

超前管棚與超前小導管有機配合，形成高強度、高密度的超前支護體系。這種“長短結合”的超前支護體系既起到了對未開挖圍巖的預支護作用，又起到了對拱頂松散體的預加固作用。

2.3" 支護參數調整

由于地質條件的急劇變化，需調整支護參數以適應V2級圍巖：初期支護調整為Ⅰ20a鋼架（縱距為60 cm）、26 cm厚C25噴射混凝土+8 mm鋼筋網@20 cm×20 cm、25 mm中空注漿錨桿（L=350 cm，75 cm×60 cm梅花形布置），二次襯砌調整為50 cm厚C35防水鋼筋混凝土，預留變形量調整為15 cm。為限制拱腳沉降及左右側初支的收斂變形，初期支護增設仰拱，封閉成環。

考慮適應反壓回填土形態，方便施工，開挖工法采用上下臺階預留核心土法，采用機械開挖，每循環進尺為0.6 m，嚴格落實邊開挖邊支護原則。此外，施工初期支護時在拱頂塌腔位置預留泵送管、吹砂管和排氣管。

2.4" 塌腔處治

初支變形穩定后，通過預埋管道向塌腔分層泵送C25混凝土，厚度≥1 m。填充混凝土強度形成80%后，通過吹砂管吹砂填充剩余空腔。考慮減輕拱頂荷載，選用輕質砂。吹砂完成后，在鋪設防水板之前，需通過物探雷達掃描是否有剩余空腔。如存在空腔，通過預留的吹砂管或排氣管向內部注漿，直至空腔內填充密實；如物探雷達確認無空腔，用水泥砂漿封閉所有預留的管道，剪除多余部分，防止其刺破防水板（見圖3）。

3" 監控量測

針對該段地質反常段，設置拱頂下沉、拱腳下沉、周邊位移、初支狀態觀察4個監測項目。由于該段隧道埋深達到220 m，屬深埋段，不再設置地表下沉測點。處治段落每3 m設置一個監測斷面，按照2次/d的頻率加強觀測。處治過程中，掌子面無失穩，初支在ZK7+135處出現輕微環向裂縫，其他位置無開裂。最大變形出現在ZK7+135處：拱頂下沉最大變形速率為4.5 mm/d，最大累計變形量為112 mm；拱腳下沉（上臺階）最大變形速率為3.5 mm/d，最大累計變形量為86 mm；周邊位移（收斂變形）最大變形速率為4 mm/d，最大累計變形量為108 mm。隧道初支在剛施工后初期變形速率較高，之后急劇降低，直至二次襯砌施工前，累計變形量趨于收斂，初支未侵限。

4" 空腔檢測

為檢測處治效果，待初支變形穩定后，在鋪設防水板之前采用SIR4000型探地雷達系統對處治段進行掃描探測（圖4）。以塌腔中點為中心，沿隧道縱向和隧道橫向各布置一條測線。因為輕質砂和砂巖反射率差別較大，在圖5可以清晰地看到塌腔的范圍。結果顯示塌腔位置已基本被輕質砂全部填充，空腔處治效果較好。另外，通過測線2的波形圖可以看到塌腔頂部以上約10 m

范圍內的圍巖處于非常破碎的狀態，如處治不及時，極有可能發生更大規模的坍塌，說明處治方案的實效性較好。

5" 結語

本文針對太陽島隧道左洞ZK7+127～ZK7+137段斷層破碎帶塌方工況，制定了反壓回填、泵混凝土吹砂填充塌腔、“長短結合”的超前支護體系、整體提高支護參數等綜合的處治方案，并應用于施工。處治后初支變形可控，雷達掃描空腔填充密實。施工完二次襯砌后經過持續觀察，處治段未見集中裂縫，襯砌結構穩定可靠。該方案工藝簡便，就地利用洞渣等材料，處治周期短，施工過程安全可靠，為砂巖地層斷層破碎帶隧道塌方提供了一種有效、穩妥的處治技術，可為類似工況的隧道設計施工提供借鑒。

［1］朱勝祥.超前小導管注漿預加固穿越隧道斷層破碎帶效果分析［J］.青海大學學報，2023，41（6）：41-47.

［2］楊江峰.隧道穿越軟弱破碎帶超前支護加固效果分析［J］.建筑機械，2023（12）：67-72.

［3］宋" 洋，于英杰，楊" 輝，等.富水軟巖隧道破碎帶圍巖穩定性及預留變形量優化研究［J］.中國安全生產科學技術，2023，19（10）：100-105.

［4］JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規范 第一冊 土建工程［S］.

20240314