隧道断层破碎带结构设计动态优化与辅助控制分析

刘海军、张佳东、闵臣然

（中交路桥华东工程有限公司，上海 201203）

随着我国交通基建投资规模的不断扩大，长大深埋隧道数量逐渐增多，而施工过程中不可避免地会穿越断层破碎带地层。由于该类地层岩体破碎、松散、裂隙发育，局部区域地下水丰富，超前支护注浆加固效果难以达到预期，加上开挖完成围岩应力重新分布，隧道拱部及边墙容易出现掉块、坍塌、渗水等问题。受上述因素影响，初支完成后部分初支容易发生变形、开裂，甚至坍塌等问题；
衬砌施工完成和运营期间表面也容易出现不同程度的网状裂缝、渗水等病害。随着隧道施工动态设计方案的不断优化，以及辅助性技术措施的完善，上述问题在一定程度上有所改善，但仍有很大的改进和完善空间。

毛栗坪隧道位于贵州省石阡县境内，全长4691m，隧道设计标准为双向四车道，建筑限界主洞宽10.25m，紧急停车带净宽13.25m，净高5m。

隧道断层破碎带占隧道全长的12%，地层岩性上覆盖层为第四系全新统坡积（Q4dl）碎石，下伏基岩为寒武系下统牛蹄塘—明心寺—金顶山组（∈1n+1m+1j）炭质页岩砂质页岩、炭质页岩及杷榔组（∈1p）页岩、灰岩夹炭质页岩夹变余砂岩、页岩夹炭质页岩，震旦系上统灯影组（Zbd）灰岩、震旦系上统南坨组（Zan3），冰渍含砾砂岩及元古界上板溪清水江组（Ptbnb1q）变余砂岩。

隧道进口段岩层产状约298°∠29°，洞身段岩层产状变化较大，出口段岩层产状约320°∠25°。

隧道区推测K36+150 处发育断层F13，与路线走向大角度斜交，根据地质调绘及物探解译，该断层影响宽度约130～180m，属逆断层；
ZK38+010 处发育断层F14，与路线走向近似垂直，根据物探解译，其影响宽度约150～180m；
ZK38+740 处发育断层F15，与路线走向近似垂直，根据物探解译，其影响宽度约200m。断层周边岩体极破碎，呈散体状结构，受构造影响，局部发育小型支断裂。

隧道通过区地表沟谷均为季节性流水沟，受大气降水影响较大，局部段落地貌呈马鞍状凹型地形，构造浅埋段节理裂隙极发育，地表水易沿裂隙面渗入，易形成突发涌水。

2.1 原设计支护、防排水、衬砌结构

第一，超前支护采用长4m，外径φ42mm，壁厚4mm，热轧无缝钢管加工制成，超前小导管施工时，第一、二排钢管分别以10～15°，30°外插角打入围岩，环向间距为40cm，纵向排距为200cm；
注浆浆液采用水灰比1∶1 的水泥浆液（可适当掺入水玻璃），注浆压力0.5～1MPa。

第二，开挖采用临时仰拱环形预留核心土施工方法。

第三，综合防排水，采用土工布+1.5mm 厚EVA防水板结合环向6～10m 布设φ50mm 的打孔波纹管，通过三通接入φ100mm 的纵向盲管，然后再通过φ100 横向导水管接入中心排水沟排出洞外。

第四，衬砌类型采用S-Ta，钢拱架采用I20b 钢拱架，间距50cm，28cm 厚喷射混凝土，径向采用φ42×4mm 注浆小导管，间距50×120mm（纵×环）梅花形布置，主筋为φ25mm，55cm 厚的C30 钢筋混凝土，15cm预留变形量。

2.2 实施过程中存在的问题

在隧道穿越断层破碎带地层施工过程中，开挖环节发生过掌子面涌水、坍塌问题，支护出现过不同程度的变形，衬砌局部出现过不同程度的裂缝。以K36+150 为典型代表地层，经第三方超前地质预报及超前钻孔揭示，该地层围岩为炭质页岩，薄层状，层厚5～30cm，节理裂隙发育，围岩破碎，自稳能力差，地下水呈股状涌出。原设计超前支护施作完成后，开挖拱部局部掉块、坍塌，超前小导管加固周边呈大块状，其余为散块状，遇水软化呈泥块状，经过回填洞渣反压，进行二次超前管棚结合小导管加固。二次开挖期间，局部仍有裂隙水渗出，局部超前支护之间坍塌掉块。在48d（d 表示天）内初期支护完成25m 后，连续10d 监控量测数据显示，拱顶最大沉降速率15mm/d，累计沉降达120mm，水平收敛速率最大为12mm/d，累计收敛达95mm，且未趋于稳定，支护表面出现不同程度的鼓包、开裂、脱皮现象，掌子面左侧初支变形严重，锁脚锚杆带加固岩体拔出，左侧初支钢架扭曲严重，出现坍塌。在对其余未趋于稳定的支护增设临时护拱及钢架，并采用φ42×4mm 注浆小导管进行径向二次加固处理后，变形趋于稳定。经加固后，处理掌子面左侧坍塌体，在监测数据稳定后，依次拆除变形加固段落护拱及钢架，经断面仪测量发现，局部断面出现了初期支护侵入衬砌现象，部分初支表面局部位置的裂缝还有地下水渗出，监测数据稳定后，对侵入衬砌的初支进行拆换拱处理。地层围岩及拆换拱情况见图1、图2。

图1 隧道开挖后地层围岩

图2 拆换拱

针对毛栗坪隧道断层破碎带地层，开挖前通过超前地质预报预测、超前钻孔方式，验证前方岩体状况和地下水发育情况，对工法、支护、综合排水系统及衬砌结构进行动态优化设计，并采取施工辅助措施进行控制。

3.1 支护、综合排水系统及衬砌结构设计优化

加强超前支护，使一次超前支护延伸；
在涌突水严重时，采用全断面或局部超前预注浆方式加固掌子面，以有效防治涌突水；
改变开挖工法，加大预留变形量，防止初支变形稳定过程中累计变形量超出预留沉降量，侵入衬砌；
支护采用大刚度型钢加工拱架或采取双层拱架支护，增加初支刚度；
完善排水系统，对于渗涌水严重的出水点，采取直接引排的方式；
缩短衬砌钢筋间距，增加衬砌厚度，提高衬砌的整体刚度。

第一，考虑到断层破碎地层破碎段落长，岩体裂隙发育、呈碎块状，裂隙水又发育，局部有股状水，结合岩体遇水软化，超前注浆不均匀，且加固范围局限，决定采用超前中大管棚+小导管超前支护方式（见图3），在涌突水严重时，采用全断面帷幕注浆或局部注浆方式[1]。如此，可有效解决掌子面掉块、垮塌、涌突水等问题。

图3 超前管棚及双层超前钢花管纵向布置

第二，改变开挖工法。采用临时仰拱环形预留核心土法、CD 法或CRD 法进行施工，这样能使开挖面早支护，尽快封闭成环。另外，松散的硬质岩及泥土质地段，采用机械开挖，并辅以微量弱爆破方式开挖；
岩石地段采用控制爆破技术开挖。

第三，将预留变形量加大至25～35cm，增加围岩的自稳空间和岩体遇水膨胀变形空间，为双层支护提供足够的空间。

第四，初期支护采用I20b 以上规格型号工字钢，或根据预留变形量，第一层采用I20b 型钢+28cm 喷射混凝土，第二层采用I18 型钢+26cm 喷射混凝土进行支护，加长锁脚锚杆，增设深孔锁拱锚杆，确保锚杆锚固在相对完整或加固的岩体上。

第五，优化排水系统。在涌突水地段，加大、加密布置环纵向排水管，对集中出水点进行单独引排；
计算涌水流量，在隧道中心排水沟无法满足排水需求的情况下，增设排水沟进行引排。

第六，将衬砌结构主筋调整为规格φ28 或φ32的钢筋，衬砌厚度调整为60cm，提高衬砌的刚度。

以上数据仅为参考，具体数据根据实际围岩状况，经设计、计算确定。

3.2 施工辅助性措施

3.2.1 超前地质预报

通过TSP 超前地质预报系统、地质雷达、红外探测仪等进行隧道地质超前预报[2]。预测掌子面前方断层破碎带地层及地下水情况，并结合已施工断层破碎带地层经验，判断掌子面周边围岩的情况，为提前确定支护、防排水系统及衬砌参数提供参考。

3.2.2 监控量测

在正常段按照规范要求进行监测（具体数据见表1）。在特殊地段，由于岩土材料的物理力学特性有一定的复杂性和特殊性，在支护完成后，围岩自稳过程中，岩体受力状态是动态的，加之受地下水影响，力学特性随之改变，需要及时布点、监测，并分析监测数据，同时结合洞内已支护段的观测情况，确定和动态调整设计支护参数及施工方法。

表1 周边收敛和拱顶下沉量测频率

3.3.3 临时结构措施

通过增设临时中隔壁或临时仰拱，使结构尽早封闭成环，对于超挖拱脚及遇水浸泡软化的拱脚，增设钢垫块或混凝土垫块，也可通过增加大拱脚拱架，拱脚基底处理（必要时增加钢管基础），喷射混凝土+钢拱架等辅助性措施，进行控制[3]。以断层破碎带增设I20 工字钢+4cm 喷混护拱Midas-GTS-NX 护拱加固模拟计算模拟为例，护拱施作完成，拱顶沉降基本稳定，得出护拱钢架的最大轴力位于拱顶处，结构轴力最大值790.5kN，弯矩最大值22.28kN，剪力最大值43.4kN，按受压结构计算得出，钢架压应力最大值约为201MPa，小于钢材强度抗拉/抗压强度设计值215MPa，满足要求。

根据地质情况进行动态设计优化，并采取施工辅助性措施，目前开挖过程中掌子面坍塌、支护变形等问题基本能得到控制，且大部分段落变形在趋于稳定的过程中，速率、累计变形均在规范允许范围内，综合排水系统更加完善，局部涌水点可直接排水，能够衬砌后的水压，衬砌表面裂缝等病害也随之减少。

上述隧道穿越断层破碎带地层施工中，根据地质勘测报告、开挖揭露的地质情况，在原设计支护、防排水、衬砌有针对性地进行动态设计优化，辅以施工中超前地质预报、监控量测结论采取临时仰拱、增大拱脚等施工辅助性措施，使隧道开挖风险降低，综合排水效果及衬砌得到动态优化，安全质量在一定程度上得到了保障，但在设计和施工措施上仍有优化和改进的空间，在后续隧道施工以此作为基础，为同类工程提供优化参考。

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