公路隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)

張偉

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司公路工程總承包分公司，山西 太原 030000）

1 工程概況

某公路隧道為分離式單向行駛雙車道隧道，行車速度設(shè)計(jì)為80km/h，左線起訖段為ZK1+735—ZK3+573，全長1 838m，最大埋深為194m；右線起訖段為YK1+737—YK3+573，全長1 836m，最大埋深為195m。通過監(jiān)控測量可知，隧道初支拱頂發(fā)生下沉和水平方向收斂，導(dǎo)致型鋼支架發(fā)生變形和扭曲，邊墻混凝土多處開裂，并伴有掉塊；經(jīng)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，拱頂下沉量達(dá)128cm，邊墻水平方向收斂達(dá)60cm；局部洞頂?shù)乇戆l(fā)生下沉，導(dǎo)致山體出現(xiàn)裂紋，于YK1+803—YK1+810段發(fā)生若干縱向開裂，其寬度最大處可達(dá)25cm，長度最大達(dá)15m左右?，F(xiàn)以該公路隧道為例，對(duì)其穿越斷層破碎帶的施工技術(shù)展開分析。

2 沉降與變形成因分析

導(dǎo)致該隧道穿越斷層破碎帶圍巖段產(chǎn)生沉降與變形現(xiàn)象的原因包含地質(zhì)、施工與設(shè)計(jì)3個(gè)方面。

2.1 地質(zhì)因素

（1）隧道的進(jìn)口需從斷層破碎帶中穿越，其走向和隧道軸線成75°角，由破碎巖與壓碎巖兩部分組成。在斷層破碎帶的影響下，進(jìn)口出現(xiàn)兩處不利節(jié)理，導(dǎo)致圍巖無法達(dá)到自穩(wěn)。

（2）隧道進(jìn)洞施工正值當(dāng)?shù)赜昶冢邓枯^大，開挖完成后雨水集中匯入隧道。受到地表水浸泡，泥巖與土發(fā)生軟化，物理力學(xué)指標(biāo)大幅下降，導(dǎo)致承載平衡能力顯著減弱。

2.2 施工因素

（1）隧道開挖采用臺(tái)階法。右洞開挖比左洞開挖超前20～50m。在隧道開挖之前，巖體保持相對(duì)靜止，任意一點(diǎn)均受地層擠壓，處于初始應(yīng)力狀態(tài)[1]。對(duì)右洞上臺(tái)階進(jìn)行開挖后，圍巖約束被部分解除，初始應(yīng)力狀態(tài)因受干擾而打破平衡，應(yīng)力在圍巖中重新分布，轉(zhuǎn)入新的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖通過變形處于新的平衡狀態(tài)。因隧道進(jìn)口處在斷層破碎帶且埋深較淺，所以巖體強(qiáng)度很小，不足以承受完成開挖后迅速變大的應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生塑性變形，高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。上臺(tái)階開挖結(jié)束后未能及時(shí)將初支封閉成環(huán)，加之受地表水與層間水等水體的作用，使圍巖二次應(yīng)力不斷變大，導(dǎo)致巖體向隧道內(nèi)發(fā)生的變形加劇。

（2）將左洞開挖到與右洞相對(duì)應(yīng)的位置后，因受左洞開挖施工擾動(dòng)的影響，右洞原本已經(jīng)處于平衡狀態(tài)的二次應(yīng)力分布重新被破壞，再次轉(zhuǎn)入新的應(yīng)力狀態(tài)，自穩(wěn)能力繼續(xù)降低，使初支下沉與水平收斂等不斷加大[2]。

（3）開挖施工采用臺(tái)階法。仰拱和掌子面之間的距離較大，初支沒有盡快封閉成環(huán)，導(dǎo)致兩洞初支變形時(shí)間長，產(chǎn)生較大變形量；另外，在邊墻鋼架施工中對(duì)地下水的處理不當(dāng)，使基底圍巖被長時(shí)間浸泡，導(dǎo)致該部位承載力大幅降低，引起初支變形與沉降。因該段地層在節(jié)理影響下呈塊狀，所以在開挖完成后有底層損失的風(fēng)險(xiǎn)，受重力作用后淺埋段的地表將產(chǎn)生裂紋，其方向與隧道軸線方向保持垂直[3]。

2.3 設(shè)計(jì)因素

（1）隧道進(jìn)口位置處于緩坡帶，且有逆斷層存在，加之左右洞之間的距離很小，故對(duì)隧道施工十分不利。

（2）對(duì)于進(jìn)口段存在的逆斷層，設(shè)計(jì)采取中壁法進(jìn)行開挖。在變換了施工方法后未能對(duì)初期參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使原支護(hù)無法起到應(yīng)有的抑制變形的作用。支護(hù)參數(shù)為：①噴混凝土：全環(huán)噴射C20混凝土，厚26cm；②預(yù)留變形量：全環(huán)20cm；③二次襯砌：C30氣密性鋼筋混凝土，厚65cm；④鋼筋網(wǎng)：全環(huán)?8鋼筋（20cm×20cm）；⑤拱部錨桿：?22組合錨桿，長4m，縱×環(huán)=0.5m×0.8m；⑥邊墻錨桿：?22砂漿錨桿，長3m，縱×環(huán)=0.5m×0.8m；⑦超前支護(hù)：大小外插角雙層?42小導(dǎo)管，長3.5m，縱×環(huán)=2.0m×0.4m；⑧型鋼鋼架：全環(huán)120a型鋼，間距0.5m，拱腳與墻角分別設(shè)置2根鎖腳錨桿，采用?22砂漿錨桿。

3 變形處理

根據(jù)監(jiān)控測量結(jié)果，隧道初支產(chǎn)生了嚴(yán)重的變形，已經(jīng)對(duì)二襯空間造成侵入，不僅影響后續(xù)施工，而且有很大安全隱患。為解決這一問題，制定如下處理方法：

（1）適當(dāng)調(diào)整隧道縱坡。在不影響整體線路的基礎(chǔ)上，將該段路線縱坡從2.6%調(diào)整至3.15%，使洞口設(shè)計(jì)高程相比調(diào)整前降低50cm左右，有效減少拆換施工。

（2）優(yōu)化隧道內(nèi)輪廓。在不影響建筑界限的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行優(yōu)化，使拱部高度下降40cm，以減少已成型初支的拆除。

（3）拆換侵限段初支。采用人工夯填地表裂紋，開挖排水溝引排地表水，避免地表水通過裂紋進(jìn)入圍巖；在需拆換的段落前后分別設(shè)置臨時(shí)鋼架以加強(qiáng)支護(hù)，并在鋼架和初支之間楔緊方木塊，然后對(duì)圍巖實(shí)施灌漿加固；為確保保留下來的初支保持穩(wěn)定，在拆換之前需在保留的鋼架端頭增設(shè)鎖腳錨桿；將侵限段的初支拆除后，擴(kuò)挖到經(jīng)過調(diào)整的輪廓線，然后噴射一層厚度為9cm的鋼纖維混凝土以使開挖面封閉成環(huán)，并安裝新鋼架，用鎖腳錨桿將其固定，最后復(fù)噴一層混凝土，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度；在拆換過程中，按照從上到下的順序?qū)⒃踔ц彸?，然后逐榀更換新鋼架。拆換時(shí)應(yīng)做好監(jiān)控測量，每天至少測量3次，同時(shí)按照5m的間隔設(shè)置測量斷面；在開挖下臺(tái)階的過程中，應(yīng)盡快為仰拱與邊墻施作初支，比如利用豎撐為開挖完成后處于懸空狀態(tài)的拱墻提供支撐，并盡快填充混凝土。

（4）調(diào)整支護(hù)參數(shù)。結(jié)合施工現(xiàn)場的具體情況，為有效抑制拱頂?shù)淖冃魏拖鲁?，需?duì)還沒有開挖的部分改用大拱腳的方法，并在隧道兩側(cè)邊墻額外設(shè)置28a槽鋼，將支護(hù)參數(shù)調(diào)整為：①噴混凝土：全環(huán)噴射C20混凝土，厚26cm；②預(yù)留變形量：全環(huán)30cm；③二次襯砌：C30氣密性鋼筋混凝土，厚65cm；④鋼筋網(wǎng)：全環(huán)?8鋼筋（20cm×20cm）；⑤拱部錨桿：?22組合錨桿，長4.5m，縱×環(huán)=0.6m×0.8m；⑥邊墻錨桿：?22砂漿錨桿，長3m，縱×環(huán)=0.6m×0.8m；⑦超前支護(hù)：大小外插角雙層?42小導(dǎo)管，大插腳長3.5m，小插腳長4.5m，縱×環(huán)=2.4m×0.4m；⑧型鋼鋼架：全環(huán)HW200型鋼，縱向間距0.6m，拱腳與墻腳分別設(shè)置2根鎖腳錨桿，采用?28砂漿錨桿。

4 變形控制與施工注意事項(xiàng)

針對(duì)隧道初支產(chǎn)生沉降與變形問題和地表出現(xiàn)裂紋的具體原因，隧道后續(xù)開挖施工中應(yīng)著重加強(qiáng)施工管理，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，確保圍巖變形始終處于可控范圍之內(nèi)。

4.1 超前支護(hù)

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工，注漿時(shí)需要以注漿壓力和注漿量為依據(jù)對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保拱部圍巖形成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，從而減小初支鋼架承受的壓力。

4.2 選擇適宜的工法

開挖施工宜采用微臺(tái)階法，并優(yōu)先考慮大拱腳，在鋼架基底采用槽鋼進(jìn)行縱向連接，當(dāng)開挖進(jìn)尺達(dá)0.5m且上臺(tái)階開挖完成后，立即進(jìn)行臨時(shí)仰拱施工，及時(shí)將掌子面封閉成環(huán)。將下臺(tái)階和上臺(tái)階之間的距離控制在15m以內(nèi)，否則應(yīng)暫時(shí)停止開挖，僅施工下臺(tái)階，確保仰拱及其初支可盡快封閉成環(huán)。在必要的情況下，可采用噴射混凝土的方法使掌子面封閉。

4.3 開挖方式

在預(yù)裂爆破基礎(chǔ)上，將深孔爆破更換成淺孔爆破，盡量放小炮，用減小爆破對(duì)圍巖造成的擾動(dòng)，在條件允許的情況下優(yōu)先采用機(jī)械進(jìn)行開挖。

4.4 預(yù)留變形量

因地下工程存在不可預(yù)見性，且圍巖自穩(wěn)性差，為防止圍巖出現(xiàn)較大的變形，造成侵限，應(yīng)允許圍巖出現(xiàn)一定程度的變形。為此，將預(yù)留變形量從之前的20cm增大到30cm。

4.5 地下水與施工用水

大量實(shí)踐表明，水會(huì)對(duì)圍巖尤其是軟弱圍巖自身力學(xué)性能造成很大影響，不論地下水或施工用水，不僅會(huì)增加支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的荷載，而且會(huì)減小圍巖承載力，導(dǎo)致初支失穩(wěn)。因隧道從斷層破碎帶中穿過，所以圍巖主要為泥巖或泥質(zhì)砂巖，此類圍巖具有遇水后極易軟化的特點(diǎn)。對(duì)此，施工中需采用導(dǎo)流管進(jìn)行引水，否則會(huì)對(duì)拱腳基底處的圍巖造成長時(shí)間浸泡。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)隧道工程需要從斷層破碎帶中穿越時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中考慮通過增加兩洞之間的距離來防止開挖施工中造成相互影響。針對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的沉降及變形問題，需在明確其產(chǎn)生原因后，盡快采取針對(duì)性措施加以處理，并在后續(xù)施工中制定有效的預(yù)防措施。