隧道斷層破碎帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與輔助控制分析

劉海軍、張佳東、閔臣然

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201203）

0 引言

隨著我國(guó)交通基建投資規(guī)模的不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)大深埋隧道數(shù)量逐漸增多，而施工過(guò)程中不可避免地會(huì)穿越斷層破碎帶地層。由于該類地層巖體破碎、松散、裂隙發(fā)育，局部區(qū)域地下水豐富，超前支護(hù)注漿加固效果難以達(dá)到預(yù)期，加上開(kāi)挖完成圍巖應(yīng)力重新分布，隧道拱部及邊墻容易出現(xiàn)掉塊、坍塌、滲水等問(wèn)題。受上述因素影響，初支完成后部分初支容易發(fā)生變形、開(kāi)裂，甚至坍塌等問(wèn)題；襯砌施工完成和運(yùn)營(yíng)期間表面也容易出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)狀裂縫、滲水等病害。隨著隧道施工動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方案的不斷優(yōu)化，以及輔助性技術(shù)措施的完善，上述問(wèn)題在一定程度上有所改善，但仍有很大的改進(jìn)和完善空間。

1 工程概況

毛栗坪隧道位于貴州省石阡縣境內(nèi)，全長(zhǎng)4691m，隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，建筑限界主洞寬10.25m，緊急停車帶凈寬13.25m，凈高5m。

隧道斷層破碎帶占隧道全長(zhǎng)的12%，地層巖性上覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡積（Q4dl）碎石，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)牛蹄塘—明心寺—金頂山組（∈1n+1m+1j）炭質(zhì)頁(yè)巖砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及杷榔組（∈1p）頁(yè)巖、灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖夾變余砂巖、頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbd）灰?guī)r、震旦系上統(tǒng)南坨組（Zan3），冰漬含礫砂巖及元古界上板溪清水江組（Ptbnb1q）變余砂巖。

隧道進(jìn)口段巖層產(chǎn)狀約298°∠29°，洞身段巖層產(chǎn)狀變化較大，出口段巖層產(chǎn)狀約320°∠25°。

隧道區(qū)推測(cè)K36+150 處發(fā)育斷層F13，與路線走向大角度斜交，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及物探解譯，該斷層影響寬度約130～180m，屬逆斷層；ZK38+010 處發(fā)育斷層F14，與路線走向近似垂直，根據(jù)物探解譯，其影響寬度約150～180m；ZK38+740 處發(fā)育斷層F15，與路線走向近似垂直，根據(jù)物探解譯，其影響寬度約200m。斷層周邊巖體極破碎，呈散體狀結(jié)構(gòu)，受構(gòu)造影響，局部發(fā)育小型支斷裂。

隧道通過(guò)區(qū)地表溝谷均為季節(jié)性流水溝，受大氣降水影響較大，局部段落地貌呈馬鞍狀凹型地形，構(gòu)造淺埋段節(jié)理裂隙極發(fā)育，地表水易沿裂隙面滲入，易形成突發(fā)涌水。

2 原設(shè)計(jì)支護(hù)、防排水、襯砌及實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題

2.1 原設(shè)計(jì)支護(hù)、防排水、襯砌結(jié)構(gòu)

第一，超前支護(hù)采用長(zhǎng)4m，外徑φ42mm，壁厚4mm，熱軋無(wú)縫鋼管加工制成，超前小導(dǎo)管施工時(shí)，第一、二排鋼管分別以10～15°，30°外插角打入圍巖，環(huán)向間距為40cm，縱向排距為200cm；注漿漿液采用水灰比1∶1 的水泥漿液（可適當(dāng)摻入水玻璃），注漿壓力0.5～1MPa。

第二，開(kāi)挖采用臨時(shí)仰拱環(huán)形預(yù)留核心土施工方法。

第三，綜合防排水，采用土工布+1.5mm 厚EVA防水板結(jié)合環(huán)向6～10m 布設(shè)φ50mm 的打孔波紋管，通過(guò)三通接入φ100mm 的縱向盲管，然后再通過(guò)φ100 橫向?qū)芙尤胫行呐潘疁吓懦龆赐狻?/p>

第四，襯砌類型采用S-Ta，鋼拱架采用I20b 鋼拱架，間距50cm，28cm 厚噴射混凝土，徑向采用φ42×4mm 注漿小導(dǎo)管，間距50×120mm（縱×環(huán)）梅花形布置，主筋為φ25mm，55cm 厚的C30 鋼筋混凝土，15cm預(yù)留變形量。

2.2 實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題

在隧道穿越斷層破碎帶地層施工過(guò)程中，開(kāi)挖環(huán)節(jié)發(fā)生過(guò)掌子面涌水、坍塌問(wèn)題，支護(hù)出現(xiàn)過(guò)不同程度的變形，襯砌局部出現(xiàn)過(guò)不同程度的裂縫。以K36+150 為典型代表地層，經(jīng)第三方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前鉆孔揭示，該地層圍巖為炭質(zhì)頁(yè)巖，薄層狀，層厚5～30cm，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，地下水呈股狀涌出。原設(shè)計(jì)超前支護(hù)施作完成后，開(kāi)挖拱部局部掉塊、坍塌，超前小導(dǎo)管加固周邊呈大塊狀，其余為散塊狀，遇水軟化呈泥塊狀，經(jīng)過(guò)回填洞渣反壓，進(jìn)行二次超前管棚結(jié)合小導(dǎo)管加固。二次開(kāi)挖期間，局部仍有裂隙水滲出，局部超前支護(hù)之間坍塌掉塊。在48d（d 表示天）內(nèi)初期支護(hù)完成25m 后，連續(xù)10d 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，拱頂最大沉降速率15mm/d，累計(jì)沉降達(dá)120mm，水平收斂速率最大為12mm/d，累計(jì)收斂達(dá)95mm，且未趨于穩(wěn)定，支護(hù)表面出現(xiàn)不同程度的鼓包、開(kāi)裂、脫皮現(xiàn)象，掌子面左側(cè)初支變形嚴(yán)重，鎖腳錨桿帶加固巖體拔出，左側(cè)初支鋼架扭曲嚴(yán)重，出現(xiàn)坍塌。在對(duì)其余未趨于穩(wěn)定的支護(hù)增設(shè)臨時(shí)護(hù)拱及鋼架，并采用φ42×4mm 注漿小導(dǎo)管進(jìn)行徑向二次加固處理后，變形趨于穩(wěn)定。經(jīng)加固后，處理掌子面左側(cè)坍塌體，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，依次拆除變形加固段落護(hù)拱及鋼架，經(jīng)斷面儀測(cè)量發(fā)現(xiàn)，局部斷面出現(xiàn)了初期支護(hù)侵入襯砌現(xiàn)象，部分初支表面局部位置的裂縫還有地下水滲出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對(duì)侵入襯砌的初支進(jìn)行拆換拱處理。地層圍巖及拆換拱情況見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 隧道開(kāi)挖后地層圍巖

圖2 拆換拱

3 支護(hù)、綜合排水系統(tǒng)及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工輔助性措施

針對(duì)毛栗坪隧道斷層破碎帶地層，開(kāi)挖前通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、超前鉆孔方式，驗(yàn)證前方巖體狀況和地下水發(fā)育情況，對(duì)工法、支護(hù)、綜合排水系統(tǒng)及襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采取施工輔助措施進(jìn)行控制。

3.1 支護(hù)、綜合排水系統(tǒng)及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

加強(qiáng)超前支護(hù)，使一次超前支護(hù)延伸；在涌突水嚴(yán)重時(shí)，采用全斷面或局部超前預(yù)注漿方式加固掌子面，以有效防治涌突水；改變開(kāi)挖工法，加大預(yù)留變形量，防止初支變形穩(wěn)定過(guò)程中累計(jì)變形量超出預(yù)留沉降量，侵入襯砌；支護(hù)采用大剛度型鋼加工拱架或采取雙層拱架支護(hù)，增加初支剛度；完善排水系統(tǒng)，對(duì)于滲涌水嚴(yán)重的出水點(diǎn)，采取直接引排的方式；縮短襯砌鋼筋間距，增加襯砌厚度，提高襯砌的整體剛度。

第一，考慮到斷層破碎地層破碎段落長(zhǎng)，巖體裂隙發(fā)育、呈碎塊狀，裂隙水又發(fā)育，局部有股狀水，結(jié)合巖體遇水軟化，超前注漿不均勻，且加固范圍局限，決定采用超前中大管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)方式（見(jiàn)圖3），在涌突水嚴(yán)重時(shí)，采用全斷面帷幕注漿或局部注漿方式[1]。如此，可有效解決掌子面掉塊、垮塌、涌突水等問(wèn)題。

圖3 超前管棚及雙層超前鋼花管縱向布置

第二，改變開(kāi)挖工法。采用臨時(shí)仰拱環(huán)形預(yù)留核心土法、CD 法或CRD 法進(jìn)行施工，這樣能使開(kāi)挖面早支護(hù)，盡快封閉成環(huán)。另外，松散的硬質(zhì)巖及泥土質(zhì)地段，采用機(jī)械開(kāi)挖，并輔以微量弱爆破方式開(kāi)挖；巖石地段采用控制爆破技術(shù)開(kāi)挖。

第三，將預(yù)留變形量加大至25～35cm，增加圍巖的自穩(wěn)空間和巖體遇水膨脹變形空間，為雙層支護(hù)提供足夠的空間。

第四，初期支護(hù)采用I20b 以上規(guī)格型號(hào)工字鋼，或根據(jù)預(yù)留變形量，第一層采用I20b 型鋼+28cm 噴射混凝土，第二層采用I18 型鋼+26cm 噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)，加長(zhǎng)鎖腳錨桿，增設(shè)深孔鎖拱錨桿，確保錨桿錨固在相對(duì)完整或加固的巖體上。

第五，優(yōu)化排水系統(tǒng)。在涌突水地段，加大、加密布置環(huán)縱向排水管，對(duì)集中出水點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)引排；計(jì)算涌水流量，在隧道中心排水溝無(wú)法滿足排水需求的情況下，增設(shè)排水溝進(jìn)行引排。

第六，將襯砌結(jié)構(gòu)主筋調(diào)整為規(guī)格φ28 或φ32的鋼筋，襯砌厚度調(diào)整為60cm，提高襯砌的剛度。

以上數(shù)據(jù)僅為參考，具體數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際圍巖狀況，經(jīng)設(shè)計(jì)、計(jì)算確定。

3.2 施工輔助性措施

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)儀等進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[2]。預(yù)測(cè)掌子面前方斷層破碎帶地層及地下水情況，并結(jié)合已施工斷層破碎帶地層經(jīng)驗(yàn)，判斷掌子面周邊圍巖的情況，為提前確定支護(hù)、防排水系統(tǒng)及襯砌參數(shù)提供參考。

3.2.2 監(jiān)控量測(cè)

在正常段按照規(guī)范要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)（具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1）。在特殊地段，由于巖土材料的物理力學(xué)特性有一定的復(fù)雜性和特殊性，在支護(hù)完成后，圍巖自穩(wěn)過(guò)程中，巖體受力狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的，加之受地下水影響，力學(xué)特性隨之改變，需要及時(shí)布點(diǎn)、監(jiān)測(cè)，并分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合洞內(nèi)已支護(hù)段的觀測(cè)情況，確定和動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)及施工方法。

表1 周邊收斂和拱頂下沉量測(cè)頻率

3.3.3 臨時(shí)結(jié)構(gòu)措施

通過(guò)增設(shè)臨時(shí)中隔壁或臨時(shí)仰拱，使結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)，對(duì)于超挖拱腳及遇水浸泡軟化的拱腳，增設(shè)鋼墊塊或混凝土墊塊，也可通過(guò)增加大拱腳拱架，拱腳基底處理（必要時(shí)增加鋼管基礎(chǔ)），噴射混凝土+鋼拱架等輔助性措施，進(jìn)行控制[3]。以斷層破碎帶增設(shè)I20 工字鋼+4cm 噴混護(hù)拱Midas-GTS-NX 護(hù)拱加固模擬計(jì)算模擬為例，護(hù)拱施作完成，拱頂沉降基本穩(wěn)定，得出護(hù)拱鋼架的最大軸力位于拱頂處，結(jié)構(gòu)軸力最大值790.5kN，彎矩最大值22.28kN，剪力最大值43.4kN，按受壓結(jié)構(gòu)計(jì)算得出，鋼架壓應(yīng)力最大值約為201MPa，小于鋼材強(qiáng)度抗拉/抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa，滿足要求。

4 實(shí)施效果驗(yàn)證

根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并采取施工輔助性措施，目前開(kāi)挖過(guò)程中掌子面坍塌、支護(hù)變形等問(wèn)題基本能得到控制，且大部分段落變形在趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，速率、累計(jì)變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，綜合排水系統(tǒng)更加完善，局部涌水點(diǎn)可直接排水，能夠襯砌后的水壓，襯砌表面裂縫等病害也隨之減少。

5 結(jié)語(yǔ)

上述隧道穿越斷層破碎帶地層施工中，根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告、開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況，在原設(shè)計(jì)支護(hù)、防排水、襯砌有針對(duì)性地進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化，輔以施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)結(jié)論采取臨時(shí)仰拱、增大拱腳等施工輔助性措施，使隧道開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)降低，綜合排水效果及襯砌得到動(dòng)態(tài)優(yōu)化，安全質(zhì)量在一定程度上得到了保障，但在設(shè)計(jì)和施工措施上仍有優(yōu)化和改進(jìn)的空間，在后續(xù)隧道施工以此作為基礎(chǔ)，為同類工程提供優(yōu)化參考。