隧道通过岩层接触带及断层段施工方案探讨

刘宝江

【摘要】本文对隧道通过断层的施工进行分析，分析这类隧道的施工方案。

【关键词】断层；接触带；开挖方法

某输水工程，其地形比较复杂，而且地层多，岩层的性质非常的复杂，而且形成了断裂构造发育的特征。隧道经过了断层破碎带，在施工的过程中，常常会出现塌方的问题，所以，在施工的过程中必须对地质进行准确的分析，分析前方的地质情况，完善支护的方案，在开挖的过程中应该采用合适的方法，才能防止各类风险的发生，降低风险的等级，确保施工中的安全性。

1、工程概况

本次研究分析的某输水工程，其全长为280公里，其中SD21+031.16-SD21+885.16段的隧道穿过断层带，该段沿线地形平缓，而且断层在区域内呈现出逆断层的现象，隧道与断层呈现垂直相交的情况，断层破碎带的宽度为90米，断层的周围受到严重的损坏，而且呈现裂隙的发育，岩体整体上非常的破碎。隧道的整体在灰岩和玄武岩的接触带，其中玄武岩中夹杂着大量的凝灰岩，呈现灰色和灰褐色，呈现出块状的构造。凝灰岩呈现出灰白色，而且一般是凝灰质构造，少数呈现出块状的构造，在一个区域内形成了层理，风化作用非常强，而且岩体呈现严重的破碎。灰岩呈现出灰色，而且厚度较大，展现出节理裂隙发育，而且整个岩体比较破碎，呈现出块石。断层和接触带的设计方案如下图所示，其中39-1代表的是玄武岩结扎凝灰岩，39-3道标断层角粒，40-1代表的是灰岩。沿线的地形比较平缓，地表的洪积物的厚度一般不超过1米，洞顶上岩体的厚度为194米。SD21+031.16-SD21+256.16段为卡拉麦里断裂影响带，SD21+256.16-SD21+406.16和SD21+845.16-SD21+865.16段分别是f14和f90断层破碎带。

隧道不仅仅通过了断层和接触带，而且也通过了溶蚀洼地。漏斗和落水洞等，一般通过大气降水补给。

2、施工方案

2.1 超前地质预报

超前地质预报指的是在不同的岩性和接触带的位置上，通过对岩体的破碎程度和地下水的情况的分析，可以确定破碎带的主要位置，对溶岩的发育程度进行分析，在隧道内部岁溶岩的破碎等级确定。通过对超前地质预报情况的分析，可以通过完善现场设备的方式，防止在隧道开挖中各类风险的产生。

2.2 超前地質预报综合分析结论

运用超前地质预报的方式，通过对预报的结论进行分析，可以看出隧道的主体在玄武岩和灰岩接触的地带内，岩体已经呈现出明显的破碎状态，而且围岩中含有一定的裂隙水，围岩的周围受到断层带的影响，导致玄武岩的节理发育出现破碎的现象。在断层破碎带出现了大量的围岩破碎带额情况，而且围岩的整体结构存在缺陷，没有较为完善的自稳能力，节理裂隙发育明显，在断层带和断层角粒中夹杂着大量的断层泥，而且有少量的水，围岩的整体的稳定性非常差，而且灰岩的溶蚀明显，其中有大量的裂隙发育，岩体呈现破碎的状态。

2.3 开挖方法

通过对超前预警地质的分析，对围岩的情况有充分的了解后，现场作业的施工人员通过对以往经验的分析，找出施工的方法，确定在隧道的主体部位采用三台阶七步法进行施工，在上台阶预留大量的核心土，在中台阶和下台阶上会进行测错开开挖的方式。在施工的过程中，不可以采用二台阶的方式，因为会产生一个较大的空邻面，如果一次性挖掘的尺寸比较大，初期的支护不能充分的发挥作用，导致塌方等风险的产生。在开挖的过程中，也可以充分的采用有限差分程序的方式，对断层处的岩体采用模拟开挖的方式，对隧道稳定性进行分析，为隧道的优化设计提供依据。中隔壁法和上下台阶法的示意图如图2所示。

在采用中隔壁法进行施工中，要先对上部的坑道进行挖掘，然后再对上部进行初期的支护，再对坑道的下部进行开挖。上下台阶法施工过程中，首先是对上台阶进行开挖，然后再对上台阶进行初期的支护工作，完善下台阶的开挖工作，再进行下台阶左侧的支护工作。最后进行灌注工作和二次衬砌工作。

2.4 超前支护

在隧道的主体部分采用超前支护的方式，采用拱部中管棚的方式，间距控制在40厘米，并且管棚每根长度控制在8米，每环有50根。

2.5 初期支护

在隧道的初期支护，一般是采用全环的120b型的钢架进行，并且间距控制在0.5米，混凝土采用喷射的方式，厚度设置为28厘米。在隧道的核心部分在初期支护的过程中，全环设计成122a型，并且采用刚性支架进行支护，间距控制在0.5米，采用混凝土喷射的方式，控制设置成28米。

2.6 计算模型

在对隧道进行开挖的过程中，应该先确定好模型的上下边界，然后分析隧道的纵向距离，确定好断层的长度。由于断层和隧道呈现垂直分布的形式，因此，要对断层的上盘和断层带进行分析，在模型规整后，采用Fish语言建立节点的坐标，通过建立垂直的模型，从而实现断层和隧道的分析。运用interface单元对断层之间的联系进行模拟，通过分析断层带之间的破碎的围岩，分析接触面的粘结力。

2.7 参数确定

在对参数进行计算的过程中，应该运用锚杆的方式，提高隧道的稳定性，初衬一般采用的是shell单元进行分析，二衬采用的是弹性模拟的方式。通过对现场试验的模拟和测试，确定围岩的物理学性质和隧道支护中所需要的参数。隧道支护的参数如表1和表2所示。

2.8 开挖模拟

在隧道的开挖过程中，在开挖到断层之前，应该采用上下台阶法进行首次开挖，在进行开挖之前，应该对围岩进行加固处理，然后每间隔5米就要结合不同的开挖方法，由于断层与隧道是垂直分布，所以，断层对隧道的影响范围比较大，其可以达到17米，因此中隔壁法可以分成不同的步骤，对断层部分分别进行模拟。

3、隧道周边隐伏岩溶探查

当隧道经过灰岩地段的过程中，要对隧道的隐伏岩溶进行勘探工作，隧道的每个断面都要布置探孔，每次布置10个探孔，在拱顶和拱架处设计探孔，分别位于隧道的左右线的中心和隧道的底部。探孔的深度设计成5米，断面环向间距控制在5米，如果岩溶在隧道施工中出现了异常的情况，应该进行加深处理。在探孔的过程中，应该做好相关的记录工作，确保每个孔的里程位置的准确性，对每个孔的填充物质的厚度进行详细的记录，并且分析其成分和软硬程度。

在隧道的底部，如果埋深比较浅，应该在探查后再进行施工，对隧道底部的物质进行分析，如果隧道的底部隐伏较深，应该采用钻探结合其他的方式，对岩溶的空间形态进行分析。

4、结果对比分析

4.1 主应力和剪应变分析

通过对隧道开挖过程中应力的变化进行分析，最大的主应力会随着开挖的进度而逐渐的增大，在断层的下盘的隧道处可以形成一个最大的主应力，在采用中隔壁法过程中，最大主应力为20.16MPA，采用上下台阶法的过程中，最大主应力为62.7MPA。在隧道的右侧会形成更加的主应力。随着开挖深度的增加，最大主应力的变化速度会逐渐的减小，最后其变化速率会逐渐趋近于零。中间主应力和最小主应力不会呈现太大的变化，而且会在固定的范围内波动。中隔壁法的中间主应力和最小主应力的范围分别是4.87MPA和2.08MPA。所以，在隧道开挖过程中，断层带的围岩开挖主要对最大主应力进行控制。

在对剪应力变量进行分析的过程中，在所有的断层破碎的地带，都会出现一个较大的剪应变，在这个情况下，要通过对隧道纵向的应力分析的方式。断层处的隧道最测容易发生塌方的问题，所以，在灌浆的过程中，应该增加压力。

4.2 拱顶下沉及周边收敛分析

拱顶的下沉可以对围岩的位移进行分析，而且可以分析围岩的稳定性，断层的各个部位会出现不同的下沉，在隧道没有穿过断层之前，拱顶下沉采用中隔壁法是最大台阶法的50%。通过对拱顶下沉和周边收敛情况分析，中隔壁法的优势非常的明显。上下台阶法会产生很大的位移，所以，在进行混凝土喷射的过程中，会产生较大的剥离问题，而且支护会出现破裂的情况。而且围岩的流变性质比较明显，在长期的压力作用下，很容易出现坍塌的情况，所以，此时运用上下台阶法的危险性比较大。

结语

隧道在建設的过程中容易遇到断层地带，给施工造成了很大的困难，并且会发生各类安全隐患，所以，在接触带和断层段施工的过程中，应该采用相应的技术，提高施工的效果。

参考文献：

[1]陈明. 隧道通过岩层接触带及断层段施工方案[J]. 江西建材，2014，04：148.

[2]张学文. 金子山隧道穿越F2富水断层带的帷幕注浆综合施工技术探讨[J]. 水利与建筑工程学报，2013，04：63-66.

[3]付开隆，刘蜀江，王勇. 东科岭隧道穿越花岗岩蚀变带的病害特征及整治措施[J]. 路基工程，2015，03：232-237+242.