古迹坪隧道断层带大变形控制技术

徐锋

（中建铁路投资建设集团有限公司 北京 100000）

1 工程概况

1.1 地质水文情况

古迹坪隧道位于甘肃省渭源县与漳县交界处，进口位于渭源县莲峰镇古迹坪村左侧，线路里程DK142+310～DK151+500，全长9.19km，设计为双线隧道，隧道最大埋深753m，属全线高风险隧道。二分部负责施工隧道进口段DK142+310～DK146+520段共4210m，该段隧道属于祁连褶皱系中的祁连中间隆起带，属于陇西系旋卷构造插入秦岭的旋回褶带部分，该段共跨越三条大型断层及其破碎带，其里程部位及断层性质如表1所示。

表1 隧道断层位置及性质统计表

1.2 隧道设计参数

1.2.1 超前支护

单层φ42mm小导管超前预支护，长度4.0m，环向间距0.4m，纵向间距2.4m，注1：1水泥浆；

1.2.2 初期支护

I20b工字钢钢架，间距0.6m，全断面设置，间距0.6m，采用φ22mm螺纹钢筋链接，锚杆长度4m，间距1.2×1.0m，梅花形布置。

1.2.3 二次衬砌

C35钢筋混凝土，拱墙厚度0.5m，仰拱厚度0.55m，环向主筋φ22@200mm，间隔双筋布置，纵向钢筋φ14@200mm，箍筋φ8mm。

1.3 施工变形情况

断层带施工过程中沉降与水平收敛变形都很大，初期支护最大沉降变形达549mm，最大收敛变形为461mm，一般变形量为200～450mm。断层带沉降变形的总体情况如表2示。

表2 隧道断层带沉降变形统计表

2 隧道断层带沉降变形特点及原因分析

2.1 断层带沉降变形特点

（1）变形量大，分布不均匀

古迹坪隧道DK144+875～DK145+105段断层带施工过程中，最大沉降变形549mm，平均沉降值也达到423mm，水平收敛值最大461mm，平均值也达到377mm。施工过程中由于地质、含水量、施工方法等原因变形量沿隧道纵向分布并不均匀。

在我国，农村人口、占地仍占据大多数，而对于农村而言，在种植无法得到足够资金的情况下，养殖成为其不二选择，但是，这也导致养殖污染现象及其普遍，若以治理工业污染的方式加以整治，明显不可取。对此，提高全面生态意识，使群众真正认识到畜牧业污染的严重性，是治理畜牧业污染，推动其可持续发展的关键。地方政府因重视，积极对群众进行环境保护教育与环境建设教育，提高农民对畜牧业污染治理的意识与能力，以此境地污染，推动畜牧业可持续发展。

（2）持续时间长

在隧道断面开挖支护完成后，一般1～6d沉降变形变化速率较快，一般会达到100～200mm不等的变形值，一般半个月以后变形速率逐步减小，45d大部分地段无法形成稳定状态，仍有3～5mm/d变形速率。其中DK144+927位置拱顶下沉及水平收敛变化情况如图1～2所示。

图1 DK144+927位置拱顶下沉变化示意图

图2 DK144+927位置水平收敛变化示意图

（3）遇水变形剧烈

在断层带施工过程中出现渗漏水的部位，拱顶沉降变形以及水平收敛变形都会明显增大，特别是拱顶沉降一度出现过46mm/d的下沉速度。

（4）优化支护和加固措施后变形控制效果明显

在断层带施工过程中，针对隧道出现大变形的情况，在施工方法和支护体系方面采取了一系列改进措施，在后期f4-2断层带施工过程中，隧道沉降变形以及水平收敛变形都得到了明显的改善，拱顶沉降最大值279mm，平均值231mm，水平收敛最大值263mm，平均值219mm。

2.2 断层带沉降变形的原因分析

断层破碎带断层上盘为三迭系中统灰岩夹砂岩，局部夹页岩，断层带内为压碎岩，压碎岩（Cur）主要分布于断层破碎带内，青灰、灰黑色，压碎结构，岩体被挤压后产状零乱，揉被、褶皱明显，σ[0]=500kPa。

由于隧道埋深大于300m，地应力较大，在掌子面爆破开挖完成后，由于围岩破碎，层理较发育，整体性差，随着暴露时间增长，围岩自稳能力很快下降，周边岩体出现松动，变形量较大。

（2）断层带岩层含水量大

断层带岩层含水量较大，也是加剧变形的一个重要因素，压碎岩、页岩、灰岩以及砂岩等围岩暴露在空气中遇水后强度迅速下降，围岩整体性很快遭到破坏，自稳能力很差，只有在爆破开挖后迅速施工初期支护结构才能避免塌方等事故。

（3）施工方法

施工方法不当也会造成隧道稳定性变差，沉降变形加剧，主要表现在台阶法开挖台阶高度及长度、开挖暴露时间、封闭成环时间、隧道渗流水的处理等几个方面。

（4）支护及加固措施不充分

该段隧道按照Ⅴ级围岩加强支护参数施工，设计预留变形量10～15cm，实际施工中发现该支护措施及预留变形量不能满足隧道变形要求。

3 隧道断层带沉降变形控制措施

3.1 优化三台阶开挖方法

隧道开挖采用三台阶七步开挖法：①每循环必须保证核心土预留到位，确保周边围岩稳定，增强周边围岩自稳能力；②上中下台阶长度控制，缩短初期支护封闭成环时间，上、中、下台阶长度调整后为4m、4m、6m，中、下台阶左右不得对称开挖，错开2榀拱架以上间距；③循环开挖进尺控制，每循环开挖进尺不超过0.6m；④隧道二衬安全步距控制在30～45m。通过以上开挖方法优化，隧道初期变形得到明显改善。

3.2 锁脚锚杆加强

拱脚稳定性及锁脚锚杆的设置也是影响隧道变形的重要因素，每榀拱架立架时在拱脚处整平夯实地面，垫临时支撑木板，保证拱脚稳定。原设计长度4m的砂浆锚杆改为长度为6m的R32N自进式锚杆，并及时注浆。钢架拱脚部位往往是隧道支护结构的薄弱环节，通过加强锁脚锚杆锚固深度，增强拱脚稳定性。

3.3 钢架横向连接加强

原设计钢架纵向连接采用φ22mm螺纹钢筋，环向间距1m。为增强强钢架整体性和抵御隧道纵向位移能力，提高初期支护稳定性，在上中下台阶拱脚位置增设2根通长纵向连接钢筋。

3.4 径向注浆加固

针对隧道断层带围岩自稳能力较差以及遇水松散的特性，隧道开挖后对隧道全断面进行径向注浆，降低围岩渗透系数，到达加固围岩并堵水的效果，防止围岩过大变形。径向注浆钻孔孔径φ52mm，钻孔深度3m，环向间距1.8m，纵向间距2.6m，孔口管采用φ50×3.5mm热轧无缝钢管，单根长度1m，注1：1水泥浆。

3.5 加强监控量测

增加监控量测断面（如图3所示）和监测频率，量测断面纵向间距5m，监测频率加强，变形速度超过10mm/d时，每天量测4h/次。通过量测及时掌握施工各阶段围岩和支护结构的变形情况，并及时反馈到设计施工中，及时调整预留量、支护参数等。

图3 围岩监控量测点布置示意图

3.6 调整预留变形量

根据监控量测数据分析隧道变形规律，并据此动态调整下一步施工预留变形量，DK144+095～+155段最大预留变形量40cm，DK144+875～DK145+105段预留变形逐步调整为最大60cm，DK145+595～+880段逐步调整为30cm。

4 隧道断层带沉降变形控制效果分析

在采取了一系列沉降变形控制措施后，隧道沉降变形、钢架扭曲开裂等现象得到了明显改善，特别是全断面径向注浆后，初期支护后期稳定性明显增强，沉降变形逐步趋于稳定，在DK145+595～+880段f4-2断层施工过程中，拱顶沉降和水平收敛变形的最大值、变形速率及稳定时间都得到了很好的控制，该段拱顶沉降变形及水平收敛变形累计值数据特点如图4所示，其中一个典型断面变形规律如图5所示。

图4 f4-2断层累计变形值曲线

图5 DK145+765断面变形规律曲线

5 结语

古迹坪隧道属高风险隧道，断层带围岩破碎、富水，地应力较大，施工过程中隧道出现大变形，初支扭曲变形。过程中通过优化开挖方式加快初期支护封闭成环，通过加强锁脚锚杆和钢架横向连接等措施增强支护体系的稳定性，通过径向注浆加固周边围岩，增强围岩自稳能力，同时合理预留变形量，保证二次衬砌净空，避免出现拆换拱现象。通过上述措施隧道拱顶沉降变形以及水平收敛变形逐步得到控制，在后期f4-2断层带施工过程中取得了良好的实际效果。