隧道穿越泥石流堆积体及活动断裂施工关键技术

张建慈 万炳宏

(1.中铁二十五局集团有限公司 广东广州 510600；2.中铁二十五局集团第一工程有限公司 广东广州 510405)

1 工程及水文地质概况

1.1 工程概况

新建铁路成都至兰州(黄胜关)成川段红桥关隧道位于四川省阿坝州松潘县川主寺境内，地面高程2 950～3 510 m，隧道起讫里程D2K253＋710～D1K256＋918.44，进口明挖段225 m，出口接长明洞28.44 m，其余暗挖段2 944.33 m，洞身短链长10.67 m，全长3 197.77 m，为单洞双线铁路隧道。

D2K254＋550～D2K255＋000段埋深较浅，为40～53 m。该段隧道洞身浅埋穿越全新世岷江活动断裂带核部，断裂带与线路交角约22°，且该段有两条“双沟同源”的泥石流沟交汇于此，如图1所示，洞身浅埋穿越泥石流堆积扇体后缘底部。

图1 线路与泥石流堆积体及活动断裂平面位置关系

1.2 水文地质概况

该段上覆堆积层沿线路走向呈“锯齿状”分布，下伏岷江活动断裂断层角砾。地质界线及分布情况如图2所示。

图2 地质界线及分布情况

图3 洞身碎石土层

图4 齿谷处滞水水囊

下伏岷江断裂断层角砾，岩性主要为三叠系上统新都桥组(T3x)灰黑色、薄片状炭质板岩夹板岩。隧址区历史上曾发生过地震级数较大的有1748年级和1960年级地震，因受多期地震错动和挤压作用的影响，开挖揭示洞身围岩揉皱极为发育，岩体呈现质软、低强、破碎、松散等特性，水软化和风化效应较为明显。

2 施工遇到的工程问题及原因分析

2.1 施工遇到的工程问题

隧道最大开挖断面面积161.36 m2，最大开挖高度14 m左右，最大开挖宽度15 m左右，主要为Ⅴ、Ⅵ级围岩。

(1)洞身开挖揭穿了泥石流堆积体底部形成临空面，导致洞身拱部及其上方上覆的胶结差、自稳性差、透水性好的碎石类土体发生失稳、崩解，向洞内变形和滑移，并伴有股状地下水渗流，形成洞内“水石流”。同时，已完成初期支护段洞周岩土体受其影响也发生失稳破坏，初期支护出现环向扩展性开裂破坏。

(2)洞周碎石类土体的失稳、崩解破坏迅速影响至地表，洞顶地表出现了“蜘蛛网状”分布的裂缝，监测最大的裂缝宽度可达13.7 mm。同时，位于线路附近的房屋出现了轻微倾斜下沉的现象，房屋墙体也出现了不同程度的开裂破坏。

(3)部分段落线路左侧(靠山侧)，初期支护体系在起拱线附近的变形速率及累计变形量均较大，尤其是在洞身段上覆堆积层与下伏岷江断层角砾结合部范围的变形最为明显。

2.2 原因分析

(1)复杂地质条件和开挖不利效应

因该段埋深浅且多期地震作用，岩体强度极低、自稳性极差，隧道开挖破坏了岩体天然应力状态，围岩应力状态发生应力重分布和开挖扰动等叠加效应，导致洞周围岩的应力集中，进一步加剧洞周围岩的塑性变形破坏；随着塑性区进一步向外扩展，迅速发展至地表，形成贯通的大范围的变形破裂面，则作用在支护体系的围岩应力发生了剧变[1-3]。

(2)地下水的不利作用

因隧道开挖揭穿地下水的渗流通道，地下水持续渗流连通了地下水渗流微通道，则洞室周边岩土体原有的天然稳定结构被破坏，削弱了各岩土层颗粒间及其层间接触面的抗剪切强度。同时，随着固体物质的流失，洞周岩土体发生失水固结，加剧各岩土层的层间相互错动；地下水软化围岩，降低围岩的极限强度、恶化岩土体的自稳性，进一步加剧洞周岩土体的失稳崩解，沿结构面向洞内变形和滑移[4-5]。

(3)地形、地层偏压的不利作用

该段地表地形左高右低，洞身开挖揭示洞身范围的碎石类堆积层厚度为1.0～3.0 m，其分布形态为纵向呈“锯齿状”不规则分布，横向为倾向线路左侧(靠山侧)的倾斜状分布，且上覆堆积层与下伏岷江断层角砾间结合部主要为厚层强风化带，洞身开挖后沿软弱结合部向洞内变形和滑移。

3 关键技术

根据红桥关隧道浅埋穿越的复杂地质条件、开挖断面大小、工程问题特性等情况，针对性地采取了“先固后钉法”施工关键技术，即在洞身开挖前先采用地表竖向钢管群桩或拱墙纵向钢管超前周边群桩对洞周一定范围内的松散、破碎岩体进行预注浆加固，在初期支护施作后再采用钢花管及局部长锚杆土钉进行补强支护。

洞身浅埋穿越“双沟同源”的泥石流冲沟沟心段采用地表竖向φ89钢管群桩注浆加固技术＋全环径向φ42钢花管土钉施工技术，如图5所示。

两泥石流沟心间和埋深较深段，拱部及边墙采用纵向φ89超前周边钢管群桩预注浆加固技术＋全环径向φ42钢花管土钉施工技术＋靠山侧起拱线60°范围内φ28长锚杆施工技术，如图6所示。

图5 竖向钢管群桩+钢花管土钉

图6 纵向周边钢管群桩+钢花管土钉+长锚杆

3.1 “先固”施工技术

(1)地表竖向施作φ89钢管群桩，采用φ89 mm热轧无缝钢管，壁厚6 mm，间距1.0 m×1.0 m，梅花形布置。钢管群桩布置范围:横向为隧道中线左侧15 m、右侧12 m；竖向为洞身范围内拱顶开挖轮廓线外0.5 m，两侧边墙外加固深度至W2地层或隧底以下2.0 m。注浆控制范围为洞周开挖轮廓线0.5 m外区域，且拱顶上方10 m范围内，其余部分的钢管桩桩身不开注浆孔作为止浆段。

(2)拱部及边墙纵向施作φ89超前周边钢管群桩，采用φ89 mm热轧无缝钢管，壁厚6 mm，纵向3.6 m一环，环向间距60 cm，单根长10 m，外插角26°。注浆加固范围为洞周5 m范围，钢花管尾部2 m管身不开注浆孔作为止浆段。前后循环钢花管开孔位置交错布置。

注浆材料采用1∶1水泥净浆，工艺采用孔底返浆法，注浆压力1.5～3.0 MPa。

在洞身开挖前，通过“先固”施工技术对洞周一定范围内的破碎、松散岩体进行“定点定量”注浆预加固，一是充填洞周松散岩体的孔隙和各地层间接触面的空隙，改善围岩条件；二是封堵地下水渗流通道，避免地下水持续、无度向洞内渗流；三是与洞周岩土体共同形成具有一定承载能力的半封闭组合支护结构。

3.2 “后钉”施工技术

(1)全环径向施作φ42钢花管土钉，采用φ42无缝钢管，壁厚3.5 mm，间距1.0 m×1.2 m(环×纵)，单根长4.5 m。

(2)靠山侧起拱线60°范围内局部补强长锚杆，采用φ28中空锚杆，间距1.0 m×1.2 m(环×纵)，单根长10 m，与全环径向 φ42注浆钢花管交错布置。

全环径向φ42钢花管土钉和局部补强长锚杆在成孔困难地段可采用自进式锚杆。注浆材料采用1∶1水泥净浆，工艺采用孔底返浆法，注浆压力1.5 ～2.0 MPa。

在初期支护后，及时施作径向φ42钢花管注浆，一是对洞周已注浆的水泥结石体进行劈裂补强注浆；二是充填初期支护和洞周围岩间的空隙；三是协调初期支护和洞周围岩共同受力；四是针对线路左侧支护体系变形较大，施作长锚杆将初期支护体系锚入和悬吊于深部未受开挖扰动的稳定岩土体中[6-7]。

4 关键技术施工控制要点

(1)超前地质预报

在洞身开挖前，结合地质勘察报告提供的地质资料进行长距离超前探孔，数量为3～5孔，其中1孔取芯。对地质软弱破碎成孔困难地段采用地质雷达法，可较好成孔地段采用TSP法，对地下水较丰富地段辅以红外探水探测前方水体情况。同时，每开挖循环进行地质素描，综合判释开挖面前方地质情况，为后续施工调整支护参数提供科学合理的依据[8]。

(2)监控量测

严格按照隧道施工管理程序开展监控量测工作，及时进行数据的分析和反馈。同时，对非接触式监测的数据和断面扫描仪采集的数据进行综合分析。对变形较大及突变地段独立采集测点的三维绝对变形数据，分析其绝对变形速率和变形量，为后续施工调整和补强支护参数提供科学合理的依据。

(3)群桩钻孔

①钢管群桩管身穿越泥石流堆积层、厚层强风化带及断层角砾，钻孔成孔极为困难，采用跟管钻进工艺进行干钻，孔口做好扑尘措施。

②钻孔前，对每个孔位进行独立编号，以便后续钻孔和注浆过程中的异常情况按统一的编号进行单独记录和管理。

(4)注浆

①注浆顺序结合钻孔揭示的地质情况和地下水排泄方向，按“应先外侧后内侧、先下游后上游”的原则，对注浆的区域先进行“围、堵、截”注浆，后进行“填、压、挤”注浆，以形成在有边界约束条件下的控域注浆[9-10]。

②注浆方式按“隔孔、间歇、多次轮流注浆”等原则，适当提高后序孔注浆的压力，劈裂补充前序孔的注浆盲区，提高注浆区域的整体效果。

③注浆控制采用量(注浆量和流量)和压(注浆压力)双控指标相结合作为单孔注浆结束控制标准和对注浆区域整体注浆质量效果的评价标准[11-12]。

(5)长锚杆施工

采用“后钉法”即初期支护完成后，根据监控量测数据分析确定长锚杆施作时机和必要性，若变形速率持续2～3 d均大于5 mm/d和累计变形量超过预留变形量80%仍持续变形不收敛时，过早施作长锚杆，不能充分发挥洞周浅部岩土体自身的承载能力或不必施作而施作造成浪费；过晚施作长锚杆，洞周岩体过度松弛变形，起不到应有的控制变形效果造成浪费甚至导致长锚杆协调浅部和深部岩土体协同变形能力的失效。

5 结束语

红桥关隧道浅埋穿越泥石流堆积体及岷江活动断裂带，采用“先固后钉法”施工技术很好地控制了洞周松散、破碎岩土体沿软弱结合部向洞内变形和滑移，有效控制了地表开裂和支护体系变形破坏，确保隧道施工安全。通过工程实践，总结结论如下:

(1)在洞身开挖前，地表竖向注浆和洞内纵向超前周边注浆施工技术，对洞周一定范围内的松散、不稳定岩体进行“定点定量”注浆，充填泥石流堆积体中各地层孔隙和封堵地下水径流通道，在洞周形成了一个半封闭式水泥结石体结构，在一定程度上隔阻了地下水向洞内的无度渗流。同时，有效提高了各地层内摩擦角，增强了地层的整体性及强度，很好地控制了洞周松散、破碎岩土体在洞身开挖后沿软弱结合部向洞内变形和滑移。

(2)初期支护施作后，采用全环钢花管土钉施工技术，对洞周岩体劈裂补强注浆，进一步提高洞周围岩强度；注浆充填初期支护与洞周围岩间的空隙，提高初期支护与洞周围岩的接触面及接触面应力，使围岩应力能有效通过接触面顺畅地传递给初期支护，形成整体受力支护体系。靠山侧起拱线60°范围内采用长锚杆补强施工技术，将该范围内的支护体系锚入和悬吊于深部未受开挖扰动的稳定岩土体中，协调和控制地层偏压导致的变形。