公路隧道穿越地质活断层掘进施工技术

李胜义

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 工程概况

漳县隧道位于甘肃省漳县，为左右分离式双洞隧道，左线起讫里程ZK26＋240～ZK28＋927.5，全长2 687.5 m；右线起讫里程YK26＋210～YK28＋936，全长2 726 m。隧址为祁连褶皱系与西秦岭褶皱系交界的西秦岭北缘，在构造上属鄂尔多斯台地。隧道最大埋深245 m，最小埋深194.5 m，在K26＋900～K27＋060段以66°大角度与西秦岭北缘断裂带F4断层相交，施工难度极大，安全风险极高，也是全线的重难点控制性工程。

2 断层地质构造与特性

2.1 断层地质情况

西秦岭北缘断裂是我国境内六条板块拼接带之一，属主体北倾的古板块缝合带，是我国西部具有区域地质地貌划分意义的断块边界断裂带，地震活动强烈，是主要地震带之一，属区域性活动性断裂。该断裂带主要由6条自然次级断裂以左阶羽列而成，其早期为一条压性断裂，第四纪晚更新世及全新世以来，成为以区域性左旋走滑为主兼具正断分量的发展断裂带[1]。

其F4(漳县-康勿里)断层走向280°～290°，倾向195°，倾角65°，为正断层，上盘岩性以上第三系(N)强～中风化砂质泥岩为主，下盘岩性以上泥盆～下石炭系(D3-C1)强～中风化砂质泥岩为主，断层沿线断崖、陡坎发育，左旋错断、地震遗迹较多。断层活动性较强，新活动明显，总体为左旋走滑，水平滑动速率为3.1 mm/a(Q4)，垂直滑动速率0.4 mm/a(Q4)，2013年岷县漳县6.6级地震发生前，设在跨F4断层处四店观测场测得震前形变达往期平均值的6～7倍。西秦岭北缘断裂带其他几个断层历史上大地震比比皆是，但以F4断层活动诱发大地震的历史记录缺乏，因此该段层为易发强震的危险区[2]。

隧址处F4断层地表位于山体冲沟段，横跨线路方向，沟深5～10 m，整体呈V字形，坡口宽10～16 m。对断层地质构造、发育情况、围岩特性、稳定情况、地下水情况等进行调查勘探，断层破碎带宽度约为110 m，下盘探孔揭示在距地表223 m位置为强风化灰岩伴有部分泥质砂岩，岩体节理裂隙发育，有一定强度，整体呈碎状结构，完整性较差；上盘探孔揭示在距地表238 m位置为风化泥岩，整体呈角砾碎石状结构，极为破碎、松散，失水后极易崩解呈碎屑状，完整性较差，强度极低，基本无自稳能力。通过对断层破碎带附近(K26＋800～K27＋105)进行定量计算结合地形地貌定性分析，地应力极高，主要由区域断裂引起。断层上盘、下盘及断层破碎带探孔均揭露地下水位较高，埋深为69 m、25 m、30.6 m，主要以基岩裂隙水状态存在，通过大气降水入渗法和地下径流模数法计算隧道最大涌水量为3 600 m3/d。

2.2 断层工程特性

活断层变形来自断层粘滑或蠕滑，危害性比较大且进行工程处理困难。该断层表现为正断层兼具左旋走滑性质，正断层活动变形主要集中于上盘，表现为地面变形强烈，岩性破碎，最大主应力近乎垂直，最小主应力近乎水平。走滑断层活动变形主要来自断层面两侧相对水平运动，最大或最小主应力均近乎水平，最大剪应力面是其近于直立的断层面。左旋活动变形表现为断层上下盘做相对逆时针旋转。由于该断层具有复合性，主应力方向由不同水平和垂直分量合成，位移矢量也多由不同倾滑、走滑分量合成，实际应力场更加复杂，围岩应力高。经测量最大水平主应力7.64～8.97 MPa，方位为N64°E，最小水平主应力 6.43 ～6.74 MPa，岩体原位抗拉强度0.96 MPa，单轴饱和抗压强度Rc为4.0 MPa，天然最大主应力σ为2.23～2.60 MPa，Rc与σ比值小于4，属极高应力。

因断层构造作用，围岩强度和稳定性降低，压缩性增大，岩体完整性较差，自稳能力较弱，隧道侧壁及拱顶易产生坍塌。有关研究表明在隧道穿越断层掘进过程中，主应力随开挖长度呈线形变化，边墙处主应力最大，主要范围在断层破碎带内[3]。拱顶下沉位移也较大，主要体现在断层前10 m至断层后30 m掘进过程中。由于该断层面滑移性状极不稳定，在施工中易发生较大沉降，掘进时易发生坍塌或冒顶，加之断层破碎带岩性软弱，在高地应力作用下洞壁岩体会产生位移，且持续时间长，成洞较差，极易产生塌方并伴有洞底隆起，因此穿越该断层时边墙和拱顶处发生坍塌的可能性最大，需要重点防范。断层破碎带是地下水的良好通道，断层节理裂隙发育，易富集形成储水带，加之砂质泥岩、泥岩等软岩遇水易软化，开挖时会以涌流状出现，局部可能出现突水、涌水、涌泥等灾害[4]。

3 施工方案制定

3.1 方案制定原则

(1)鉴于隧道断层位置为反坡掘进地段，故安排在旱季施工，降低反坡排水量，减少渗流水补给。断层开挖前先完成临近段二次模筑砼衬砌，增强洞身稳定，提高风险应对能力。

(2)采用帷幕注浆、管棚、超前小导管等超前支护，增强断层破碎带围岩稳定性，改善最大主应力和最大剪应力方向受力条件，减小围岩沉降和变形，预防拱顶和边墙坍塌[5]。采用超前注浆和径向注浆等措施填充围岩裂隙，固结断层破碎带，形成洞周承载圈，提高围岩强度和抵抗变形能力，降低透水率，减小断层破碎带涌水塌方风险。

(3)充分考虑断层破碎带围岩变形，利用围岩自承能力，开挖断面采用曲边墙拱形断面，拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间采用小半径圆弧连接。

(4)根据断层地质和工程特性采用“短进尺、短台阶、强支护、早成环”原则，根据断层滑移速率每20 m设置一道变形缝并适当扩大开挖内轮廓，采用短台阶法或侧壁导坑法开挖，减小一次性开挖面积，缩短暴露时间。初支采用强度高、刚度大的工字钢拱架，辅以中空锚杆、网喷砼联合支护，紧随开挖施作及时封闭成受力环。针对高地应力和软岩围岩，采用加大预留沉降量，双层型钢拱架加临时钢支撑、可伸缩钢支撑加强支护；采用让压锚杆分散围岩压力，同时“边支边让，先柔后刚”，通过对围岩变形让压增大变形约束能力，控制软岩大变形，提升支护强度，提高断层处洞身长期稳定性；采用断面后注浆固结富水软弱围岩[6]。

3.2 开挖支护方案

(1)采用地质调查分析、远近距离物探、钻孔验证等综合方法进行超前地质预测预报。

(2)根据超前地质预报实施超前加固。当围岩含水量较小时(单孔水流量Q<2 m3/h且总水量Q<10 m3/h)，采用超前小导管，防止开挖面坍塌。

当围岩不能稳定时，采用洞内自进式管棚及超前小导管预加固[7]。管棚杆体可作为注浆通道快速加固断层软弱破碎围岩。管棚止浆塞能保持较强注浆压力，有利于充分填充空隙，固结破碎岩体。并通过管口封堵垫板、螺母，可将深层围岩应力均匀传递至洞壁围岩上，达到与围岩互为支护的目的。管棚注浆采用隔孔注浆结合稀、浓浆反复交替方式，挤出临近孔位裂隙水提高浆液扩散半径，半径不小于0.5 m。

当前方地层含水量较大(单孔水流量Q>2 m3/h且总水量Q>10 m3/h)或出现较大渗水、突水，采用全断面超前帷幕注浆加固止水。如遇富水带，总水量Q<10 m3/h，但个别单孔水流量Q>2 m3/h时，采取局部超前注浆。通过帷幕注浆挤出开挖断面及其周边围岩裂隙水，充填围岩裂隙并固结成一体，形成止水帷幕。根据该断层地质，帷幕注浆目标为浆液扩散半径不小于2 m(注浆前压水试验确定围岩渗透参数以调制浆液)，浆液填充率不小于80%(按总注浆量反算)，检查孔取芯率大于80%，加固体抗压强度不小于3 MPa，岩体RQD指标达到75～80。开挖后洞壁大面积渗水淋水以及富水量大、软岩大变形地段，增加开挖断面和基底环向注浆固结加固，注浆填充率不小于8%，单点压水试验检查透水率不大于2 Lu。

(3)根据位移管理等级确定施工状态、开挖方法和支护参数。当沉降变形量在0～30 cm时，采用三台阶预留核心土法开挖，φ42小导管径向注浆、R25中空注浆锚杆、22b型钢拱架及网喷早强砼支护。当沉降变形量在30～60 cm时，采用三台阶临时仰拱法开挖，φ42小导管径向注浆、RZW25C型让压锚杆、双层 20a型钢拱架、18临时钢支撑及网喷早强砼支护。当沉降变形量在60～100 cm时，采用单侧壁导坑法开挖，φ42小导管径向注浆、RZJ32型让压锚杆、36U可伸缩和 22a型双层钢拱架及网喷早强砼支护。小导管径向注浆浆液扩散半径为0.75～1 m。开挖后拱部及边墙沉降收敛严重时，可增加临时仰拱支护或大拱脚支撑、加强锁脚锚固等措施进行支护加强，控制变形[8]。中空锚杆采用可记忆止浆塞，把注浆相关参数如孔口压力、注浆量、注浆日期等储存起来，注浆结束后采集数据判断注浆是否达到要求[9]。

4 断层施工技术

4.1 准备工作

掘进至F4断层影响带前，对断层原地表进行警戒标识，并对洞顶冲沟、黄土陷穴做防水处理。进行超前地质预报，做好三种支护方案和反坡排水材料、设备及人员准备工作，随时做好应变准备。

4.2 地质超前预测预报

(1)地质调查分析:每个循环开挖后对地质构造、岩性、结构面产状、地下水出露位置及出水量等进行地质素描。

(2)远近距离物探:当掌子面开挖至K26＋770里程时进行TSP探测，预报长度100 m，开挖80 m后进行第二次预报，通过预报基本掌握断层破碎带位置及规模等情况。在远距离物探基础上，采用瞬变电磁仪精确探测前方断层破碎带地下水富集情况，每次探测30 m搭接10 m；采用地质雷达探测前方岩体破碎程度及空洞，每次探测30 m搭接10 m。

(3)钻孔验证:采用超前钻探方式对预报情况进行直观验证，精确掌握前方围岩情况，在断面拱部及左、右侧分别布置3个探孔，每次钻探20～30 m搭接10 m。若掌子面出水较大，则结合出水点布孔，兼作泄水孔使用。钻探过程对钻进速度、取芯情况、出水位置、流量、水压、水温等进行详细记录[10]。取芯后及时整理数据，分析围岩情况。

4.3 超前预加固

(1)超前小导管预加固

超前小导管采用φ60×5 mm钢花管，长度300 cm，环向间距40 cm，纵向每180 cm(三榀拱架)施作一环，垂直于开挖断面环向布设，布设范围为拱部126°，外插角10°～15°并严格控制，掌子面采用φ8 mm钢筋网片、20 cm厚C25喷射砼封闭。注1∶1水泥浆，注浆量1.59 m3/环，注浆压力0.5～1.0 MPa，可根据现场实际进行调整。小导管尾部安装止浆阀，以确保注浆效果。采用隔孔注浆，由低压逐级增至高压，当压力超出警戒压力后换孔注浆[11]。注浆过程中随时观察注浆压力及注浆量变化，做好注浆记录，以便分析注浆效果。

(2)自进式管棚加超前小导管施工

自进式管棚钻杆采用φ76×9.5 mm，长度15 m，环向间距40 cm，仰角2°，根据每根管棚中心线、高程、仰角安装轨道及钻机，由奇数孔开始钻进，再到偶数孔钻进。奇数孔第一根钻杆均采用3 m长，偶数孔第一根均采用4 m长。管棚注浆前先注压清水清理管道并测试压力值，一切正常后拌制1∶1水泥浆，浆液内掺5%水玻璃，浓度35 Be′，模数2.4，搅拌均匀后过网滤筛注浆。

掌子面开挖前施作超前小导管，进一步加强拱部围岩稳定性，小导管采用φ42×4 mm钢花管，外插角10°～15°，环向间距35 cm(根据情况调整)。变形沉降量30～60 cm时，长度采用350 cm，纵向每200 cm(两榀拱架)施作一环。变形沉降量达到60～100 cm时，长度采用300 cm，纵向每180 cm(三榀拱架)施作一环。遇围岩松散度较大时，环向间距按照20 cm布置。小导管内注1∶1水泥浆液。

施工控制要点:①管棚注浆初压0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa，完成后用M10砂浆填充管体，保证管棚整体刚度。②严格控制管棚注浆速度，保持稳定注浆压力，并根据实际情况调整浆液，确保扩散半径足够。③超前小导管避开管棚交错打设，确保管棚和超前小导管结合效果。超前小导管注浆压力控制在0.5～2.0 MPa。

(3)超前帷幕注浆

全断面超前帷幕注浆加固范围为开挖轮廓线以外6 m，注浆段长度为30 m，每段注浆孔按三环布设。1＃环设置20个，孔深12 m，孔间距150 cm；2＃环设置20个，孔深20 m，孔间距120 cm；3＃环设置18个，孔深30 m，孔间距80 cm。每环孔号按从左至右顺序编排，止浆墙采用50 cm厚C25砼，按照上台阶→中台阶→下台阶顺序施作。施作中下台阶止浆墙时，为防止掌子面垮塌，将中下台阶核心土挖成斜面。径向注浆小导管采用φ42×4 mm钢管，长度500 cm，环向间距100 cm，斜插角45°，纵向每2榀施作一环，梅花形布置。浆液采用1∶1水泥浆液，添加5%的水玻璃，注浆压力0.5～2.5 MPa，注浆量12.5 m3/环。

采取局部超前注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外4.5 m，注浆孔布置根据现场实际情况确定。

注浆孔开孔直径115 mm，终孔直径75 mm。成孔注浆采用分段前进式注浆，每钻进5～7 m即开始注浆，达到要求后开始下一阶段钻进注浆。浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水泥与水玻璃(体积比)在0.6～1 之间，水灰比0.8∶1 ～1∶1，水玻璃浓度35 Be′，注浆终压3～4 MPa。每循环开挖24 m，保留6 m止浆岩盘。

施工控制要点:①钻孔前止浆墙砼强度须达75%，钻杆与设计孔中心线吻合，孔深偏差≤1/40孔深。②作好钻孔过程记录，包括孔号、进尺、起止时间、岩石裂隙发育情况、出现涌水的位置、涌水量和涌水压力等，通过后序孔检查前序孔注浆效果、调整注浆参数。③拌和按顺序加料，水、水泥、水玻璃误差≤5%，外加剂误差≤1%，浆液中外加剂未完全溶解不得加入水泥，掺有速凝剂的水泥浆必须在30 min内用完。④当水压一般时钻孔采用机械膨胀式止浆塞，当水压很高时须在孔口管上安装止浆阀。⑤压水试验过程应详细记录，测试地层渗透性能以确定注浆配合比。⑥注浆采用先外圈后内圈、先上台阶后下台阶、先无水孔后有水孔地逐步加密注浆。遇水即注浆，再扫孔再注浆，直至设计孔深。采取反复注入、稀浆与浓浆交替注入、压力控制与注浆量控制相结合的措施[12]，初始压力为1.2倍静水压力，注浆时间根据浆量注入速度灵活调整。⑦注浆时须保证凝胶时间的准确性，单孔注浆结束标准，压力逐步升高至设计终压，P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，继续注浆10 min以上，结束时进浆量小于5 L/min。全段结束标准，所有注浆孔均符合单孔结束标准，预测涌水量小于3 m3/m/d，有效注入范围大于设计值。

注浆效果检查:除达到注浆加固目标外，对检查孔进行注浆检查。当压力上升很快且进浆量很小，1.0 MPa压水检查吸水量小于2 L/m/min；检查孔成孔好，无流泥、塌孔现象，浆液充填饱满，涌水量小于0.2 L/m/min，取芯率大于80%；注浆异常区经抽查符合要求，视为注浆合格。

4.4 开挖支护

(1)三台阶预留核心土法

开挖采用人工配合机械，严禁爆破，每循环进尺60 cm，变形量按照30 cm预留，若沉降收敛较大时根据情况调整。先开挖上台阶环形导坑并预留核心土，开挖后及时进行初喷→施作中空锚杆→铺挂钢筋网片→架立钢拱架→打设锁脚小导管→施作径向注浆小导管→喷射砼封闭→中空锚杆及径向小导管注浆，再依次开挖中台阶左、右侧壁导坑和核心土，最后开挖下台阶左、右侧壁导坑和核心土。

施工控制要点:①预留核心土长度3～5 m，面积不得小于上半断面的50%，初支紧跟开挖面，上部初支基本稳定后才能开挖下部。②中、下台阶初支双侧交错施工，避免上部初支两侧拱脚同时悬空，每次落底长度不小于3 m。③拱架应置于牢固基础之上，必要时采用砼垫块或托梁。锁脚钢管紧贴拱架垂直向下30°～45°打设，注浆提高锁脚处围岩强度，确保拱架稳定。④初支完成后及时施作仰拱封闭成环，仰拱和仰拱回填须错开50 cm，每循环长度不大于3 m，全幅一次性浇筑，确保整体稳定性，具体参数见表1。

表1 三台阶预留核心土开挖法支护设计参数

(2)三台阶临时仰拱法

采用人工配合机械开挖，每循环进尺1 m。临时仰拱采用10 cm厚C25喷射砼，并增设竖向临时钢支撑。施工流程为:上台阶环型导坑开挖及初支并预留竖向临时钢支撑连接板→中台阶左侧导坑开挖及初支→中台阶右侧导坑及核心土开挖，临时仰拱、竖向临时钢支撑和初支施工→下台阶左侧导坑开挖及初支→下台阶右侧导坑及核心土开挖、初支施工及竖向临时钢支撑落底→仰拱施工及仰拱填充封闭成环、拆除垂直竖撑。

隧道拱部和边墙预留变形量30～60 cm，根据监控量测和数理分析计算综合确定，仰拱预留变形量根据实际变形调整。内外层拱架错开布设，拱架纵向连接采用 18槽钢。锚杆采用外锚段让压型锚杆，梅花形布设，根据岩层产状设置锚杆方向和位置，与岩层面间距不大于3 cm，让压力不小于90 kN，杆体极限拉力不小于180 kN，让压量根据现场实测数据确定，具体参数见表2。

表2 三台阶临时仰拱法支护参数

(3)单侧壁导坑法

采用人工配合机械开挖，每循环进尺60 cm。施工流程为:开挖左侧上导坑→左侧上导坑拱部初支、上导坑单侧壁临时初支及临时仰拱支护→开挖左侧下导坑、下导坑单侧壁临时初支→左侧下导坑初支→开挖右侧上导坑→右侧上导坑拱部初支及临时仰拱支护→开挖右侧下导坑→右侧下导坑初支。

隧道拱部和边墙预留变形量60～100 cm，根据监控量测和数理分析计算综合确定，仰拱预留变形量根据实际变形调整。先行导坑初支基本稳定后进行后行导坑开挖，第一层拱架采用36U可伸缩钢拱架，第二层拱架采用 22a型钢拱架，两层拱架交错布置，第一层达到伸缩位置后再施作第二层，拱架纵向采用槽钢连接。径向注浆分级施作，变形量30～60 cm时施作一次，变形接近稳定时再施作一次。锚杆采用自进式中空注浆让压型锚杆，让压力不小于120 kN，杆体极限拉力不小于290 kN，让压量根据现场实测数据确定，具体参数见表3。

表3 单侧壁导坑法支护参数

(4)开挖后周边注浆

开挖后周边注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外5 m，注浆管采用5.2 m长φ46钢管，纵向间距15 cm，梅花形布置，注浆孔与隧道轴线呈60°夹角，孔深4.5 m，隧底注浆根据涌水量、围岩破碎程度灵活设置。

当以堵水为主时，采用水泥-水玻璃双液浆，体积比 1∶0.6 ～1∶1，水玻璃浓度35 Be′，模数 2.6 ～2.8，当以加固围岩为主时则采用纯水泥浆。每环注浆量47.6 m3，按填充率8%考虑。

对于一个注浆段，注浆顺序从两边到中间，分两序隔排施工，对于同一排孔则按由上至下顺序进行。一般情况下均采用全孔一次注浆，当成孔性较差时应分两段采用前进式注浆。注浆压力1.0 MPa，采用纯压式灌浆。第一序孔按注浆量控制，达到或接近拟定注浆量时结束；第二序孔按注浆压力控制，达到设计注浆压力后，注浆量逐渐减少，最终小于1 L/min，并持续10 min以上，结束注浆。

(5)监控量测

初支完成后，及时布设沉降观测点和净空收敛观测点，每个断面布设5个点。沉降观测点设置在拱顶轴线附近，收敛点对称布设在起拱线位置和左右侧边墙上。纵向每5 m一道，确保上、中台阶各有一条水平收敛测线，实时监控初支沉降收敛情况，以便及时采取防护措施和调整支护参数。

5 结束语

针对漳县隧道F4活动断层，通过综合地质预测预报探明断层岩体状况，采用小导管、管棚、帷幕注浆等超前支护措施固结加固断层破碎带，针对不同沉降收敛变形采用三台阶预留核心土法、三台阶临时仰拱法、单侧壁导坑法等开挖支护方案，采用径向注浆强化加固效果，顺利掘进通过。下一步将继续加强断层活动、围岩稳定程度和支护结构可靠性等安全信息监测工作，并对衬砌受力变形数据进行收集，验证支护和衬砌实施效果，为今后类似地质隧道设计与施工提供参数依据和施工经验。