隧道穿越断层段施工技术研究

黄剑

作者简介：

黄 剑（1986—），工程师，主要从事道路与桥梁技术研究和施工管理工作。

文章以某山区隧道为研究背景，介绍了该隧道开挖支撑系统的设计方案，研究了该隧道穿越断层段的施工技术，并通过施工监测评估支撑效果。监测结果显示，开挖后仰拱喷射混凝土以及闭合隧道的支撑系统尽快施工，能有效地抑制隧道变形。

隧道;断层;施工

U455.4A361243

0 引言

此隧道由溪流左岸开始，贯穿崎岖的山脉，全长约12.9 km，为高速公路施工的关键工程。该隧道共分为三条坑道，其中两主坑设计为双车行道，另外于两主坑的中间位置设置一断面较小的前进导坑，作为主坑施工前了解前方地质及必要时预做地质处理的坑道，完工后并可作为主坑维修及紧急逃生通道。基于施工进度及地质因素的考虑，隧道的端部先以钻炸法施工，再以全断面隧道钻掘机（TBM）开挖贯通。钻炸法施工的断面，主坑的直径约为13.5 m，导坑约为5.2 m，而TBM工法施工的断面，主坑的直径约为11.7 m，导坑则为4.8 m。在隧道已开挖的区段中，沿线遭遇到最重要的地质构造为一控制型断层，该断层位于距离洞口约800 m的位置。导坑系以TBM工法方式通过断层，在通过断层时，由于地质情况极为恶劣，故TBM先后两次因机头前方基岩坍塌，导致机头无法转动，须停机由TBM侧面开挖迂回至机头前方，将机头附近的岩块及其前方不良地质路段的土石挖除后，再恢复开挖前进，两次TBM受困总计耗费约4个月。因此，为使后续主坑的TBM开挖时避免在通过断层遭遇相同地层施工风险，主坑决定采用钻炸法的方式通过断层，其中西行线以全断面开挖通过，而东行线仅以上半断面开挖通过。

1 工程地质概述

隧道位于山地区，山脉由第三纪轻度变质沉积岩所构成，在隧道起始段约4 km的路段，主要由破碎的硬页岩及四棱石英砂岩所组成。该路段以断层为分界点，断层以东，主要由破碎的干沟层硬页岩所组成，通过断层后约3 km多的路段，则主要由四棱砂岩层夹薄层硬页岩所构成。

根据设计阶段的地勘推算，断层宽约20 m，其断层泥为不透水层，而四棱砂岩层侧的石英岩角砾则透水性相当高，并可能蕴含高压的地下水层[1]。此外由导坑的开挖结果显示，硬页岩侧及断层剪裂泥并未蕴含地下水。导坑开挖通过断层后，曾于现场采取断层

泥材料进行试验，由试验结果得知其塑性指数约为11，孔隙比约为0.18～0.24，湿密度约为2.30～2.41 g/cm3，屬黏质砂土。

另外由三轴试验结果显示其峰值强度时的有效粘聚力约为14～40 kPa，有效摩擦角约为13°～20°。而在断层带内进行的现场平板载重试验结果，其承载力>2 MPa，变形模量约为49 MPa，弹性模量则约为303 MPa。由以上的物理性质及力学试验结果显示，断层泥孔隙比及密度与一般岩石材料接近，而力学强度则与弱岩或较高强度的黏土接近。由此可推知其开挖裸露后未遇地下水入侵时，尚有较好的稳定性，而若吸水后则极易膨胀瓦解，并可能有高膨胀压力产生。

2 隧道支撑设计

该隧道原设计理念乃将开挖时的支撑系统，按岩体评分划分为6级。断层依其岩体评分应采用第6类的支撑系统，包括间距1 m的H150x150钢拱架，25 cm厚的喷射混凝土，并视地质情况采用支撑钢管及临时喷射混凝土仰拱以闭合开挖面。隧道开挖后的预估变形量为15 cm（如图1所示）。由于导坑通过断层时，先后发生两次受困事件，而需以开挖迂回处理，因此主坑开挖时，其支撑考虑采用较为保守的方式，以避免重蹈覆辙[2]。

主坑西行线按原设计的进度，以钻炸法通过断层，支撑设计包括间距1 m的H200×200钢拱架、30 cm厚的喷射混凝土、6 m长的系统锚杆，并于顶拱及隧道两侧施作固结灌浆，上半断面开挖后，视需要于两侧基脚再施作一排6 m长向下45°的锚杆，以进一步稳固基脚。此外考虑断层的特性，且由已开挖路段实际的监测结果显示，顶拱的沉降量最大曾达30 cm，因此预估变形量由原设计的15 cm提高为55 cm。

主坑东行线依原预定进度应以TBM方法通过断层，东行线断层的岩性与已开挖的导坑及西行线相同，因此综合导坑和西行线的施工经验及地质因素，并考虑施工进度的要求，东行线的上半断面决定改以钻炸法的方式通过，而下半断面则仍以TBM的方式通过。由于西行线开挖时，虽采用比原设计较为保守的支撑，但开挖完成后上半断面两侧收敛变形量仍达50 cm，故东行线半断面使用较西行线更保守的支撑。上半断面开挖时的支撑型式包括每间距1 m采用两对H200×200的钢拱架并列、45 cm厚的喷射混凝土、6 m长的系统锚杆及于顶拱与隧道固结灌浆，基脚处再打设三排6 m长的锚杆，以避免后续TBM开挖下半断面时基脚侧壁崩落。此外预估变形量则由原设计的15 cm调整为20 cm。

3 施工技术研究

主坑通过断层时，上半断面系采用环状开挖，中间预留核心土，于架设支撑后再将核心土挖除。洞台则分为左、右两侧开挖，待一侧开挖完成支撑后，再进行另外一侧的开挖及支撑工作。洞台的开挖工作需在上半断面全部通过断层带（包括断层泥及前后破碎带共约55 m宽）后才开始进行，而一侧洞台通过断层带后，再进行另一侧洞台的开挖[3]。

此外，为抑制隧道的变形并形成整体的支撑效应，一侧洞台开挖时，在洞台基脚以H150×150的型钢将已架设的钢拱架以纵向相连结，并施作15 cm厚的临时仰拱喷射混凝土。另一侧洞台则于开挖后，每完成10 m施作一次25 cm厚的仰拱喷射混凝土，以完成隧道支撑系统的闭合效应[4]。

由于采用了较原设计更强的支撑系统，且隧道以钻炸法通过断层时，岩体比预期中还干燥，并无显著地下水，故大致上无重大灾害发生，仅在开挖过程曾产生局部约5～30 m3的塌方。塌方发生后，现场随即以喷射混凝土将塌方后的基岩面封面，并用H100×100型钢等在原设计开挖线位置架设临时拱型支撑后，再施喷喷射混凝土，并以混凝土回填塌方后形成的孔穴以稳定隧道。

4 支撑效果评估

监测是隧道在软弱地层施工时极为重要的工作，通过监测的成果，可充分掌握施工行为与地质环境结合后的整体反应，以作为评估进而调整施工行为的重要依据。该隧道在断层路段配合实际地质需要，共装设四组监测断面，如图2所示。根据监测结果可得到以下几点结论：

（1）若考虑仪器安装前已发生的先期变形量，则顶拱于上半断面开挖后，大部分的沉降量即已完成，其后洞台的开挖所产生的沉降量并不大。

（2）测线量得的变形量主要因洞台开挖所产生，且当该洞台的开挖面到达监测断面前，即已有明显的变形产生，而变形速率大致上在开挖面通过监测断面时达最大值。

（3）测线量得的最大变形量约达300 mm，以力学观点而言，这主要可能由于断层的变形模量較低，因此开挖后需有足够的变形，方可使岩压与支撑系统达到平衡。因此在低变形模量的软弱地层内开挖时，提供足够的侧向支撑力，方可抑制隧道变形。

（4）当洞台开挖面通过监测断面时，对于顶拱沉降的影响较小，不过当仰拱施作后，其变形量即迅速收敛而趋于稳定。仰拱施作后，测线变形并未如预期迅速收敛，推测其原因可能系仰拱虽已尽速施作，但因开挖面与监测断面的距离仍近，故开挖区的前进效应对于监测断面仍具有决定性影响。

5 结语

（1）监测对于在软弱基岩中进行开挖是极其重要的工作，监测的成果既可立即反映基岩的变形行为，迅速采取必要的补强措施，以避免工程失败，也可作为事后评估岩体及支撑型式互制行为的重要依据，以作为今后类似工程施工的参考。本文所引用隧道通过断层路段，经设计时的调查，施工中的观察与监测成果的评估后可知，断层在力学上应具有相当整体性的行为，尤其是对于隧道开挖后的变形行为，更具有关键性与整体性的影响。此外隧道开挖后，侧壁产生较大的收敛变形量，由力学观点而言，因系断层材料的变形模量较低所致。因此如何提供隧道横向足够的支撑力，以抑制过大的侧向变形量，必须有详细的考虑，而开挖时需提高预估的变形量，以免开挖后变形量过大而导致设计净空不足，以致事后再进行费时费事的整修工作。

（2）施作仰拱以闭合支撑系统，是为防止隧道变形过大所采用的经济有效措施，但若开挖面与监测断面的距离太近时，虽然仰拱已快速施作，但开挖面的前进效应对于隧道的变形仍具有极大的影响，此点必须特别考虑。至于采用重型的刚性支撑，对于抑制隧道变形亦具有相当程度的作用，但以经济观点而言，采用重型的刚性支撑，并不如施作仰拱以闭合支撑系统有利。灌浆虽然可有效提高岩体强度及变形模量，若隧道开挖而岩体受扰动后再进行灌浆工作，则其效果可能会不如预期中的理想。

[1]杨金虎.慈母山隧道穿越断层破碎带开挖支护技术分析[J].地下空间与工程学报，2011（2）：361-365.

[2]潘 菊.隧道穿越断层破碎带开挖支护的施工技术[J].四川建材，2015（3）：184-185.

[3]刘运微.隧道穿越断层破碎带施工关键技术研究[D].西安：长安大学，2013.

[4]王 茜，凌同华，刘唐利，等.穿越断层破碎带隧道入口段施工数值模拟[J].交通科学与工程，2019，35（4）：78-84.