某山岭隧道断层破碎带形态走向分析

摘要：随着人类社会的不断进步与经济的持续发展，人们对交通的便利性要求越来越高，因而隧道工程就得到乐迅速发展，山岭隧道中的地质条件往往复杂多变，尤其当隧道穿越断层破碎带时，岩石软弱破碎，岩体稳定性较差，隧道开挖时容易引起塌方，地表出现沉降，进而使隧道施工处于危险之中。隧道开挖使围岩初始平衡状态收到破坏，隧道开挖后围岩及支护受力较大。随着开挖的不断进行应力不断释放，则围岩强度不断降低，洞周变形不断增大如遇地表水及地下水的侵蚀、爆破震动等不利影响，围岩强度会受到更大的影响，造成塌方、冒顶，不但带来巨大的经济损失，而且会给人们财产安全造成巨大损失。因此很有必要对隧道穿越断层破碎带的形态及施工技术进行研究。希望对类似隧道施工程有参考性。

关键词：隧道断层破碎带;洞周变形;财产损失

1工程概况

某山岭高速公路隧道全长12.146米，属特长隧道，隧道进口为较陡斜坡地形，有带状基岩出露，表层为崩坡积碎块石堆积，稳定性较好;隧道出口洞门附近仰坡为土层，由卵石构造，中密状，其上陡坡为灯影组白云岩裸露，岩体较完整，未见崩塌现象，斜坡整体未见不良地质，自然斜坡整体稳定，但浅层稳定性差。洞身段最大埋深1944米，主要岩性为板岩、变质砂岩、流纹岩、白云岩等，根据岩石强度，岩体结构，完整程度等将洞身段围岩划分为Ⅲ～Ⅴ级围岩：隧道洞身主要为Ⅲ、Ⅳ级围岩;岩体较完整～较破碎，但断裂破碎带和影响带岩体极破碎，可能存在突水、突泥和围岩大变形;在Ⅲ级围岩段可能存在岩爆;在白云岩段，特别是可溶岩接触带、断层破碎带附近、可能有岩溶发育。安全风险较高。隧道附近的最高海拔大于3000m，最低点为隧道出口外的大渡河，海拔约657.6m，相对高差近2500m，属高山峡谷地貌区。

据地面调绘成果，隧址区主要出露地层为：

1、第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl）：

卵石：石质成分主要以灰岩、白云岩、为主，次棱角状。一般粒径组成>200mm：约占35%，200-20mm：约30%，20-2mm：约15%，余为粉粘粒及砂充填，稍密，潮湿～饱和，透水性好。分布于洞口外冲沟中。细砂：灰色，以细粒砂为主，松散～稍密。分布于进口外溪沟及出口洞口处附近。厚度约3～5m。

2、第四系全新统崩坡积层（Q4c+dl）

主要分布于进出口处斜坡地带。块石：石质成分主要以灰岩、白云岩、为主，棱角状。一般粒径组成>200mm：约占55%，200-20mm：约20%，20-2mm：约15%，余为粘土充填等，松散～稍密，干燥～潮湿，透水性好。碎石：灰色，石质成分以强～中风化石英质板岩为主，棱角状。一般粒组组成：φ>200mm约5～10%，200mm～20mm约50～60%，20mm～2mm约25～30%。潮湿，松散～稍密，透水性较好～好。

3、震旦系上统灯影组（Zb）d

分布于隧道洞身段，为隧道穿越的主要岩性，以白云岩、灰质白云岩为主，夹页岩、泥岩。据区域资料，该地层厚度约1000m。白云岩：灰白色，矿物成分以白岩石为主，方解石少量。隐晶质结构，块状构造，钙质胶结。岩石多见缝合线发育，岩质坚硬。灰质白云岩：灰色，矿物成分以白岩石为主，方解石少量。隐晶质结构，块状构造，钙质胶结，岩质坚硬。

4、震旦系上统观音崖组（Zb）g

岩性为灰～灰白色石英砂岩、灰岩夹页岩，底部为含砾砂岩。呈条带状分布于隧道进口附近。据区域资料该层厚度19～40m。

5、震旦系上统列古六组（Zb）l

岩性为紫红、灰紫、暗紫红色含砾砂岩、凝灰质砂岩、粉砂岩、砾岩、粘土岩等。分布于隧道进口附近。据区域资料该层厚度小于330m。

6、震旦系下统苏雄组（Za）s

隧址区内主要为紫红、灰紫、灰绿色蚀变流纹岩。分布于隧道出口段。据区域资料该层厚度小于600m。

7、前震旦系峨边群第二段（Pteb）2

岩性以板岩为主，夹深灰色变质砂岩及石英质质板岩。分布于隧道进口附近。据区域资料显示，该地层大于厚度约1500m。

在施工过程中受断层破碎带、岩溶、岩爆、大变形、微瓦斯、高地温等影响，施工掘进困难，本次选取出现断层破碎带的左洞里程段ZK77+ 340～ZK77+380，右洞里程段K77+260～ZK77+300，共计80米进行断层破碎带分析。

2施工概况

施工过程中出现的大变形及坍塌事件如下：

1、进口右洞：2020年4月17日凌晨00：15，进口右洞掌子面开挖至K77+265处，因围岩为较软岩，且挤压变形严重，在爆破扰动下，由左侧起拱线至拱顶右侧2m发生坍塌，坍塌造成左侧超前支护全部破坏。后经测量塌腔长约8m、宽约3.5m，高约4.5m，施工单位第一时间对掌子面进行了反压，并采用喷射混凝封闭掌子面，后经现场观测塌腔及掌子面趋于稳定，现场有序完成出渣、初期支护、超前支护。4月17日上午11：00监测组在此塌腔部位K77+263里程布设1个拱顶下沉监测断面，截止到下午19：00，K77+263拱顶下沉监测断面变化较大，并且发现K77+266～K77+255段落拱顶及左侧拱腰发现多条纵向裂缝，随即向参建方进行短信预警，施工单位立即采取响应措施，暂停掌子面开挖，采用工字钢紧贴掌子面封闭塌腔，完成喷射混凝土施工后，泵送C20混凝土对塌腔进行填充。4月18，在塌腔回填过程中，我监测组全程监测，过程中监测数据平稳。

2、进口左洞：2020年7月3日，进口左洞掌子面开挖至ZK77+356处，因围岩为较软岩，且挤压变形严重，在爆破扰动下，右侧边墙至拱腰部位初支出现环向裂缝;拱顶部位局部出现纵向开裂，同时出现掉块现象。于是我监测组及时采取措施，于7月4日上午11：00在ZK77+352里程布设1个拱顶下沉及净空收敛监测断面;7月5日上午11：00在ZK77+360里程布设1个拱顶下沉及净空收敛监测断面，截止到7月6日下午15：20，ZK77+352及ZK77+360断面净空收敛监测断面变化较大，并且发现ZK77+342～ZK77+360段落拱顶及左、右侧拱腰多条纵向裂缝。监測组从2020.7.6～2020.7.19连续对ZK77+342～ZK77+368段落发出变形较大的信号预警。

3监测数据分析

1、左洞监测数据较大的为ZK77+345～ZK77+376段落，拱顶沉降在-10.99～-57.50㎜之间，综合表现为整体沉降。周边收敛在-14.4～-249.7㎜之间，综合表现为水平收敛（BC测线）较大，两条斜线变化不大的态势，且周边收敛的监测数据明显大于拱顶沉降的监测数据。综合分析为两侧边墙及拱腰部位变形较大。

2、右洞监测数据较大的为K77+257～K77+275段落，拱顶沉降在18.1～-29.0㎜之间，综合表现为两侧拱腰沉降，拱顶上扬的态势，主要是由于初期支护施工期间拱顶部位塌方存在塌腔，拱腰两侧围岩挤压造成拱顶上扬的情况。周边收敛在1.2～-23.2㎜之间，综合表现为整体收敛的趋势。综合分析为左拱腰及拱顶部位为变形较大部位。

3、右洞初期支护施工期间K77+265里程左拱腰及拱顶部位出现塌方，定性为断层破碎带，围岩主要为黑色炭质板岩，左洞在施工期间ZK77+352及ZK77+360断面水平收敛变化较大。综合确定为左洞里程ZK77+340～ZK77+380及K77+260～K77+300段落确定为变形较大段落。

4地质雷达分析

地质雷达原理：地质雷达探测是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅、频率和相位不同来判断前方传播介质的变化。介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负。岩石岩性、风化程度及其含水量等的变化将影响其介电常数，电磁波反射的频率、振幅、相位也将发生变化，因此，根据电磁波反射的特征推断掌子面前方的地质情况。

地質雷达参数：采用美国GSSI公司生产的SIR-3000型地质雷达，100MHz天线，沿测线进行数据采集，连续探测，并得出雷达反射剖面。采集参数为：采集方式为连续，每扫描采样数为1024，采集时窗为600ns。在ZK77+330～ZK77+380段落仰拱浇筑面上，沿隧道纵向方向共布置了1条地质雷达测线。地质雷达波普图如图5所示。

根据所做的地质雷达波谱图可以看出：

（1）ZK77+330～ZK77+380段落仰拱以下（ZK77+330里程仰拱以下0～10米;ZK77+340里程仰拱以下0～20米;ZK77+350里程仰拱以下0～20米;ZK77+360里程仰拱以下0～14米;ZK77+370里程仰拱以下0～12米;ZK77+380里程仰拱以下0～7米）电磁波反射能量强度较强，电磁波同相轴连续性差，波幅较高，结合地质情况综合分析可得：预报里程段范围内围岩主要为未风化板岩含粉砂岩，围岩节理裂隙非常发育，岩体极破碎。为断层破碎带。围岩稳定性较差。

（2）ZK77+330～ZK77+380段落仰拱以下（K77+330里程仰拱10米以下;ZK77+340里程仰拱20米以下;ZK77+350里程仰拱20米以下;ZK77+360里程仰拱14米以下;ZK77+370里程仰拱12米以下;ZK77+380里程仰拱7米以下）电磁波同轴连续一般，电磁波形一般，波形较较均一，结合地质情况综合分析推测预报里程段范围内围岩岩性主要为微风化板岩，以较坚硬岩为主，围岩节理裂隙稍发育，岩体较完整，岩层主要为镶嵌碎裂结构，岩层埋深较大可能存在高地应力现象，多呈裂隙块状结构，围岩稳定性一般。

5断层破碎带形态分析

从监测数据、地质雷达数据及现场实际情况，进行综合分析：

1、右洞出现的断层破碎带沿纵向（开挖方向）呈约34°（纵向45米，横向30米）朝大里程倾斜。详见下图6

2、右洞出现的断层破碎带沿横断面方向呈14°（高差9米，横向36米）朝左洞倾斜。详见下图7。

6结语

通过对监测数据、地质雷达数据及现场实际情况得出断层破碎带的形态位置后，施工单位采取了响应措施：

1、进口左洞ZK77+330～ZK77+380段落基底仰拱进行加固。同时加强监控量测工作。

2、进口右洞K77+260～K77+300段落拱腰以上部位进行注浆加固。同时加强监控量测工作。

参考文献

[1]刘学增，俞文生.隧道稳定性评价与塌方预警[M].上海：同济大学出版社，2010.

[2]朱汉华，孙红月，杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].北京：科学出版社，2007.

[3]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004

[4]中交第一公路工程局有限公司.公路隧道施工技术规范[M].人民交通出版社，2009.

作者简介

李春国（1981—），男，云南昆明人，本科学历，研究方向：地下工程与隧道工程。