公路隧道穿越红层多条富水断层带施工技术研究

侯建伟 徐金峰 谢雄耀 邓海明 钱正富

1. 云南交投集团投资有限公司 云南 昆明 650228；

2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092；

3. 同济大学地下建筑与工程系 上海 200092；

4. 昭通市昭泸高速公路投资开发有限公司 云南 昭通 657000

随着我国西部开发的持续推进，云南等地区的高速公路快速发展。作为红层软岩集中分布区的云南等西南地区，94%以上的面积为山区，地质构造复杂，立体型垂直气候明显，降水集中。在地下水及工程活动综合影响下，高速公路隧道建设期极易发生突水涌泥、坍塌等事故。

钱七虎[1]指出在隧道施工中突水突泥灾害对重大地下工程建设安全的挑战相当严峻；李术才等[2]针对隧道建设过程中的突水突泥问题进行了致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析，研究了不同类型致灾构造的结构特征、赋存规律和地质判识方法；张庆艳等[3]通过自行研制可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统进行富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制研究，并建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型；马栋等[4]依托赣深高铁龙南隧道F8断层施工，通过地表抽水试验获取断层破碎带岩土体的水文地质参数，提出“地质雷达＋TSP＋超前钻孔”方法，并采用“分水降压＋内堵外固＋安全监测”措施，取得了良好效果；钱正富等[5]通过现场爆破试验，研究了穿越滇中红层软岩无中导洞连拱隧道的爆破施工控制技术；韩侃等[6]研究了TSP法对隧道前方的断层、岩溶强烈发育区、含水体、节理裂隙发育区等预报的精准判译程度；国内外众多学者[7-10]对于隧道穿越红层富水断层带方面的研究，从理论、试验、数值模拟、施工技术等角度进行了探讨。

本文以云南楚姚高速公路中屯2号隧道为工程依托，通过TSP（地震波法）和GPR（地质雷达）相结合的物探手段揭示隧道所处地质环境，同时结合现场施工中出现的地下水涌出、断层破碎带等不良地质问题，利用有限元软件进行工程模拟的结果，对后续隧道施工段的工程地质和风险预测分析进行综合评判，确定施工重难点。通过动态设计，对不良地质段的施工技术方案进行信息化反馈改良，最终确保中屯2号隧道安全地穿越了红层多条富水断层带。

1 工程背景

1.1 隧道工程概况

中屯2号隧道位于楚姚高速公路第二合同段2-1工区，为分离式3车道长隧道，全长2 535 m，最大埋深256 m。隧道为上坡，左右幅纵坡坡度均为2.3%。

根据地勘报告，场区地表有3条断层F1、F2、F3，断层位置与隧道走向关系如图1所示，断层破碎带宽度分别为4、35、18 m，均为泥质胶结，胶结差。隧道穿越岩层以粉砂质泥岩、砂岩为主。

图1 中屯2号隧道与断层关系平面示意

1.2 富水断层带介绍

隧道区地表季节性冲沟发育，地下水含量丰富，以大气降水为补给源。大气降水大部分以坡面流形式向地势低洼处汇集排出场区，少部分沿基岩节理裂隙面和断层破碎带渗入基岩中。单幅隧道涌水量约9 500 m3/d。场区地势西北高、东南低，年平均降雨量为872 mm，无霜期238 d，日最大雨量为2016年10月1日的210.7 mm。工程区水系发育、山区沟谷纵横、起伏较大，雨季水流量相对较大，冲刷较强，地表水汇集流入文龙河、中屯水库，最终流入金沙江，属金沙江水系。

1.3 现场施工重难点分析

截至2020年4月，中屯2号隧道进口已施工段长度达到1 km左右，出口已施工长度达到600 m左右。隧道进口开挖断面围岩为中风化中厚层状长石砂岩夹泥质粉砂岩，开挖面地下水呈滴水状。隧道出口开挖至F3断层破碎带，左幅开挖后地下水呈滴水状，右幅开挖后左侧拱腰出现小股出水，随后水量骤增，并将大量松散破碎岩体冲出掌子面，单日最大出水量超过5 000 m3，隧道为反坡施工，掌子面积水严重，现场断层破碎带处涌水严重。由于隧道出口开挖遇断层破碎带及涌突水的过水通道，隧道从2019年8月延缓开挖支护，现场采取局部注浆和围岩灌注混凝土将过水通道水流引流，并在加强左拱腰围岩的情况下施作了仰拱。

该隧道穿越4条水系，水流汇合于中屯水库，因此需要对中屯2号隧道施工难点进行详细分析。首先，断层破碎带有大量突涌水，且断层中有宽度约2 m的过水通道，现场施工会导致断层过水通道沉积物随水流涌出，淹没隧道，造成重大安全事故。其次，隧道剩余未开挖段落即隧道中部地表水系发育，地下水赋存丰富，隧道开挖可能再次发生突水突泥情况。随着隧道出口反坡施工的深入，现场排水更加困难，因此对剩余开挖段落进行了详细的地质勘查，综合物探地勘成果如图2所示。

图2 中屯2号隧道综合物探地勘成果

经物探地质综合分析，综合物探围岩级别统计如表1所示。可知隧道左幅K47＋875—K48＋689段含有较严重不良地质段2处、严重不良地质段3处；右幅K47＋950—K48＋884段含有较严重不良地质段2处、严重不良地质段3处。

表1 中屯2号隧道综合物探围岩级别统计

综合以上不良地质和综合地勘分析，得到中屯2号隧道难点为围岩富含地下水，水分布较广，对隧道影响大。

2 数值模拟探究

结合中屯2号地质特点以及地下水分布状况和现场设计施工情况，提出符合软弱富水围岩的中隔壁（CD法）径向注浆方案，首先通过数值模拟探讨该方案的可行性，采用Midas有限元软件对富水区段衬砌结构进行优化分析，并验证其安全性。

2.1 计算模型

根据隧道设计的开挖限界，设置数值计算模型大小为177 m×132 m，对左右边界施加水平约束，对下边界施加竖向约束，在模型顶部施加124 m埋深下的应力边界，根据中屯2号隧道的工程地质勘察报告可知岩石重度约为25 kN/m3，则顶部应力大小为3.1 MPa。数值模型如图3所示。

图3 富水区段隧道数值计算模型

数值计算中，围岩和注浆加固区域采用摩尔-库仑模型，初期支护喷混凝土和钢架，临时支护喷混凝土和钢架，二次衬砌均采用梁单元模拟。计算具体参数如表2所示，其中围岩重度采用饱和容重。

表2 围岩及支护结构的物理力学指标

隧道开挖采用CD法，每台阶开挖后施作径向钢花管和初期支护喷混凝土钢架，开挖增设临时竖撑，开挖、初期支护完成后施加二次衬砌。根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》中对Ⅴ级围岩时公路隧道的初衬和二衬围岩荷载分担比例，设定应力释放系数为初期支护承担20%，二次衬砌承担80%。

2.2 数值模拟结果分析

通过模拟现场富水隧道区段开挖支护，得到初期支护、二次衬砌、围岩的受力位移云图。根据云图，隧道支护结构受力和围岩位移统计如表3～表5所示，其中施工步5指施作二次衬砌。

表3 初期支护喷混凝土最大受力和位置

表4 初期支护钢架最大受力和位置

表5 支护结构及围岩不同开挖步位移统计

据JTG D70-2—2014《公路隧道设计规范》，C25喷混凝土弯曲抗压设计强度为13.5 MPa，抗拉设计强度为1.27 MPa；C30混凝土弯曲抗压设计强度为22 MPa，抗拉设计强度为2.01 MPa。钢架屈服强度取235 MPa。从表4可以看出，隧道初期支护喷混凝土在施工步1到4之间破坏形式主要以受压破坏为主，二次衬砌施作后，拱顶出现受拉破坏。隧道初期支护钢架最大轴应力出现在拆除临时竖撑后，仰拱钢架最大轴应力206.5 MPa，小于钢材屈服强度。施工过程中，支护结构和围岩在开挖至第3、4步时，变形最大，为26.1 mm。初期支护整体处于安全状态，满足富水隧道承载力要求。

有限元分析结果显示，二次衬砌最大弯矩216.5 kN·m，位于仰拱；最小弯矩－465.9 kN·m，位于拱脚；最大剪力－352.9 kN，位于拱脚；最大轴力1 246.6 kN，位于仰拱；最大轴应力1.78 MPa，受压，位于仰拱。满足二次衬砌受力要求。经过数值分析，可知软弱富水围岩的CD法径向注浆方案下的隧道二次衬砌最终受力处于安全状态，初期支护喷混凝土部分破坏严重，但是初期支护钢架处于安全状态，整体结构处于安全状态。

3 隧道穿越富水断层带设计施工优化措施

根据中屯2号隧道详勘成果、不良地质综合物探专项勘察结果、各掌子面隧道超前地质预报结论以及Midas数值模拟分析结果，并结合已施工完成段落和正在施工段落变更情况，将隧道未施工段落划分为富水断层破碎带、富水软岩段、断层破碎带、软弱围岩段共4种类型，针对不同类型围岩段落分别进行设计优化，如表6所示。

表6 中屯2号隧道未施工段设计优化统计

中屯2号隧道未施工段超前地质预报采用物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合。物探采用TSP进行长距离预报、采用GPR进行短距离预报。根据物探结论，掌子面前方存在断层破碎带，富水破碎带等地质灾害隐患时进行钻探验证，钻孔长度30～50 m，钻孔布设3～6个。

由于中屯2号隧道地处中屯水库上游，位于水源二类保护区及三峰山自然保护区实验区内，隧道大量排水有可能引起地下水流失，改变该地区的水环境，因此隧道防排水采取“以堵为主，限量排放”的对策，尽可能避免隧道建设对周边水环境的影响。

根据现场开挖地下水情况，对墙背环向排水管进行加密，将原设计方案10 m一道优化为3～5 m一道。

注浆堵水后，若水量无减小趋势，根据地下水涌水量进行排水方案调整。对原设计隧道排水能力进行复核，隧道左右幅纵坡均为2.3%，隧道两侧边沟最大日排水量为84 526 m3/d，计算分析可知隧道边沟排水能力能够满足。考虑隧道穿越断层破碎带地下水赋存情况的不确定性，当边沟最大排水量不能满足隧道涌水量时，补充矩形中心排水沟备用方案，排水沟尺寸暂按60 cm×60 cm（最大日排水量为124 096 m3/d）设计。若遇地下水极大的情况，则根据实际地下水涌水量对中心排水沟尺寸进行动态调整。

鉴于隧道前方围岩破碎、地下水丰富、地质条件复杂等情况，隧道施工过程中易发生塌方、突水、变形等灾害，为保证隧道安全，施工时保证开挖短进尺、弱爆破，少扰动、及时成环。同时考虑现场施工各工法转换及施工便捷，补充CD法用于富水断层破碎带。

此外，富水断层破碎带段若按原设计超前支护施工，隧道成拱困难。故为确保隧道施工安全，对原设计超前支护进行加强，补充自进式中管棚和超前小导管组合的双层超前支护，如图4所示。最终，上述的动态优化设计施工措施在隧道施工现场均取得了良好的效果，保证了隧道的安全顺利掘进与顺利贯通。

图4 中屯2号隧双层超前支护设计

4 结语

1）采用综合地质勘探结合施工现场涌突水情况，确定中屯2号隧道地下水分布情况，同时给出富水区域超前预报方案，分析得出反坡排水、涌水量大等难点，以及由此引发的一系列施工风险。

2）结合中屯2号地质特点以及地下水分布状况，提出符合软弱富水围岩的CD法径向注浆方案，数值模拟结果显示，该方案安全可行。

3）中屯2号隧道在断层破碎带涌突水情况下，加强了地质勘查，扩大了地质勘探范围，综合调整地质预报技术、超前加固技术、防排水技术以及富水围岩施工技术，形成一套完整的高速公路隧道穿越富水断层等不良地质地段时的信息化动态反馈机制，可为类似穿越富水断层破碎带区域隧道工程提供参考。