断层破碎带不良地质隧道施工安全控制技术

孙国臣

摘要 断层等复杂地质环境给隧道的安全建设带来了严峻挑战。为此，通过研究提出了断层破碎带等不良地质隧道施工安全控制技术，以“超前预报、注浆加固、变形监测”全过程研究为核心思想，提出了不良地质综合预报技术，采用有限差分软件进行注浆加固数值分析，优化加固方案;在此基础上，对围岩压力和钢架应力以及围岩变形进行分析。相关方法与技术体系在隧道工程进行了成功应用，可为类似隧道工程安全建设提供借鉴与指导。

关键词 隧道;断层破碎带;综合预报;注浆加固;变形监测

中图分类号 U452.11 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0080-03

0 引言

隧道作为交通建设网络的控制性工程，迎来了快速建设期。截至2020年底，在建铁路隧道2 746座，规划铁路隧道6 354座，其中特长隧道更是多达134座[1]。然而，随着隧道建设向西部山区延伸，赋存的断层破碎带、岩溶等不良地质在施工扰动下极易造成塌方、突水等重大灾害，轻者导致工期延误、经济损失，严重制约隧道建设的质量和成败。因此，对隧道沿线断层破碎带等灾害源科学有效控制，是保障隧道建设安全面临的关键共性问题[2-5]。

针对隧道穿越断层破碎带安全控制，诸多学者研究并取得了阶段性进展[6-7]：如曹胜根等[8]采用顶板注浆加固技术预防断层破碎带顶板的跨落;翁贤杰[9]研究隧道断层突水突泥机理，建立了隧道断层突水突泥注浆治理技术体系;张健儒[10]研究了隧道注浆堵水的方式优化选取方法;杜志龙等[11]运用化学注浆新技术对断层破碎带进行注浆加固处理;陶文斌等[12]研究“预注浆+超前支护+架棚+二次注浆”全断面一次通过断层破碎带支护技术;Chen等[13]采用超前预报技术对断层破碎区进行准确探测，并实现加固质量检验。综上，现有隧道穿越断层破碎带的安全控制多聚焦于注浆处理，缺乏对不良地质超前预报、围岩变形监测的系统性结合，亟待建立不良地质“超前预报、注浆加固、监测检验”全过程的安全控制技术方法，为隧道穿越断层破碎带等提供有力支撑。

在充分技术调研和现场实践的基础上，提出了基于“超前预报、注浆加固、变形监测”的三阶段安全控制方法与技术。

1 隧道穿越断层破碎带灾害安全控制方法

1.1 断层破碎带等综合超前预报

断层破碎带、岩溶等不良地质是铁路隧道施工面临的重大风险源，如何有效探明其分布位置及含水性是关键环节。目前，国内外超前地质预报方法主要可分为两大类[14]：地质分析法和地球物理方法。其中，地质分析法有超前导洞、超前钻探、经验分析法等;地球物理方法包括隧道地震波法（SAP法、TSP法、TRT法等）、电磁波法（瞬变电磁法、地质雷达法等）、电法（激发极化法等）。不同的预报方法各有特点，如何优选和科学组合，实现不良地质体的准确性探测解译，是隧道工程安全建设需要解决的首要问题。

针对隧道前方断层破碎带等不良地质准确探测的需求，提出了地震波法远距离识别断层、地质雷达近距离精细刻画边界、超前钻探揭露含水特征相结合的综合预报方法，对不良地质位置、规模、形态、含水性等进行比对分析和综合解译，提升探测准确性（图1）。

（1）隧道地震波法远距离识别。在隧道空腔中利用锤击或炸药等激发地震波并在岩体内传播，当遇到断层破碎带发生反射并被边墙检波器阵列采集;通过数据处理与分析，实现前方不良地质体的较准确成像，探测距离约为100～150 m。

（2）隧道地质雷达法精细刻画。在地震法判断的风险区开展地质雷达的近距离精细探测，利用发射天线向岩体内部发射电磁波，遇到界面发生反射并被天线接收;通过分析电磁波的走时、幅值和波形，可对断层含水带、破碎带等较好识别，探距约为30 m。

（3）隧道超前水平鉆探验证。在地球物理探测结果的基础上，针对重大高风险区段，进一步施作超前钻孔进行地质特征的精准、直观揭示，对超前预报结果进行进一步确认。

1.2 基于有限差分模拟的注浆加固方案优化

复杂地质条件下断层破碎带隐蔽，稳定性差，需提前加固处治，以保障隧道安全。结合地质超前预报结果，利用有限差分数值分析方法对注浆目标地质进行三维建模并进行数值模拟及注浆参数设计。计算采用弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则，模型边界取四倍洞径，隧道底部约束竖向位移，四周约束水平位移等。重点研究注浆圈厚度和注浆范围与岩体沉降之间的控制关系;进而为注浆范围、注浆孔位布置、注浆参数设计、注浆量等提供理论依据和指导。

研究中计算采取围岩及支护等力学参数如表1所示，同时分析中取无支护时应力释放率为30%，初期支护承担70%的围岩应力释放。注浆后弹性模量提高30%，密度提高10%，摩擦角提高30%，黏聚力提高50%。

1.3 围岩变形监控量测与安全评估

监控量测是通过对围岩支护应力、应变等数据进行长周期监测的方式，及时获取隧道结构各部分的实际特征，通过分析围岩形状变化、变形地段对周边岩体的影响以及支护结构的受力情况，指导工程实施，保障隧道建设安全。监控量测应根据预报断层破碎带分布以及加固注浆进行设计，并依据风险等级加密。重点分析监测点位置、控制性指标、测点位置，根据监测数据实时分析围岩变形特征，一旦发现监测数值超出灾变临界指标，则立即预警。

针对隧道断层破碎带区段穿越安全评估重点开展洞内支护结构受力和变形情况监测，具体监控量测指标如下：①初支与围岩之间接触压力;②钢架内力;③周边收敛;④拱顶沉降。如埋设的测点在测试期间遭到破坏，恢复以后按新埋测点要求采集读数。量测过程中若遇围岩变形速率较快时，量测频率应在表中的基础上加密。当测试结果已完全稳定之后，可结束测试。现场试验段监测汇总如表2所示，现场监测频率如表3所示。

2 现场实验

2.1 断层等不良地质超前预报

综合超前预报在某公路隧道进行了试验与验证，在地质分析的基础上，采用主动源地震波法探明了隧道前方的强反射分布区域。在隧道掌子面前方42 m左右开始出现多次正负反射，存在异常。为进一步明确反射界面的形态特征，在隧道施工至38 m处进行地质雷达超前地质预报，探测结果显示，在当前隧道前方4～5 m处存在两条强反射，结合地质资料，推断存在两个强反射界面，开挖揭露显示为与隧道大角度相交的倾斜小断层。由此，验证了利用地震波法远距离判断异常区、地质雷达法精细刻画异常体及边界形态的可行性。该方法为注浆加固研究与治理提供了重要依据。

2.2 注浆加固方案参数优化

采用有限差分法进行注浆模拟数值计算，断层破碎带注浆加固效果模拟计算结果云图如图2所示，对不同注浆情况（注浆厚度、注浆范围等）下的隧道拱顶沉降、水平收敛和仰拱隆起规律总结如下：

（1）随着注浆圈厚度的增大，拱顶沉降、水平收敛和仰拱隆起的变形逐渐减小。当注浆厚度由40 cm递增至90 cm时，拱顶沉降值分别为169 mm、158 mm、152 mm、148 mm、144 mm、142 mm;水平收敛值分别为85 mm、79 mm、75 mm、72 mm、70 mm、68 mm;仰拱隆起变形值分别为138 mm、130 mm、125 mm、122 mm、119 mm、117 mm。

（2）随着注浆圈范围的增大，拱顶沉降、水平收敛和仰拱隆起的变形也呈现逐渐减小特征。当注浆范围由140˚增加至240˚时，拱顶沉降值分别为166 mm、

159 mm、152 mm、149 mm、147 mm、146 mm。水平收敛值分别为85 mm、79 mm、75 mm、72 mm、70 mm、

69 mm。仰拱隆起值分别为138 mm、132 mm、125 mm、120 mm、118 mm、116 mm。

依据铁路隧道监控量测技术相关技术标准，该隧道处于V类围岩环境中，其拱顶沉降需控制在150 mm以内、水平收敛控制在80 mm以内。综合考虑施工成本，对注浆参数进行优化选取：选取注浆厚度为70 cm、注浆范围为200°。

2.3 围岩变形监控量测分析

采用钢筋应力计进行钢架内外侧的应力量测，隧道每个断面布设6个测位，每个测位内外2个测点;围岩与喷射混凝土之间的压力盒在喷混凝土施工前埋设，埋设时，压力盒承压面紧贴围岩面和喷射混凝土面;在三个测点进行拱顶沉降和水平收敛监测断面布置。

隧道围岩压力和钢架应力在50 d时能够保持基本不变，依托工程采取的支护措施在断层破碎带有效。其中隧道拱脚钢架内侧的应力最大，拱顶外侧次之，左侧拱腰应力最小。对于围岩压力则表现为隧道拱顶围岩压力最大，为146.9 kPa，而其他位置的压力大小接近且明显小于拱顶位置。隧道围岩变形在30 d内能够基本保持稳定，其中拱顶的最大沉降为140.71 mm，水平收敛的最大值为72.63 mm。综上可知，该方法为隧道安全支护体系安全提供了有效的技术支撑，具有较好的实用性。

3 结语

针对隧道穿越断层破碎带等高风险地层的安全控制方法与技术进行了研究，提出了“超前预报、注浆加固、变形监测”等相结合的技术体系。具体创新与特色如下：

（1）针对前方断层破碎带等不良地质准确探测难题，形成了基于地震波法远距离识别、地质雷达法近距离刻画和超前钻探直观揭露相結合的高风险不良地质综合探测方法，实现了目标地质位置、规模、形态、含水性等特征的综合获取，为断层等超前处治提供地质基础。

（2）基于实际隧道地质工况，采用有限差分方法进行隧道围岩加固数值模拟研究，揭示了围岩变形与注浆类型之间的相互关系，为实际工程破碎带加固处治参数选取提供了科学指导。

（3）开展重点段落监控量测分析，实现了破碎加固区的围岩变形实时感知，有效评估隧道结构安全，支撑隧道的高质量建设。

在依托隧道工程开展测试与验证，证明了研究所提出的方法与技术体系在实际工程中有较好的实用性和可行性。

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