某高速深埋隧道断层构造带围岩变形破坏分析与防控

2022-08-03杨晓芳李玉倩吴金刚

公路交通科技 2022年6期

杨晓芳,李玉倩,吴金刚

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2.北京市地质矿产勘查开发总公司，北京 100055； 3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引言

自2000年以来，我国进入了山区铁路、公路等线路交通工程建设的高峰期，大量山岭隧道得以建设并投入运营。在这些隧道的建设过程中，多遇断层构造，尤其是长大深埋的隧道在穿越长段落断层构造带时多引致围岩大变形、塌方、涌水突泥等变形破坏现象的发生。针对此类隧道施工地质问题及相关防控措施，很多技术工作人员和专家学者进行了研究与总结[1-8]。

以往的研究工作多以单线、双线铁路隧道或较规则断面公路隧道为研究对象，与大断面、扁平化公路隧道的变形破坏特征有所偏差。另外，以往的研究工作多局限于具体断层构造带地质条件下的隧道围岩变形破坏现象分析及控制措施方面，很少从断层构造的宏观分带与施工过程中影响因素的动态演化进行普适性及规律性总结。

本研究对某高速公路隧道穿越断层构造带的围岩变形破坏案例分析，旨在总结扁平化、大断面、深埋隧道断层构造带围岩变形破坏的影响因素、变形特征、演化规律，在阐明防控措施的同时分析其时效性与适用性，以便为类似条件的隧道工程开挖与支护提供相关工程经验与技术借鉴。

1 工程概况

某高速公路是京津冀一体化路网格局的重要组成部分，全线最长的某山岭隧道是控制施工周期的关键性节点工程。采用分离式双线隧道，左、右线设计全长分别约5 751 m和5 880 m，建筑界限全宽14.25 m，路面以上净空高度5.0 m，断面为扁平的宽马蹄形，隧道内轮廓示意如图1所示。

图1 右侧隧道内轮廓示意(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of right tunnel inner contour (unit: cm)

该隧道全线穿越的地貌单元主要为中低山地貌单元与山间沟谷地貌单元更迭区，整体呈“四沟夹三山”的地形格局，沿线地表相对高差最大达500 m以上。通过勘察工作查明：沿线地层岩性主要为中生界火山岩及火山碎屑岩、燕山运动期侵入岩脉(体)与元古界白云岩等；沿线构造地质条件复杂，主要受区域断块构造控制，共查明特征明显的断裂构造32条。另外，侵入岩脉(体)发育，造成周边岩体的挤压破碎、节理产状错乱，并具有一定的富水性，通过物探查明沿线存在54处低阻异常区。

在施工过程中，该隧道多段出现坍塌、变形侵限等施工地质问题，尤其在该隧道埋深最大的左洞里程ZK31+380～ZK31+600段，开挖揭示了多条小断层迭加构成的构造复合带，带内软弱破碎岩体多次发生涌水突泥、变形侵限、坍塌、围岩大变形等，以下做具体分析。

2 典型区段工程地质条件

根据采用TRT技术[9]获得的典型段落超前地质预报结果(如图2所示)，段内岩体的地震波反射界面明显，与周围背景值有明显差异，呈现一定规律性的杂乱无序，富水软弱区域沿隧道呈条带状贯通分布，判定隧道左洞桩号ZK31+380大里程区段围岩完整性差，软弱富水，开挖稳定性差。

图2 典型段落TRT超前地质预报结果(侧视图)Fig.2 Result of TRT advanced geological prediction in typical sections (side view)

经参建各方会商，确定对应里程段的隧道围岩按Ⅴ级围岩进行开挖支护，并应加强施工过程中的地质配合与追踪，根据围岩变化动态调整开挖支护方案。后经地质追踪查证，该里程段内岩体共交错发育5条特征明显的断层，每条断层的破碎带宽约3～8 m，断层复合影响的范围较大，导致复合带内的岩体软弱破碎，除构造面发育碎粉化、糜棱化现象及夹泥外，多镶嵌硬质构造透镜体，并赋存构造裂隙水。该区段内隧道沿线发育断层的空间分布情况如图3所示，各断层的发育状态与开挖揭示情况如表1所示。依据相关规范[10-13]，该断层构造复合带内的岩体呈Ⅲ级～Ⅴ级围岩间续带状分布，分布规律与单一断层构造或多断层复合控制影响的剧烈程度具有较明显的对应性。

图3 典型区段断层构造空间分布Fig.3 Spatial distribution of fault structure in typical section

表1 ZK31+380～ZK31+600段断层构造分布Tab.1 Distribution of fault structure in ZK31+380～ZK31+600 section

3 围岩变形现象

3.1 涌水突泥

(1)里程ZK31+390～ZK31+400段

隧道采用“三台阶法”[14]开挖。当上台阶开挖至里程ZK31+390处时，左拱脚部位出现股状流水，水流稍显浑浊，并随水流存在松散岩体滑落、垮塌现象；当上台阶开挖至ZK31+396处时，左拱脚处出现大量涌水，并携带碎屑物，碎屑物的总涌出量约20 m3，边墙围岩出现坍塌，并逐渐向两侧发展。伴随注浆加固处理，水流逐渐清澈，经现场量测估算涌水量1 500～2 000 m3/d。

(2)里程ZK31+590～ZK31+595段

至里程ZK31+431，隧道转为CRD法[14]开挖。当上导洞开挖至里程ZK31+590处时，掌子面拱顶及左拱肩发生涌流式坍塌，伴随涌流状出水的同时，大量碎屑涌出及破碎岩体坍塌，造成掌子面前方洞顶及初支结构内侧出现大范围空腔。经估算，碎屑物总涌出量近150 m3，涌水量最大时达到了2 000 m3/d。

上述段落的涌水突泥还造成了一定范围隧道拱顶及拱肩部位的围岩坍塌，并连带初支结构及周圈岩体产生收敛变形，使得初支结构严重扭曲和侵限。

3.2 围岩大变形

该隧道左洞里程ZK31+361～ZK31+431段的初支结构与围岩，在原Ⅴ级支护参数的基础上增设拱部120°范围T76超前管棚支护[14]与利用管棚钢管进行超前排水的前提下，仍产生了大变形。其中，里程ZK31+385处产生拱顶下沉784 mm、周边位移631 mm的大变形，严重侵入二衬界限，具体情况如图4所示。

图4 变形监测历史曲线Fig.4 Historical curves of deformation monitoring

4 围岩变形特征与影响因素分析

4.1 变形特征分析

(1)拱顶下沉较周边位移更为突出

从图4可以看出，该隧道拱顶下沉变形较洞周位移变形更为突出。首先，从开挖断面的形态与尺寸来看，该隧道断面形状趋于扁平化，小扁平率的隧道断面不利于围岩应力的协调均匀释放，在应力重分布[15-16]的过程中容易出现应力集中的现象，拱顶部位围岩产生拉应力的集中，拱腰部位围岩产生压应力的集中。其次，扁平的宽马蹄形结构形式易造成施工组织脱节，不利于支护结构对软弱围岩的承载与内部结构力的传递，拱顶部位的支顶作用难以及时有效发挥，加剧了拱顶下沉变形的发生。

(2)变形速度快，稳定时间长

变形速率及变化较快，上台阶开挖后1周内变形速率基本达到峰值出现拐点；中台阶开挖时仍存在20～30 mm/d的变形，初支结构施作后才能基本控制在3～10 mm/d；下台阶及仰拱施作后，还存在2～5 mm周边位移变形。根据历史曲线，在开挖后40 d左右变形方才达到基本稳定的状态。

(3)“双峰型”间断累进式变形

里程ZK31+385处的代表断面拱顶下沉变形监测历史曲线呈“双峰型”特征。通过对围岩状态及伴生现象的查证与分析，推断“双峰型”间断累进式拱顶下沉变形的演变过程为：初始大速率变形是由隧道开挖引致原垂向与水平向高应力比的初始应力平衡状态改变和断层构造带软弱围岩难以承载造成的；当洞周松弛岩体蠕变逐渐与刚性初支结构达到共同承载时，下沉变形趋于短暂稳定；伴随上述整个从变形到稳定的过程，松动圈内岩体节理裂隙张开形成贯通的裂隙网络，改变了隧道影响范围内的地下水渗流场，引起地下水与带内软弱围岩发生水-岩作用，不断弱化围岩的承载能力，初步减缓稳定的下沉变形进一步加剧。

4.2 影响因素分析

通过以上变形现象与变形特征分析，可将控制断层构造复合带内软弱围岩变形破坏的主要因素归纳为构造分带性、应力状态变化、地下水作用、开挖支护参数等。

4.2.1 构造分带性

压性(压扭性)断裂构造带自断裂中心向两侧存在“断层磨砾岩带-糜棱岩带-粒化岩带-碎裂岩带”的分带现象[17]，而不同规模与性质断裂构造带的分带过渡现象有着不同的组合[17-18]。

根据对该隧道开挖揭示断层构造带围岩的地质追踪，结合笔者参与的多座山岭隧道工程综合判断，因断层构造引起的隧道围岩变形破坏主要发生在未重结晶岩化的断层构造带内。隧道围岩的状态从“两侧断层影响带边缘至断层破碎带中心”存在明显的从“正常围岩-碎裂化-角(磨)砾化-糜棱化-断层泥”的分带过渡，围岩的岩体完整性、坚硬程度与节理发育等工程性质存在由好至差、由硬变软、由疏到密的变化趋势，围岩分级出现由高到低的降级变化。总之，断层构造带内岩体的结构类型、物理力学性质和水理性质等工程特性与正常围岩存在明显的差异。

结合该隧道典型区段的变形监测数据综合分析，断层构造带岩体的稳定状态与变形情况随构造分带的由外而内变化呈负相关。另外，不同性质的断层构造带、断层与隧道之间不同的空间关系都将会引致隧道在穿越断层的不同部位时产生不同程度与类型的变形破坏。

4.2.2 应力状态变化

深埋山岭隧道作为敷设于深部岩体中的结构，拟开挖的岩体在地质演变过程中经历了多期次应力场作用，变形能[16]以弹塑性变形的形式储存在隧道洞周岩体内。一旦开挖，变形能将以弹塑性变形向临空面释放；另一方面，开挖岩体应力状态由三维转为二维甚至一维，在应力状态的改变过程中，隧道围岩及初支结构发生方向性明显的变形及破坏。尤其是深埋的以断层泥、糜棱岩、碎粉岩及断层角砾等为主的断层构造带软弱破碎岩体，强度低，基本处于极高初始应力状态[12]，作为隧道围岩，一经开挖变形能向临空区释放，产生塑性挤压与流动变形。

4.2.3 地下水作用

地下水对隧道围岩的作用可分为物理化学作用和力学作用2部分。当在含水破碎岩体内掘进时，首先，围岩受到地下水的静水压力作用，尤其爆破振动荷载引致瞬间超空(孔)隙水压力的产生，加剧应力重分布中释放应力对围岩的作用；其次，地下水渗流对围岩产生动水压力，并带走细小颗粒，降低围岩结构的稳定性，使支护难度增加；再次，应力释放造成节理裂隙张开，形成新的地下水渗流途径，使带内岩土体中的泥质物浸泡膨胀，溶散软化，降低岩体强度，增加围岩压力。总之，地下水作用加剧了断层构造带隧道围岩的变形与破坏。

4.2.4 开挖支护参数

断层构造带的隧道围岩变形产生除受上述地质因素的控制外，往往还与开挖支护参数有着直接关系。开挖支护参数偏弱或因施工野蛮无序、脱节造成开挖支护参数与之不匹配，导致围岩与支护结构难以承载，引致变形破坏的产生与加剧。

5 控制与处理技术措施

通过上述分析，断层构造带引起隧道围岩变形破坏的原因有多方面，最主要原因就是构造带岩体自身的软弱破碎。软弱破碎导致隧道开挖在岩体中形成的松动圈层范围扩大，加大了初支结构背面的侧压力，最终引致初支结构产生过大变形或破坏。

为抑制该隧道断层构造带软弱破碎围岩已开挖段落变形破坏的加剧，预防未开挖段落围岩在开挖后继续产生过大变形，经参建各方会商，并咨询业内专家，设计与施工单位对已开挖变形段落和未开挖段落采取了控制与预防处理。

5.1 已开挖变形段落的控制措施

5.1.1 径向注浆

径向注浆[14]是通过向初支结构背后破碎围岩内压注水泥浆来固结围岩，使破碎围岩形成整体，减小对初支结构侧压力的控制措施，往往是在围岩变形超过设定警戒值而小于极限值或预留变形值的前提下采用的。注浆时，应根据围岩性状及地下水涌渗状态确定注浆加固的厚度、浆液类型与配比，必要时可掺加速凝剂以控制凝结时间，采用其他辅助措施配合进行径向注浆试验。

根据现场注浆试验和涌水量及变形控制效果，该隧道最终控制涌渗水的注浆采用的是C30水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1的双液浆，控制变形的注浆采用的是C30水泥浆水灰比为0.8∶1的单液浆，现场径向注浆的情况如图5所示。通过注浆，该段落发生的涌水突泥与围岩持续变形现象得以很好的控制。

图5 径向注浆Fig.5 Radial grouting

5.1.2 刚性支顶

在围岩变形已超过设定警戒值并采用径向注浆补强加固后仍未稳定，且变形量已基本达到设计预留变形量的极限，但尚未造成初支结构开裂及侵限的情况下，为抑制变形继续发展，预防长段落大规模围岩与支护结构的塌落，并给二衬施作赢得时间，采用刚性支顶的措施。这种措施主要有横撑加固与竖撑支顶。刚性支顶的设置间距需根据初期支护钢架的间距进行调整，安装后应加强观测，如受力后有明显的弯曲现象，须及时补做加强措施，防止受力过大，刚性支撑结构遭到突然破坏。

对于扁平率较大的隧道断面，围岩变形往往表现为整体的周边位移变形；对于扁平率较小的隧道断面，拱顶下沉变形往往较两侧拱墙位移变形更为突出。考虑断面尺寸和对施工的影响，采用竖撑或竖撑与横撑联合施作抑制扁平化隧道断面的过大变形初支段落继续变形更为方便、有效。

在该隧道的大变形段落，横撑采用I25型钢结合分步开挖预留的台阶岩体与支架结构进行布设，并在拱部钢架连接部位增设φ609钢管竖撑支顶，上端采用工字钢或方木作为传力构件，下端坐于稳定的基岩或已达到强度要求的仰拱之上。在竖撑单独加固段落，采用横筋或斜筋焊接各受力钢管，以保证撑体受力的稳定，避免发生旋转。具体临时横撑与竖撑的施作如图6、图7所示。

图6 临时横向支撑Fig.6 Temporary lateral support

图7 临时竖向支撑Fig.7 Temporary vertical support

具体施作时，刚性支顶结构物可根据施工物材采用初支拱架中的高标准型钢或热轧无缝钢管等。横撑须撑在工字钢起拱位置的连接钢板部位，必要时可在起拱部位沿着隧道纵向设置工字钢，横撑直接顶在工字钢上。竖撑除需满足撑体自身的强度要求外，还需保证自身受力的稳定性。

5.1.3 套拱加固

对于易发生变形的Ⅳ～Ⅴ级围岩，为防止变形的发生，施工单位在隧道开挖时会结合自身工程经验，根据围岩状态和变形监测数据调整隧道开挖的预留变形量，在保证套拱施作后初支结构不会侵入二衬空间的前提下适时对超挖段落增设套拱结构，同时加强监控量测，做好及时的补强措施(例如径向注浆补强加固)，防止变形的进一步发展。

该隧道已变形段落的设计预留变形量为8～10 cm，而局部段落实际实施的预留变形量为20～40 cm，并施作了套拱支护，具体如图8所示。通过后续的监控量测，验证变形未得到很好的抑制，产生变形的套拱结构严重侵入衬砌空间，最终不得不等到变形稳定后结合二衬施作跳仓对初支结构进行拆换。

图8 套拱加固Fig.8 Arch reinforcement

5.2 未开挖段落的预防处理措施

非施工因素引致的隧道围岩变形破坏往往是由于对地质条件的认识不足、支护措施偏弱造成的。围岩变形破坏发生后，要根据现场围岩性状与地下水条件，结合变形监测数据，找出产生围岩变形破坏的原因，进而及时调整和补足尚未实施的开挖支护方案，预防在未开挖的隧道断层构造带软弱围岩段落再次发生较严重的围岩变形与破坏。

5.2.1 超前加固与支护

经历已初支段落的围岩变形破坏后，针对同等地质条件的未开挖围岩段落采取了适宜的超前加固与支护措施。超前加固与支护的作用：一是通过注浆与排(堵)水措施，减少开挖支护中的不利因素(例如结构碎散、地下水渗流等)影响，提高未开挖洞周破碎围岩的整体性和强度；二是通过增加辅助支护结构，提高围岩开挖后抵抗变形与破坏的能力。

在该隧道的开挖支护中，针对上述断层构造复合带内的软弱破碎岩体，除常规超前锚杆、小导管外，采用外径76 mm、壁厚15 mm、管长20～30 m的超前管棚注浆，相邻管棚间距40 cm，沿隧道轴线对称分布于拱顶约120°范围，具体施作情况如图9所示。T76超前管棚的施作较好地控制了该段落破碎围岩持续变形与拱顶坍塌破坏的发生。