渝昆高铁某隧道洞口段穿越破碎带安全施工技术案例分析

刘渺

摘 要：【目的】隧道施工在穿越破碎带过程中容易出现大变形，影响结构安全。【方法】针对在建渝昆高铁华山松隧道项目的地质特征，通过现场监控测量及类似工程案例分析，采用“地质调查法+物探（TSP）+超前钻探”等综合超前探测手段，确定“中管棚+小导管”双层超前加固，拱架型号提高、大直径锁脚及短进尺开挖等施工控制手段。【结果】结果表明：隧道拱顶最大变形量仅为20 mm，有效地控制了大变形风险。【结论】本研究可为类似工程安全施工提供借鉴与参考。

关键词：隧道；穿越；断层破碎带；安全施工

中图分类号：U452.28     文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2023）09-0084-04

Abstract：[Purposes] The tunnel is prone to large deformation in the process of crossing the fracture zone， which affects the safety of the structure. [Methods] According to the geological characteristics of Huashansong tunnel project of Chongqing-Kunming high-speed railway under construction， through on-site monitoring and measurement and analysis of similar engineering cases， comprehensive advanced detection methods such as "geological survey method+geophysical prospecting （TSP）+ advanced drilling" are adopted， and construction control measures such as "middle pipe shed+small pipe" double-layer advanced reinforcement， arch model improvement， large-diameter locking foot and short footage excavation are determined.[Findings] The results show that the maximum deformation of tunnel vault is only 20 mm， which effectively controls the risk of large deformation.[Conclusions] This study can provide reference for the safe construction of similar projects.

Keywords：tunnel; crossing; fault fracture zone; safety construction

0 引言

随着我国交通事业的快速发展，隧道工程作为交通线中最重要的组成部分，也呈现跨越式增长。地下工程前方围岩性质的不确定性导致隧道施工过程风险较高，尤其是在隧道穿越不良地质段落时，这种安全风险愈发突出。目前，已有诸多专家学者针对隧道穿越断层破碎带开展研究。赵建国［1］依托某工程对隧道穿过浅埋破碎带进行研究，提出隧道超前探测、地表加固、隧道开挖施工及隧道支护等优化调整的综合施工技术。王东剑［2］结合桥上隧道穿越断层破碎带的工程背景，进行超前小导管加固措施参数研究。肖景红等［3］研究了岗岭小净距隧道穿越破碎带时围岩稳定情况。部分学者［4-9］对隧道穿越破碎带时支护结构及围岩变形、受力进行了详细的研究。然而上述研究大多针对隧道洞身段穿越破碎带进行研究，鲜有针对洞口穿越破碎带进行研究的，而洞口段有破碎带时，大变形、塌方及突水突泥风险更高。基于此，笔者以在建渝昆高铁华山松隧道为工程背景，开展隧道洞口段穿越断层破碎带施工技术研究。

1 工程概况

华山松隧道进口工区位于云南省会泽县上村乡境内，起讫里程DK568+780～DK572+115，全长3 335 m，进口段地表为深切河谷地形，地表自然坡度28°～32°，地面高程埋深5～265 m。进口段洞身主要岩性为第四系全新统坡残积层（Q4dl+el） 粉质黏土、细角砾土、块石土，滑坡堆积层（Q4del）粉质黏土，下伏侏罗系上下禄丰组（J2l-J2l）泥岩、砂岩，二叠系玄武岩（P2β），强～弱风化。在进口DK569+040～DK569+090區域为老那轰断层，线路与断层呈45°交角。该断层破碎带岩体破碎，稳定性较差，中等富水，开挖时易发生塌方、突水突泥风险。

设计该段落采用三台阶加临时仰拱法施工，设[Φ]42 mm超前小导管，环向间距0.4 m，每环50根，纵向间距3 m，单根长4.5 m；I22a型钢钢架支护，全环设置，纵向间距0.6 m，钻爆法开挖。

2 现场施工情况

2022年7月13日，华山松隧道进口上台阶开挖至DK568+975时，揭示掌子面围岩为强风化玄武岩夹全风化玄武岩，节理裂隙极发育，岩体极破碎，呈碎石角砾状松散结构，后续中台阶左、右侧分别施工至DK568+960、DK568+965，下台阶左、右侧分别施工至DK568+951、DK568+955。DK568+952拱顶监测点沉降速率最大为19.8 mm/d；DK568+962拱顶监测点沉降速率最大为15.7 mm/d；DK568+967拱顶监测点沉降速率最大为19.3 mm/d；DK568+972拱顶监测点沉降速率最大为17 mm/d，测点累积最大变形达170 mm，其测点整体变形曲线如图1所示，在隧道左右边墙部位均出现初支面开裂的情况，如图2所示。

通过TSP探测得围岩强度与掌子面位置基本一致，其中DK568+984～+995段节理密集带发育，岩体极破碎，发育裂隙水，表现为渗水。结合超前地质预报结果及现场围岩实际揭示情况，可以判断进口段已提前进入F1老那轰断层破碎带，需要采取相关施工措施保证现场施工安全。

3 施工应对措施

3.1 加强超前地质预报

采用“地质调查法+物探（TSP）+超前钻探法”的超前综合地质预报手段，为现场施工提供精准可靠的地质信息，指导现场施工。

由于该段超前地质预报物探异常，实际揭示地质变化频繁，掌子面出水位置也在不断变化，施工中将超前水平钻孔由原设计“1孔”调整为“5孔”，即在拱顶，两侧拱腰、两侧边墙脚各设1处，共计5组钻孔，孔深6 m，通过依靠钻进速度的变化以及地下水涌水状况、水压、水量、颜色、水质等参数预测前方围岩、地下水的变化，超前地质预报如图3所示。

3.2 超前帷幕注浆加固

由于该段落断层破碎带富水，为避免出现突水突泥，采用超前帷幕注浆方式对开挖轮廓线外5 m范围内进行注浆加固，具体如图4所示。钻孔孔径为[Φ]108 mm，浆液采用普通水泥，封孔或突涌水时则采用水泥水玻璃双液浆。

注浆顺序整体按先外圈后内圈，同一圈孔间隔施工的原则进行。每一循环设5环注浆孔，注浆长度30 m，开挖25 m，保留不小于5 m的止浆岩盘厚度，其中第一循环注浆应提前做好止浆墙，以保证注浆效果和施工安全。注浆完成后，钻取检查孔进行验证，检查孔数应满足总钻孔数的3%～5%，且不得少于3孔，每孔长25 m，均取芯采样，用于校验单孔出水情况、岩体注浆的饱满程度，注浆盲区应进行补注浆，以保证整体加固效果。

3.3 超前支护加强

采用“[Φ]76 mm中管棚+[Φ]42 mm超前小导管”双层支护体系对掌子面前方围岩进行加固。其中[Φ]76中管棚采用管棚钻机打设，间距40 cm，外插角8°～10°，每环50根，单根长度9 m，搭接3 m，纵向间距6 m，钢管采用热轧无缝钢管制成，管壁钻注浆孔，孔径8～10 mm，孔间距10～20 cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于200 cm，作为不钻孔的止浆段；[Φ]42 mm超前小导管采用YT-28风枪钻孔，环向间距0.4 m，与中管棚穿插布置，每环50根，纵向间距3.2 m，外插角1°～3°，注浆材料采用纯水泥浆，水灰比0.5∶1～0.8∶1。当围岩破碎时，为调凝需要，可部分采用水泥-水玻璃双液浆，要求浆液强度等级不小于M10。

3.4 支护参数加强

钢架类型由I20b调整为I22a型钢，间距由0.8 m调整为0.6 m；锁脚锚管由[Φ]42 mm锁脚锚管变为[Φ]76 mm锁脚锚管，长度保持不变。

3.5 隧道开挖

隧道开挖严格按开挖一榀支护一榀的方式进行，其中中台阶临时仰拱不小于4道，中下台阶左右间隔3 m，仰拱初支及时跟进封闭，其距离掌子面距离不得大于20 m，具体如图6所示。

主要开挖过程：在上一循环的超前支护下，开挖①部（上台阶）—施作①部（上台阶）周边的初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架并设置锁脚锚管，复喷混凝土至设计厚度，钻设径向锚杆；挖②-1部（中台阶左侧）—施作②-1部（中台阶左侧）初期支护，具体做法为初喷混凝土，钻设径向锚杆，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚管），施作中台阶左侧半幅临时仰拱，具体做法为架设临时横撑（每1榀初支钢架设一处），铺设钢筋网，喷混凝土封闭临时仰拱；同②-1部（中台阶左侧）施工工序，开挖及支护②-2部（中台阶右侧）；施作中台阶右侧半幅临时仰拱，具体做法为架设临时横撑A（每2榀初支钢架设一处），与中台阶左侧半幅拼装闭合成环，铺设钢筋网，并喷混凝土封闭临时仰拱；开挖③-1部（下台阶左侧）-施作③-1部（下台阶左侧）边墙初期支护，即初喷混凝土，钻设径向锚杆，铺钢筋网，架立钢架（设锁脚锚管），复喷混凝土至设计厚度；同③-1部（下台阶左侧）施工工序，开挖及支护③-2部（下台阶右侧）；开挖④部-施作④部仰拱初期支护，即初喷混凝土，铺钢筋网，架设钢架，复喷混凝土至设计厚度。

3.6 监控量测

三台阶法是在施工地段每个量测断面处设置一个拱顶下沉测点，六个水平净空收敛测点，监测点量测频率均按2次/d进行，监控量测测线布置如图6所示。

目前，华山松隧道进口段已开挖至DK569+000处，监控量测结果如图7所示，可以看出，未采用相关加固方案时，各个拱顶测点变形速率及累积变形量都比较大，在一个月累积沉降量达到170 mm；采用加固方案处理后，掌子面后方测点977、982、987及992的累积沉降曲线变化相对较缓，测点沉降速率最大为3.3 mm，各测点一个月累积最大沉降为23 mm，并且已趋向于稳定，变形控制效果明显。

4 结语

针对隧道洞口段穿越断层破碎带进行研究，提出在穿越断层破碎带时采用“地质调查法+物探（TSP）+超前钻探法”的综合超前探测手段，“中管棚+小导管”双层加固措施，拱架型号提高、大直径锁脚及短进尺开挖等施工控制技术，隧道变形控制效果明显，可以有效控制洞口段穿越断层破碎带时的大变形风险，可为今后类似工程安全施工提供参考。

参考文献：

［1］赵建国.隧道穿过浅埋破碎帶施工技术［J］.山西建筑，2022，48（16）：154-155，159.

［2］王东剑.隧道穿越断层带围岩超前小导管预加固措施参数研究［J］.公路，2022，67（6）：395-400.

［3］肖景红，王敏，冷先伦，等.岗岭隧道穿越破碎带的衬砌结构性能研究［J］.公路，2022，67（3）：336-342.

［4］梅志远，胡哲钏，李建军，等.矿山法隧道穿越断层及破碎带支护结构研究［J］.铁道建筑技术，2021（10）：159-163.

［5］刘洋，赖孝辉，李永林，等.穿越断层破碎带隧道支护结构受力特性分析［J］.路基工程，2021（3）：235-240.

［6］王涵，高永涛，李建旺.隧道穿越断层破碎带施工方案及力学效应研究［J］.公路，2021，66（2）：316-323.

［7］胡海波.深埋隧道穿越富水破碎带施工技术及围岩稳定性研究［J］.施工技术，2020，49（24）：83-86.

［8］索超峰.隧道穿越断层破碎带超前支护力学效应分析［J］.建筑技术开发，2020，47（20）：85-86.

［9］吴金刚，陈建芹，马杰，等.富水断层破碎带大断面隧道设计与快速施工［J］.隧道建设（中英文），2022，42（S1）：353-359.