复杂条件下大断面隧道施工关键技术研究

霍锦峰

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州）

引言

在某山岭隧道工程中，采用钻爆法施工具有优势，但在地质条件复杂条件下，采用钻爆法施工引起的隧道超前挖现象非常普遍，特别是对于受构造作用围岩等级低条件下，自然状态下的围岩被地应力扭剪、受结构面切割破碎，隧道爆破和开挖不当甚至会引发围岩坍塌，地下水发育时，容易引发水力通道连通，导致突水涌泥[1-2]。为研究机理裂隙发育和围岩破碎条件下大断面隧道的爆破与开挖问题，本文尝试依托实际工程，采用超前全断面帷幕注浆的措施对富水断层破碎带进行止水和加固，并给出了相应的爆破施工参数，研究成果可为复杂地质条件大断面隧道的安全快速施工提供参考。

1 工程概况

某省高速公路隧道为特长分离式隧道，横穿山体，山体总体呈东西走向，隧道全长12.130 km（左洞）/11.996 km（右洞）。隧道进出口的高程分别为770.2 m、900.2 m，洞身最大埋深约212.6 m。左线隧道起讫里程桩号为ZK75+660～ZK87+790，右线隧道起讫里程桩号为YK75+790～YK87+786。

隧址区位于剥蚀构造丘陵地区左线隧道III 级围岩长度为4 977.5 m，占左线长度比例为41.03%，IV级围岩长度为4 675 m，占左线长度比例为38.54%，V 级围岩长度为2 477.5 m，占左线长度比例为20.42%；右线隧道III 级围岩长度为4 941.7 m，占右线长度比例为41.19%，IV 级围岩长度为4 675 m，占右线长度比例为38.97%，V 级围岩长度为2 379.3 m，占右线长度比例为19.83%。

线路存在2 条对隧道影响较大的断层破碎带，分别为F6 断层破碎带和F7 断层破碎带。F6 断层破碎带的宽度约为455 m，与隧道轴线以大角度相交，交角约75°；F7 断层破碎带的宽度约为125 m，围岩等级为Ⅴ和Ⅳ级。

2 复杂条件下隧道施工重难点分析

2.1 断层破碎带掘进施工重难点分析

根据区域资料和工程地质调绘、物探资料，线路存在2 条对隧道影响较大的断层破碎带，分别为F6断层破碎带和F7 断层破碎带。F6 断层破碎带的宽度约为455 m，与隧道轴线以大角度相交，交角约75°，围岩完整性较差，围岩等级为Ⅴ和Ⅳ级。F7 断层破碎带的宽度约为125 m，围岩等级为Ⅴ和Ⅳ级。经过现场调研，2 条断层破碎带的围岩受断裂影响，岩体破碎，岩块饱和单轴抗压强度Rc=30 MPa，[BQ]计算值为225；由于围岩较差，不能进行大进尺爆破，只能进行小进尺爆破，且施工过程中，如果没有及时采取支护措施，断层破碎带极易在爆破振动和开挖卸载的扰动效应下，产生侧壁围岩挤出、掌子面垮塌和拱顶塌方冒顶等问题，给隧道开挖及事故处置带来极大的困难。

2.2 隧道突涌水、突泥条件下掘进施工重难点分析

根据地质调查资料显示，隧道主要不良地质是涌水、大变形以及断层破碎带等，这些围岩段落施工时，由于隧道采用的是钻爆法施工，围岩破碎带和断层构造接触带等在爆破作用下引发松动和岩体力学性质劣化，产生不可避免的损伤，在断层夹层中充填的黏土、砂砾，在连通水体后被携带和突发性地涌出，进而引发隧道内的突水涌泥灾害，严重地造成机械设备掩埋和人员伤亡；在雨季和冬季冰雪融化季节施工时呈淋雨状或涌流状出水，全线隧道的富水程度等级为中等富水～强富水，富水程度为强富水段的洞身长度达到1 480 m，这些地下水如果在水源供给充足，或者连通地表水体的情况下，高压水体极易冲破土压力和支护结构，因此在隧道施工过程中，需要探明地下水的发育程度，圈定其发育范围，并采取注浆止水等措施进行地下水的控制和防范，这也是隧洞施工的难点之一[3]。

2.3 软岩大变形段的掘进施工重难点分析

F6 断层破碎带和F7 断层破碎带在构造应力的作用下，围岩的破碎，断层接触带受挤压和剪切应力的影响，岩体泥化，围岩强度和围岩级别极地，因此受到局部高地应力和地下水的作用，围岩体极易发生塑性变形或者力学强度劣化，进而产生大变形，影响隧道的成洞效果，也给隧道的衬砌支护带来巨大压力[4]。

3 大断面隧道施工关键技术

3.1 大断面隧道爆破施工技术

大断面隧道采用钻爆法施工，隧道爆破设计参数的确定采用理论计算法、工程类比法与现场试爆相结合，在保证爆破震动速度符合安全规定的前提下，提高隧道开挖成型质量和施工进度。以新奥法理论指导施工，三臂凿岩台车、YT-28 风钻成孔，采用非电毫秒延时起爆网络，选用2#岩石乳化炸药，药卷规格Φ32×300 mm×300 mg，实施控制爆破和光面爆破[5]。

在隧道开挖作业时，控制循环进尺，采取有效的控制爆破，避免产生的爆破有害效应超过安全规定和预设指标，以保证隧道能够快速成洞，安全穿越不同围岩等级的地质条件。一般而言，围岩等级越差隧道，其单循环开挖进尺越小，经过大量的工程总结，本研究中针对III 级围岩隧道，单循环开挖进尺控制在3 m～5 m 范围内，对于IV 级围岩隧道，单次循环开挖进尺控制在2 m～3 m 不等，对于V 级围岩隧道，单次循环开挖进尺控制在1.5 m～2.0 m。以V 级围岩爆破施工为例，CRD 法开挖炮孔布置图如图1 所示，爆破参数如表1 所示。

图1 V 级围岩CRD 法开挖炮孔布置图

表1 V 级围岩CRD 法开挖左半洞爆破参数

3.2 大断面隧道穿越断层破碎带全断面帷幕注浆施工技术

如图2 所示，全断面帷幕注浆技术主要适用于区间长度超过20 m 的富水地质构造带（岩层破碎带、断层破碎带、接触带、褶皱带）的注浆堵水处理，具体实施情况需结合根据地质详勘结果，并结合超前物探和超前探孔探明的情况综合判定，判定标准为超前探水孔中单孔流量＞3 m3/h，总水量＞15 m3/h，岩体破碎，软弱结构面极发育，整体稳定极差，开挖失稳风险极高[6-7]。

图2 断层破碎带隧道全断面帷幕注浆

在超前全断面注浆前，应对掌子面前方的地下水发育情况和发育范围采取科学合理的超前预报方法进行确定，锁定水源后及时反馈地下水信息，实现注浆过程的信息化和调整注浆参数，并合理布置钻孔，对未有开挖岩体采取“分区定位”的方法对地下水水流进行封堵，注浆遵循“由外到内、间隔跳空”的原则水量进无约束封控，并在相邻两个开挖循环中，钻孔注浆应使注浆扩散圈有效重叠形成阻水帷幕，做到“环环相扣”，在地质条件变化和地下水量异常地区，应根据超前预报或超前探水情况，调整注浆量、注浆厚度，如有必要可以增加钻孔、局部加强，确保注浆防水堵水效果。

全断面帷幕注浆其注浆形式是在掌子面向前方密集打入“喇叭状”的注浆孔，灌浆后形成伞状的止水帷幕，因此注浆范围应该超出隧道开挖轮廓，在非断层破碎带V 级围岩中应超出5 m，在断层破碎带中超出8 m，隧道开挖时共布设了96 个（6 环）超前全断面帷幕注浆孔，其中第1-3 环每环布置22 个注浆孔，第4 环布置16 个注浆孔，第5 环布置10 个注浆孔，第6环布置4 个注浆孔[8]。

单孔注浆浆液扩散半径为2.5 m，为保证注浆扩散圈相互叠加，形成封闭的伞状止水帷幕，单次循环注浆孔孔底的间距应控制在3.0 m 以内。注浆材料采用以普通水泥单液浆为主，其水灰比控制在（0.6～1）:1以内，并辅以普通水泥-水玻璃双液浆为辅，其水灰比控制在（0.8～1）:1，水玻璃浓度为30～35 Be，以上材料注浆效果不佳时，可考虑硫铝酸盐水泥单液浆，硫铝酸盐水泥单液浆水灰比控制在（0.6～1）:1。

注浆方式采用前进式分段注浆，注浆初始压力为1.2 P～1.5 P（P 为注浆位置静水压力），终止压力为2 P～3 P（P 为注浆位置静水压力），注浆速度控制在10 L/min～120 L/min 范围内，终孔间距不大于3.9 m，浆液扩散半径为2.5 m，横向加固范围为开挖轮廓性外8 m，纵向加固长度为25 m。

4 结论

以某省高速公路隧道工程为研究对象，在分析场区隧道围岩工程地质特征的基础上，提出大断面隧道爆破施工技术及断面隧道穿越断层破碎带全断面帷幕注浆施工技术，得到以下几个结论：

（1）左线隧道IV 级、V 级围岩长度共计为7 152.5 m，占左线长度比例为58.96%，右线隧道IV 级、V 级围岩长度共计为7 054.3 m，占左线长度比例为58.80%；富水程度为强富水段的洞身长度达到1 480 m；对线路有影响的构造主要为F6 断层破碎带（长455 m），F7 断层破碎带（长约125 m）。

（2）采用光面爆破技术，Ⅲ级围岩循环进尺3～5 m 以内，IV 级围岩循环进尺2～3 m 以内，V 级围岩循环进尺1.5～2 m 以内，V 级围岩爆破施工采用CRD 法，采用超前全断面帷幕注浆的措施对富水断层破碎带进行止水和加固，有效地改善了围岩力学性质，提出的钻爆法施工参数保证了隧道的顺利贯通。