強富水區山嶺隧道穿越斷層破碎帶施工技術研究

譚艷臣 李德 唐亮 常澤洲 王富春 宋健 王志浩 金熙賓

第一作者簡介：譚艷臣（1987-），男，工程師。研究方向為高速公路隧道橋梁路面施工。

*通信作者：李德（1999-），男，碩士研究生。研究方向為巖土工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.040

摘? 要：為降低隧道穿越斷層破碎帶施工中的涌水突泥風險，該文依托古兜山隧道實體工程，采用“TSP+地質雷達+超前地質鉆孔”的地質超前預報技術，探明隧道掌子面前方的地層狀況和富水程度，提出富水區隧道穿越斷層破碎帶施工關鍵技術。提出隧道洞口明挖法與隧道洞內光面爆破技術及洞內圍巖段的雙側壁導坑法、單側壁導坑法、三臺階七部法的開挖方式；采用S-Ⅴb型隧道襯砌結構型式與全斷面帷幕注漿、加強泄水等技術相結合的支護方式，其中的整體承載結構為初期支撐系統和二次模筑襯砌的組合結構。該施工關鍵技術可有效避免古兜山隧道施工的突水涌泥現象，可指導類似工程的施工。

關鍵詞：強富水區；斷層破碎帶；隧道；施工技術；超前探測

中圖分類號：U455? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0173-04

Abstract： In order to reduce the risk of water gushing and mud outburst in the construction of the tunnel passing through the fault fracture zone， based on the physical project of Gudoushan Tunnel， this paper adopts the geological prediction technology of "TSP+ geological radar and advanced geological drilling" to find out the stratum condition and water-rich degree in front of the tunnel face， and puts forward the key construction technology of the tunnel crossing the fault fracture zone in the water-rich area. The main contents are as follows. The tunnel entrance open excavation method and the tunnel smooth blasting technology are put forward， and the excavation methods of double side wall guide method， single side wall guide method and three-step seven-part method in the surrounding rock section of the tunnel are put forward. The supporting method of combining S-Vb tunnel lining structure with full-section curtain grouting and strengthening water discharge technology is adopted， in which the whole bearing structure is the combined structure of initial support system and secondary mold lining. The key construction technology effectively avoids the phenomenon of water inrush and mud gushing in the construction of Gudoushan Tunnel and can guide the construction of similar projects.

Keywords： strong water-rich area; fault fracture zone; tunnel; construction technology; advanced detection

隨著我國經濟的迅猛發展，為在地勢復雜的山區快速通行而修建公路隧道成為必然的趨勢。隧道施工中也遇到很多的難題，當隧道穿越斷層破裂帶時，由于其圍巖條件復雜、隧道掘進的難度大，安全性不易得到保證。如遇到強富水的斷層破碎帶，常因發生滲漏甚至突水、突泥、冒頂等工程問題而導致工期延誤，甚至會出現施工安全問題。因此，采用合理的施工方法穿越斷層破碎帶，是隧道施工的關鍵問題。

Huang等[1]通過數值分析計算，給出了向下通過水體隧洞跨越斷裂破碎帶掌子面穩定性的解析模式。王涵等[2]基于FLAC 3D數值模擬提出了錨－網－噴－鋼拱架聯合支護方案，從而使隧道能夠安全通過斷層破碎帶。陳劍等[3]采用以地表模袋注漿為主、堵水注漿材料為輔的洞區綜合處理手段，隧道通過突水涌砂段。崔光耀等[4]提出了二襯防坍塌的單層配筋抗震技術，并提出了對斷層破裂地段隧洞內的二襯防坍落的配筋抗震標準。馬棟等[5]通過地表抽水測量，獲得斷層破碎帶巖土體滲透系數等水文地質數據，并提出了“超前鉆孔+TSP+地質雷達”的預測技術。王超[6]采用ABAQUS數值分析軟件，建立流固耦合的模型，選取徑向注漿結合排水孔的方法，對隧道注漿所用材料的滲透系數進行改良。萬飛等[7]對隧道的支撐構件位移率、張拉錨桿軸向動力、施工區域壓力進行檢測，提出邊墻小導管注漿、增強鋼柱整體強度的改善方法。鄭文筠[8]針對西秦嶺鐵路隧道的斷層破碎帶區域，實施了超前小導管預支護、超前地質預報的方法。彭超[9]在隧道進口段施工穿越淺埋斷層破碎帶的設計中，采用了微臺階開挖工法及設置加大拱腳、圍巖注漿加固等處理措施。李生杰等[10]基于隧道穿越斷層的工程條件，制定了封堵掌子面、打設排水洞、改進施工技術的工作技術。傅鶴林等[11]通過建立三維數值分析模型，研究圍巖與隧洞結構在穿越高壓富水斷層破碎帶過程中的穩定性，提出留核心土、增加一定的注漿圈厚度等措施保證施工安全。

目前，國內外在隧道穿越斷層破碎帶的應對措施方面主要以隧道的超前地質預報、超前支護、改進注漿加固技術和材料及動態調整支護參數為主。然而，由于巖土體參數的不同，不同隧道穿越軟弱破碎帶時，隧洞巖體的穩定性不同。因此，對于具體工程，結合隧道周圍的實際斷層破碎帶的工程地質條件選取合理的施工措施是保證隧道施工安全亟須研究的問題。

1? 工程概況

古兜山隧道為雙向分離式，進洞口設計標高左線88.16 m、右線88.07 m，出洞88.07 m，出洞口設計標高左線44.28 m、右線44.90 m；隧道最大埋深：左線224.64 m、右線222.35 m，屬特長深埋隧道。

1.1? 工程地質條件

1.1.1? 地形地貌

古兜山隧址區地形、地貌總體上是西高東低，中部高、進出口兩端低的特征。受區域構造影響，隧址區主要為北東、近東西走向的低山丘陵夾山間谷地地貌，其次為少量北西走向丘陵夾溝谷地貌。隧道場地最高標高為288.3 m，入口端附近的沖溝最低標高為43.0 m，出口端附近沖溝最低標高為33.0 m。隧道場地中部山勢相對平緩，溝谷多發育寬且略具半封閉溝谷，地表溪流屬常年流水，水庫水利設施較多。隧道穿越地段的溪流由于高差較小，水力聯系通道可能因施工擾動發生變化，可能在強降雨條件下，通過發育的節理裂隙帶、張性斷層等形式滲入隧道，向開挖擾動區域聚集排泄。

1.1.2? 地層巖性

古兜山隧道范圍內涉及的主要地層：地表為第四系全新統殘坡積層，下部主要為燕山期的花崗巖、花崗巖斑巖脈及基性巖脈等，局部發育少量石英脈沿節理裂隙穿插。沉積地層以第三系地層為主。變質巖主要為寒武系地層；第四系地層廣泛分布于低緩丘陵表層及三角洲平原、山間洼地地段。

1.1.3? 水文地質條件

古兜山隧道地下水主要是細粉質黏土、砂土等之間的孔隙水，含量不同受季節影響，主要的來源為大氣降水補充。隨著斷層向不同類型的構造面發展，局部滲透系數逐漸增大，地面與土壤表層地下水又經過不同類型的構造面進入地下水，增加了地下水來源，使隧洞區的地下水層更加發育，可能出現涌水等不良工況。

1.2? 斷層破碎帶工程地質特性

古兜山隧道區有3條斷層破碎帶通過，其具體形跡如圖1所示。

WF1破碎帶：該破碎帶為隱伏斷層，鉆孔揭露巖體碎裂，物探表明低阻失常，斷層影響范圍約30～50 m；受構造影響，隧洞場地的破碎帶圍巖以碎塊巖為主。

WF2破碎帶：該破碎帶產狀約5～20°∠75～85°，影響范圍約100～120 m；受構造影響，隧洞場地的破碎帶圍巖以碎塊巖為主。

WF3破碎帶：該破碎帶為隱伏斷層，鉆孔揭露巖體碎裂，物探顯示低阻失常，斷層影響范圍約30～50 m；受構造影響，隧洞場地的破碎帶圍巖以碎塊巖為主。

上述3條斷層破碎帶隧道圍巖不穩定，易坍落，有涌水的可能性。

圖1? 古兜山隧道破碎斷裂帶分布

2? 隧道工程穿越斷層破碎帶工程技術研究

2.1? 超前探測技術

超前地質探測是隧道施工中不可分割的一環，在隧道基礎建設、自然災害防治、安全維護等方面發揮著重要作用[12]。利用超前地質探測技術在一定程度上摸清古兜山隧道掌子面前方的地質情況和不良地質現狀，并及時進行圍巖的分類評價，古兜山隧道的超前地質預報主要采用以下3種方法。

TSP超前地質預報：采用TSP203超前地質預報裝置，間隔約150 m進行一次探測，設置了4 000個不同的采樣區域，采樣頻率為100 m/次，各采樣點的距離在300 mm以上，采集數據后及時分析，判斷出前方不良地質體的方位。

地質雷達探測：地質雷達選用MALA型雷達裝置，采用100 MHz羅盤，測線的頻率為100 MHz，采樣時間為450 ns，每秒的采樣數為1 024個，采集方式為連續采集，測速后每隔20～30 m檢測一次。

超前地質鉆孔：利用物探手段，初步推測前方的富水區或斷層破碎帶，再運用超前鉆孔對物探結果進行驗證，古兜山隧道超前地質鉆孔長度20～30 m，保護段長度不小于10 m，在確定處理措施時必須依據探孔探測結果和出水狀況而定。

2.2? 隧道開挖方式

古兜山隧道穿越WF2、WF3兩條斷層破碎帶，施工過程中結合現場的工程地質情況和超前地質預報結果，對地下水采取“以堵為主、限量排放”的原則。施工過程中根據超前鉆孔涌水量大小選取“超前帷幕注漿”及“開挖后局部注漿堵水”等一系列合適的涌水處理方法，避免因隧道施工地下水排放從而影響水庫蓄水的功能，并做好施工期和營運期臨近水庫段的排水量監測、水庫水位及附近地表水的監測。隧道通過斷層破碎帶部分，采取的開挖方式如下。

隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，主要采用機械開挖方式，對于局部圍巖較好區段采用爆破開挖。

隧道洞內開挖采用光面爆破或預裂爆破技術。在Ⅴ級圍巖中需爆破時，采用微震光面爆破技術，盡可能減少超挖及減輕對圍巖的擾動和破壞。選用合理的爆破參數，根據圍巖的變化適時調整爆破參數，以確保開挖斷面有良好的光爆效果。

隧道主洞洞口或洞身地質條件較差的Ⅴ級圍巖段采用雙側壁導坑法或單側壁導坑法開挖。隧道主洞地質條件較好的Ⅴ級圍巖段采用三臺階七部法開挖。隧道主洞Ⅲ級和Ⅱ級圍巖區段采用上下臺階法開挖。

2.3? 支護方式

古兜山隧道支護采用S-Ⅴb型襯砌結構型式，如圖2所示。襯砌向兩端較好圍巖各延伸28 cm，如地下水水量較大則調整為抗水壓襯砌結構，采用全包放水措施。初期支護系統由噴射砼、錨索、鋼拱架和鋼網等為一體，組成主體防護系統；二次模筑襯砌則使用了防水性較強的鋼筋砼構件；隧道整體承載結構則為初期支撐系統和二次模筑襯砌的組合。

初期支護：依據工程地質條件、埋深、施工方式和施工步驟等采用噴射砼、錨索、鋼筋直徑網和鋼柱等單獨或復合的支護形式。錨索使用的是全長的黏結式錨索，需要在各種錨索上安裝墊板，確保注漿方法的飽滿性。緊靠圍巖一側的工字鋼鋼架防護層厚度約為4 cm，臨空側為2 cm；緊靠圍巖側的格柵鋼架防護層厚度為4.5 cm，臨空側為2.5 cm。

二次襯砌：由噴錨初期支護和圍巖段基礎共同構成的支撐系統，在二次襯砌段中采用模筑砼或鋼筋大直徑砼構件，并結合分析支護圍巖段和初期支護結構的變形等量測數據后，才能實施第二次模筑襯砌。同時對于較薄弱支護圍巖段的仰拱應緊隨開挖層的澆筑，并盡早合攏成環，拱墻的第二次模筑襯砌工期也不可滯后或過長。當因圍巖變化太大初期支撐變形不能收斂，或無法進行補充的，為提高支撐圍巖的穩定性，進行臨時仰拱的側向支承或封閉挖面，在必要時預先進行二次模筑襯砌，此時就必須考慮增加二次模筑襯砌的方法。為了確保仰拱具有適當的強度與剛性，在邊墻與仰拱之間選擇有圓順的銜接形式，填充后，邊墻可和仰拱分別完成。

若斷層破碎帶附近的靜水壓力較大，則采用超前帷幕注漿、開挖后預注漿處治方案，并根據地質情況進行調整。施工過程中應對地下水、地表水庫水位、地表沖溝水量進行監測。為保證隧道斷層破碎帶段的安全，對于不同地段的圍巖施工時還應通過超前小導管、超前長管棚等措施加以輔助施工，加強圍巖的強度，增強結構的整體剛度。

3? 工程應用與效果評價

探明掌子面前方的工程地質情況時，利用TSP203地質預報系統超前地質預測手段，及時摸清隧道前方掌子面地質狀況，支護參數或開挖方式可以及時得到修改。

隧道開挖時采用隧道洞口明挖法與隧道洞內光面爆破技術及洞內圍巖段的雙側壁導坑法、單側壁導坑法、三臺階七部法的開挖方式。隧道支護采用S-Ⅴb型襯砌結構型式，斷層破碎帶周邊地下水靜水壓力過大時，采取加強結構支護與超前支護、全周邊環向注漿，加強排水等措施相結合的方法，盡可能地減小了地下水對隧洞襯砌結構的不良影響。

Ⅴ、Ⅳ級圍巖及時施作了二次襯砌，Ⅲ級圍巖段在圍巖變形基本穩定后施作。當圍巖變形過大，初期支護支護力不足時，及時加強初期支護，或修改二次襯砌設計參數及提前施作模筑混凝土。在施作帶仰拱的二次襯砌時，應先澆筑仰拱，再澆筑洞身墻拱二襯混凝土。

古兜山隧道現場的關鍵施工技術有效避免了富水區隧道穿越斷層破碎帶的突水涌泥現象，保證了施工安全和施工進度。

圖2? 古兜山隧道復合式襯砌結構

4? 結論

綜上所述，本文結合強富水區山嶺隧道穿越斷層破碎帶的工程實例，深入分析了隧道斷層破碎帶部分的工程措施，得出以下結論。

1）當隧洞通過斷層破碎區后，根據隧洞的工程地質情況，及超前的地質預報，進一步判斷工程地質、水文條件和掌子面前方的情況，以避免在隧址附近發生地下水突涌等影響施工的現象。

2）穿越斷層破碎帶的隧道開挖時，采用隧道洞口明挖法與隧道洞內光面爆破技術及洞內圍巖段的雙側壁導坑法、單側壁導坑法、三臺階七部法的開挖方式，以確保圍巖穩定。

3）支護方式采取S-Ⅴb型襯砌結構型式等二次襯砌結構，初始支撐方式由錨索、噴涂砼、鋼拱架和鋼筋網等構成；使用了與防水鋼筋砼結合的二次模筑襯砌；一次支護則與二次模筑襯砌，組成了整個隧道的主要承重構件。

4）對于隧道中的軟弱圍巖采用小導管和預注漿技術進行預加固，提高掌子面前圍巖的剛度，控制地表的沉降量。

5）斷層破碎帶周邊地下水靜水壓力大時，加強結構支護、超前帷幕注漿、開挖后進行預注漿，降低地下水對襯砌結構的不良作用。

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