公路隧道穿越断层破碎带施工技术

张伟

（山西路桥建设集团有限公司公路工程总承包分公司，山西 太原 030000）

1 工程概况

某公路隧道为分离式单向行驶双车道隧道，行车速度设计为80km/h，左线起讫段为ZK1+735—ZK3+573，全长1 838m，最大埋深为194m；右线起讫段为YK1+737—YK3+573，全长1 836m，最大埋深为195m。通过监控测量可知，隧道初支拱顶发生下沉和水平方向收敛，导致型钢支架发生变形和扭曲，边墙混凝土多处开裂，并伴有掉块；经进一步统计，拱顶下沉量达128cm，边墙水平方向收敛达60cm；局部洞顶地表发生下沉，导致山体出现裂纹，于YK1+803—YK1+810段发生若干纵向开裂，其宽度最大处可达25cm，长度最大达15m左右。现以该公路隧道为例，对其穿越断层破碎带的施工技术展开分析。

2 沉降与变形成因分析

导致该隧道穿越断层破碎带围岩段产生沉降与变形现象的原因包含地质、施工与设计3个方面。

2.1 地质因素

（1）隧道的进口需从断层破碎带中穿越，其走向和隧道轴线成75°角，由破碎岩与压碎岩两部分组成。在断层破碎带的影响下，进口出现两处不利节理，导致围岩无法达到自稳。

（2）隧道进洞施工正值当地雨期，降水量较大，开挖完成后雨水集中汇入隧道。受到地表水浸泡，泥岩与土发生软化，物理力学指标大幅下降，导致承载平衡能力显著减弱。

2.2 施工因素

（1）隧道开挖采用台阶法。右洞开挖比左洞开挖超前20～50m。在隧道开挖之前，岩体保持相对静止，任意一点均受地层挤压，处于初始应力状态[1]。对右洞上台阶进行开挖后，围岩约束被部分解除，初始应力状态因受干扰而打破平衡，应力在围岩中重新分布，转入新的应力状态，围岩通过变形处于新的平衡状态。因隧道进口处在断层破碎带且埋深较浅，所以岩体强度很小，不足以承受完成开挖后迅速变大的应力，进而发生塑性变形，高应力向深部转移。上台阶开挖结束后未能及时将初支封闭成环，加之受地表水与层间水等水体的作用，使围岩二次应力不断变大，导致岩体向隧道内发生的变形加剧。

（2）将左洞开挖到与右洞相对应的位置后，因受左洞开挖施工扰动的影响，右洞原本已经处于平衡状态的二次应力分布重新被破坏，再次转入新的应力状态，自稳能力继续降低，使初支下沉与水平收敛等不断加大[2]。

（3）开挖施工采用台阶法。仰拱和掌子面之间的距离较大，初支没有尽快封闭成环，导致两洞初支变形时间长，产生较大变形量；另外，在边墙钢架施工中对地下水的处理不当，使基底围岩被长时间浸泡，导致该部位承载力大幅降低，引起初支变形与沉降。因该段地层在节理影响下呈块状，所以在开挖完成后有底层损失的风险，受重力作用后浅埋段的地表将产生裂纹，其方向与隧道轴线方向保持垂直[3]。

2.3 设计因素

（1）隧道进口位置处于缓坡带，且有逆断层存在，加之左右洞之间的距离很小，故对隧道施工十分不利。

（2）对于进口段存在的逆断层，设计采取中壁法进行开挖。在变换了施工方法后未能对初期参数进行调整，使原支护无法起到应有的抑制变形的作用。支护参数为：①喷混凝土：全环喷射C20混凝土，厚26cm；②预留变形量：全环20cm；③二次衬砌：C30气密性钢筋混凝土，厚65cm；④钢筋网：全环ϕ8钢筋（20cm×20cm）；⑤拱部锚杆：ϕ22组合锚杆，长4m，纵×环=0.5m×0.8m；⑥边墙锚杆：ϕ22砂浆锚杆，长3m，纵×环=0.5m×0.8m；⑦超前支护：大小外插角双层ϕ42小导管，长3.5m，纵×环=2.0m×0.4m；⑧型钢钢架：全环120a型钢，间距0.5m，拱脚与墙角分别设置2根锁脚锚杆，采用ϕ22砂浆锚杆。

3 变形处理

根据监控测量结果，隧道初支产生了严重的变形，已经对二衬空间造成侵入，不仅影响后续施工，而且有很大安全隐患。为解决这一问题，制定如下处理方法：

（1）适当调整隧道纵坡。在不影响整体线路的基础上，将该段路线纵坡从2.6%调整至3.15%，使洞口设计高程相比调整前降低50cm左右，有效减少拆换施工。

（2）优化隧道内轮廓。在不影响建筑界限的基础上，对隧道内轮廓进行优化，使拱部高度下降40cm，以减少已成型初支的拆除。

（3）拆换侵限段初支。采用人工夯填地表裂纹，开挖排水沟引排地表水，避免地表水通过裂纹进入围岩；在需拆换的段落前后分别设置临时钢架以加强支护，并在钢架和初支之间楔紧方木块，然后对围岩实施灌浆加固；为确保保留下来的初支保持稳定，在拆换之前需在保留的钢架端头增设锁脚锚杆；将侵限段的初支拆除后，扩挖到经过调整的轮廓线，然后喷射一层厚度为9cm的钢纤维混凝土以使开挖面封闭成环，并安装新钢架，用锁脚锚杆将其固定，最后复喷一层混凝土，直至达到设计要求的厚度；在拆换过程中，按照从上到下的顺序将原初支凿除，然后逐榀更换新钢架。拆换时应做好监控测量，每天至少测量3次，同时按照5m的间隔设置测量断面；在开挖下台阶的过程中，应尽快为仰拱与边墙施作初支，比如利用竖撑为开挖完成后处于悬空状态的拱墙提供支撑，并尽快填充混凝土。

（4）调整支护参数。结合施工现场的具体情况，为有效抑制拱顶的变形和下沉，需对还没有开挖的部分改用大拱脚的方法，并在隧道两侧边墙额外设置28a槽钢，将支护参数调整为：①喷混凝土：全环喷射C20混凝土，厚26cm；②预留变形量：全环30cm；③二次衬砌：C30气密性钢筋混凝土，厚65cm；④钢筋网：全环ϕ8钢筋（20cm×20cm）；⑤拱部锚杆：ϕ22组合锚杆，长4.5m，纵×环=0.6m×0.8m；⑥边墙锚杆：ϕ22砂浆锚杆，长3m，纵×环=0.6m×0.8m；⑦超前支护：大小外插角双层ϕ42小导管，大插脚长3.5m，小插脚长4.5m，纵×环=2.4m×0.4m；⑧型钢钢架：全环HW200型钢，纵向间距0.6m，拱脚与墙脚分别设置2根锁脚锚杆，采用ϕ28砂浆锚杆。

4 变形控制与施工注意事项

针对隧道初支产生沉降与变形问题和地表出现裂纹的具体原因，隧道后续开挖施工中应着重加强施工管理，优化设计参数，确保围岩变形始终处于可控范围之内。

4.1 超前支护

严格按照设计支护参数进行施工，注浆时需要以注浆压力和注浆量为依据对注浆参数进行调整，确保拱部围岩形成稳定的整体结构，从而减小初支钢架承受的压力。

4.2 选择适宜的工法

开挖施工宜采用微台阶法，并优先考虑大拱脚，在钢架基底采用槽钢进行纵向连接，当开挖进尺达0.5m且上台阶开挖完成后，立即进行临时仰拱施工，及时将掌子面封闭成环。将下台阶和上台阶之间的距离控制在15m以内，否则应暂时停止开挖，仅施工下台阶，确保仰拱及其初支可尽快封闭成环。在必要的情况下，可采用喷射混凝土的方法使掌子面封闭。

4.3 开挖方式

在预裂爆破基础上，将深孔爆破更换成浅孔爆破，尽量放小炮，用减小爆破对围岩造成的扰动，在条件允许的情况下优先采用机械进行开挖。

4.4 预留变形量

因地下工程存在不可预见性，且围岩自稳性差，为防止围岩出现较大的变形，造成侵限，应允许围岩出现一定程度的变形。为此，将预留变形量从之前的20cm增大到30cm。

4.5 地下水与施工用水

大量实践表明，水会对围岩尤其是软弱围岩自身力学性能造成很大影响，不论地下水或施工用水，不仅会增加支护结构受到的荷载，而且会减小围岩承载力，导致初支失稳。因隧道从断层破碎带中穿过，所以围岩主要为泥岩或泥质砂岩，此类围岩具有遇水后极易软化的特点。对此，施工中需采用导流管进行引水，否则会对拱脚基底处的围岩造成长时间浸泡。

5 结语

综上所述，当隧道工程需要从断层破碎带中穿越时，应在设计过程中考虑通过增加两洞之间的距离来防止开挖施工中造成相互影响。针对已经产生的沉降及变形问题，需在明确其产生原因后，尽快采取针对性措施加以处理，并在后续施工中制定有效的预防措施。