趙青云，曹廣勇，趙紅飛，劉繼文，翟朝嬌

（1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601；2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012）

0 前言

我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，山地占我國(guó)大部分國(guó)土面積，隨著時(shí)代的發(fā)展，修建更多的交通路線成為必然，隧道是交通中的重要組成部分，在公路選線設(shè)計(jì)中，不可避免地遇到隧道下穿斷層破碎帶的情況。斷層帶對(duì)施工危害非常大，其分布極易出現(xiàn)拱頂塌方、大變形等工程事故，給施工帶來(lái)巨大損失。

鐘威等[1]分析影響斷層帶隧道穩(wěn)定的因素，在斷層隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估上運(yùn)用了層次分析的方法。羅利銳等[2]對(duì)于斷層隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明斷層交會(huì)和斷層歸并復(fù)合很容易引起圍巖失穩(wěn)，斷層的風(fēng)化程度、走向和隧道中線的走向的夾角也對(duì)圍巖穩(wěn)定性有比較大的影響。潘雪峰[3]以實(shí)際工程寶塔山隧道為背景，分析了穿越隧道斷層破碎段的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工防治措施，為類似的工程提供了施工參考。蔣建平等[4]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)正斷層傾角的變化對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響比較大。鄭文筠[5]在隧道斷層段施工過(guò)程中運(yùn)用了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和三臺(tái)階法等技術(shù)措施和施工工藝，保證了施工安全，為斷層帶施工積累了經(jīng)驗(yàn)。但對(duì)于斷層帶對(duì)隧道的影響范圍研究較少。本文以太（原）焦（作）高鐵皇后嶺隧道為工程背景，依托現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)斷層破碎帶的影響范圍進(jìn)行研究，這對(duì)于過(guò)斷層高鐵隧道施工安全有重要意義。

1 工程背景

1.1 線路設(shè)計(jì)概況

皇后嶺隧道位于山西省長(zhǎng)治市縣境內(nèi)，起始里程為DK241+765終點(diǎn)里程為DK246+305，全長(zhǎng)4540m。其中正線洞門(mén)50m占1.1%，明洞300m占6.6%，暗洞V級(jí)圍巖有1590m占35%，IV級(jí)圍巖1150m占25.3%，III級(jí)圍巖305m占6.7%，II級(jí)圍巖1145m占25.3%。

并設(shè)置一處斜井與正洞交于DK243+750，斜井長(zhǎng)度700m，最大縱坡11%，與主線隧道成133°斜交，施工完成后作為永久逃生通道保留。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

皇后嶺隧道位于沁水盆地東南緣，晉獲褶斷帶的西側(cè)。區(qū)域構(gòu)造方向基本與地層總體走向一致，均為北北東向。地層傾向北西，傾角平緩，一般為5°～15°。地貌單元主要有剝蝕低中山、低山地貌。進(jìn)口地面標(biāo)高約為927.61m，中間的地段分布以低中山為主，地形切割較淺，其中溝谷發(fā)育，海拔一般為994m～1131.02m之間，出口海拔1002m左右。最高點(diǎn)位于劉家山村東南山嶺，海拔1131.02m，最低點(diǎn)位于隧道進(jìn)口處，海拔約為972.61m，相對(duì)高差為158.41m。隧道最高點(diǎn)海拔高程1131.02m，隧道最大埋深142.59m。

本文研究區(qū)域?yàn)閿鄬訋Ъ捌涓浇淼?，隧道埋深范圍約29.5m～44m，圍巖等級(jí)為V級(jí)。隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸如圖1所示。

圖1 隧道地質(zhì)剖面及斷面尺寸

2 開(kāi)挖和支護(hù)方案設(shè)計(jì)

斷層地段設(shè)計(jì)為V級(jí)圍巖，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。開(kāi)挖方式采用弱爆破方式開(kāi)挖，開(kāi)挖時(shí)考慮預(yù)留變形量為20～25cm，日進(jìn)尺1.2m，開(kāi)挖示意圖如圖2所示。

圖2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開(kāi)挖示意圖

圖3 錨桿布置縱斷面圖

主要開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程如下。

利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護(hù)。開(kāi)挖①部，欠挖處理完畢，確定圍巖安全后，施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)，即初噴4cm厚混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立I20型鋼架，并設(shè)鎖腳鋼管，復(fù)噴混凝土，施做砂漿錨桿，錨桿梅花布置，環(huán)間距1.2m×1m。施作①部臨時(shí)仰拱，先在平臺(tái)底部噴射4cm混凝土，然后加設(shè)I18輕型鋼架，覆蓋后再噴3cm厚混凝土保護(hù)層，共25cm厚。要求臨時(shí)仰拱在初支主拱架每?jī)砷鲆淮?，必要時(shí)封閉掌子面。

在滯后于①部一段距離后，先拆除①部2～3榀I18臨時(shí)鋼架，再開(kāi)挖②部，開(kāi)挖②部方法與開(kāi)挖①部相同。要求：中臺(tái)階左右至少要錯(cuò)開(kāi)三榀開(kāi)挖，嚴(yán)禁兩邊拱架同時(shí)懸空。欠挖處理完畢，確定圍巖安全后，開(kāi)挖面周邊部分初噴4cm厚混凝土，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，架立鋼架，架立鋼架并設(shè)鎖腳鋼管。平臺(tái)底部噴4cm厚混凝土，施作②部臨時(shí)仰拱，必要時(shí)封閉掌子面。掛鋼筋網(wǎng)片，然后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，施做砂漿錨桿。

在滯后于②部一段距離后，開(kāi)挖③部，開(kāi)挖③部方法與開(kāi)挖①部相同。要求：下臺(tái)階左右至少要錯(cuò)開(kāi)三榀開(kāi)挖，嚴(yán)禁兩邊拱架同時(shí)懸空。初噴4cm厚混凝土，架立鋼架。隧底周邊部分噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。仰拱初支開(kāi)挖不得大于3m。

主要支護(hù)參數(shù)見(jiàn)下表。

主要支護(hù)構(gòu)件及參數(shù)

3 斷層影響范圍分析

3.1 洞內(nèi)監(jiān)控測(cè)量

洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布設(shè)：中心洞頂設(shè)置1個(gè)沉降點(diǎn)，中臺(tái)階兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)收斂點(diǎn)。沿隧道縱向間隔5m布設(shè)一個(gè)斷面。同時(shí)當(dāng)襯砌完成后，繼續(xù)按照5m間距在襯砌表面設(shè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)量頻率為1次/d，監(jiān)測(cè)周期為60d。

觀測(cè)點(diǎn)布置要求：洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)用3cm×3cm正方形反光貼做為觀測(cè)標(biāo)志，貼在5cm×5cm鋼板上，采用透明膠帶包裹，保證反光貼不脫落，鋼板與鋼筋焊接做為觀測(cè)樁。觀測(cè)樁埋設(shè)在初噴混凝土后，采用手機(jī)鉆機(jī)打孔，打孔深度不小于10cm，將觀測(cè)樁砸入孔內(nèi)，確保穩(wěn)固，待噴射混凝土完成后，將觀測(cè)樁覆蓋粉粒擦拭干凈后并采集初始讀數(shù)，并懸掛測(cè)點(diǎn)標(biāo)示牌。

變形監(jiān)控量測(cè)采用全站儀進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)采用反光貼作為反射元件，量測(cè)方法采用自由設(shè)站和固定設(shè)站兩種方法。拱頂下沉量測(cè)采用全站儀測(cè)量。測(cè)點(diǎn)應(yīng)與隧道外測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

為驗(yàn)證位移趨于穩(wěn)定，根據(jù)圍巖沉降收斂累計(jì)變化圖，選取之前布置在DK243+210和DK243+220斷面的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。斷面的5個(gè)位置安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)，測(cè)量頻率為1次/d，監(jiān)測(cè)周期為20d。測(cè)點(diǎn)具體布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

圖5 沉降觀測(cè)大樣點(diǎn)

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖6為圍巖沉降收斂累計(jì)變化圖，圖7 DK243+210斷面拱架軸力變化圖，圖8為DK246+220斷面拱架軸力變化圖。

分析可知：

①斷層中心的拱頂沉降和拱腰收斂最大，分別為12.1mm和4.7mm，屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面，靠近斷層的監(jiān)測(cè)面拱頂沉降和拱腰收斂比較大，離斷層較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)面拱頂沉降和拱腰收斂較小，表明距離斷層越近，圍巖受開(kāi)挖和斷層擾動(dòng)影響越大，導(dǎo)致圍巖變形相對(duì)較大；

②隨著監(jiān)測(cè)面遠(yuǎn)離斷層，拱頂沉降和拱腰逐漸減小，距離斷層超過(guò)55m后，監(jiān)測(cè)面的拱頂沉降和拱腰收斂逐漸趨于穩(wěn)定，拱頂沉降穩(wěn)定值維持在8.2mm左右，拱腰收斂沉降穩(wěn)定值維持在1.8mm左右；

圖6 圍巖沉降收斂累計(jì)變化圖

圖7 DK243+210斷面拱架軸力變化圖

圖8 DK246+220斷面拱架軸力變化圖

③由圖7和圖8可知DK243+210和DK243+210斷面的拱頂軸力都在17天之后趨于穩(wěn)定，DK243+210拱頂軸力穩(wěn)定在407kN左右，拱腰軸力穩(wěn)定在101kN左右，DK243+220拱頂軸力穩(wěn)定在390kN左右，拱腰軸力穩(wěn)定在83kN左右，兩個(gè)斷面的拱頂軸力都是在1～3天增速較快，后來(lái)逐漸減小。拱頂軸力受開(kāi)挖支護(hù)影響較大；

④各監(jiān)測(cè)斷面的累計(jì)變形量均遠(yuǎn)小于預(yù)留變形量，處于允許范圍內(nèi)，拱頂軸力遠(yuǎn)小于鋼材的屈服強(qiáng)度。說(shuō)明設(shè)計(jì)采用的開(kāi)挖方案合理，支護(hù)強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

①拱頂軸力在17天之后趨于穩(wěn)定，拱頂軸力都是在1～3天增速較快，后來(lái)逐漸減小，拱頂軸力受開(kāi)挖支護(hù)影響較大。

②斷層中心的拱頂沉降和拱腰收斂最大，分別為12.1mm和4.7mm，屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面。

③隨著監(jiān)測(cè)面遠(yuǎn)離斷層，拱頂沉降和拱腰逐漸減小，距離斷層超過(guò)55m后，監(jiān)測(cè)面的拱頂沉降和拱腰收斂逐漸趨于穩(wěn)定，斷層的影響范圍在55m左右。