吳雙

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西西安710065）

0 引言

對(duì)于施工線路長(zhǎng)、埋設(shè)深度大的公路隧道，往往勘測(cè)難度較大。斷層破碎帶段落一般因施工環(huán)境差、工期緊，所以在施工中易發(fā)生突發(fā)狀況，造成各種災(zāi)害，如塌方等，致使施工過(guò)程中的安全與質(zhì)量難以保證。基于此，針對(duì)公路隧道工程如何安全穿越斷層破碎帶進(jìn)行了深入分析，希望能夠進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)交通事業(yè)的穩(wěn)定性。

1 地質(zhì)條件和斷層破碎帶施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)條件

一般在隧道的進(jìn)口或隧道圍巖較差段落地質(zhì)因素復(fù)雜，容易出現(xiàn)斷層破碎帶。隧道主要由破碎巖、壓碎巖所組成，一般為一條侵入巖體擠壓斷裂帶[1]。兩側(cè)地形及地層產(chǎn)狀突變，斷層埡口發(fā)育，影像上呈線性影像特征。地質(zhì)勘測(cè)資料顯示，如果在施工過(guò)程中，隧道斷層破碎帶段存在巖體破碎、圍巖等級(jí)較低且裂隙水發(fā)育，遇到雨期和冰雪融化季節(jié)，掌子面可能呈淋雨?duì)罨蚬伤疇畛鏊?。再加上泥巖受到地表水等因素的影響而變軟，從而使隧道穩(wěn)定性受到影響。由于斷層破碎帶地質(zhì)特點(diǎn)一般表現(xiàn)為大流量突涌水和突泥，所以一定要多加注意。

1.2 施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)

巖體受地層擠壓均勻，處于最初受力狀態(tài)，在隧道斷層破碎帶開(kāi)挖前基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。如隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖的約束通常會(huì)被解除，初始應(yīng)力狀態(tài)被打破，還會(huì)因?yàn)槭芨蓴_而打破施工的平衡性。在隧道開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后，應(yīng)力也會(huì)在圍巖上重新進(jìn)行分布，然后進(jìn)入新應(yīng)力狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候圍巖會(huì)通過(guò)變形，處于更加平衡的狀態(tài)[2]。

在隧道穿越斷層破碎帶時(shí)，在爆破作業(yè)的擾動(dòng)下，隧道洞壁和掌子面圍巖容易發(fā)生坍塌，對(duì)人員和設(shè)備產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。如發(fā)生塌方且方量較大時(shí)，在沒(méi)有安全生產(chǎn)事故發(fā)生的情況下，還會(huì)影響施工進(jìn)度，增加工期和施工成本。一般在隧道的進(jìn)口、洞身圍巖較差處容易出現(xiàn)斷層破碎帶，斷層巖體軟弱破碎、巖石強(qiáng)度低，并且實(shí)際的埋深也較淺，不能夠承受開(kāi)挖中快速變大的應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致塑性變形，其中的高應(yīng)力也會(huì)慢慢向深部轉(zhuǎn)移。

2 通過(guò)斷層破碎帶可采用的相關(guān)技術(shù)

2.1 CD 法的應(yīng)用

隧道洞口段容易出現(xiàn)斷層破碎帶，如發(fā)現(xiàn)洞口段斷層破碎帶，就可以采取地表注漿技術(shù)或帷幕注漿技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)實(shí)際情況及施工情況、圍巖破碎程度等，可選用上述一種或同時(shí)使用兩種注漿技術(shù)[3]。在開(kāi)挖前采取超前支護(hù)，洞口段斷層破碎帶超前支護(hù)一般采用φ42×4 注漿鋼管（雙層），對(duì)于鋼管的處理，可選用小導(dǎo)管尖頭加工機(jī)進(jìn)行削尖處理，還要用等離子小導(dǎo)管打孔機(jī)進(jìn)行開(kāi)孔。同時(shí)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范注水泥漿，穩(wěn)定圍巖，為安全開(kāi)挖提供條件。

采用CD 法開(kāi)挖施工過(guò)程中，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的初期支護(hù)、二次襯砌，具體施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CD 法施工參數(shù)表

以圖1 為例，按照右上、右下、左上、左下順序進(jìn)行分區(qū)域開(kāi)挖，各區(qū)域開(kāi)挖后施作相應(yīng)的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，先完成掘進(jìn)一側(cè)的初期支護(hù)，待噴漿強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行另一側(cè)施工。左、右兩側(cè)導(dǎo)坑掘進(jìn)工作面縱向間距不應(yīng)小于15m，掘進(jìn)形成全段面時(shí)，應(yīng)及時(shí)完成初期支護(hù)的閉合，并按時(shí)進(jìn)行仰拱施作，再進(jìn)行回填仰拱和二次襯砌。中隔壁的臨時(shí)支護(hù)則以60cm間距的I20A 工字鋼作為加強(qiáng)支護(hù)，并以φ22 鋼筋連接，環(huán)向距離為100cm，中隔壁臨時(shí)支護(hù)與主洞永久支護(hù)工字鋼要進(jìn)行牢固焊接，再進(jìn)行二次襯砌施工時(shí)才能進(jìn)行分段拆卸。

圖1 CD 法襯砌結(jié)構(gòu)參考圖

2.2 預(yù)留核心土法的應(yīng)用

通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)隧道斷層破碎帶圍巖地質(zhì)情況，當(dāng)隧道施工至斷層破碎帶附近時(shí)，通常需實(shí)施雙層小導(dǎo)管進(jìn)行超前加固，為加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，提高巖體抗結(jié)構(gòu)彈性，改善結(jié)構(gòu)受力條件，需進(jìn)行超前注漿[4]。超前小導(dǎo)管通常是由外徑φ42mm、壁厚4mm、長(zhǎng)400cm 的熱軋無(wú)縫鋼管加工而成，并將前段鋼管加工成圓錐形，尾段用φ6mm 鋼筋加強(qiáng)箍焊接，管壁注漿孔為φ6mm。雙層小導(dǎo)管上下錯(cuò)落排列，鋼管環(huán)向間距40cm，縱向排距240cm，尾端落在鋼架上，兩層斷面間隔、拱部120°范圍布置。一般注漿材料采用純水泥漿，參數(shù)可初步擬定為水灰比W/C=0.6-0.8、水泥漿/水玻璃=1∶0.05（體積比）、水玻璃濃度=35-40Bé、水玻璃模數(shù)m=2.4、注漿水泥強(qiáng)度等級(jí)42.5。當(dāng)裂隙水或地下水較大時(shí)，采用水泥-水玻璃漿。按先上后下、先單漿后雙漿、先稀后濃、壓力一般在0.5～1MPa 的原則進(jìn)行注漿。超前小導(dǎo)管主要是控制圍巖變形，防止圍巖垮塌、掉塊，然后提高圍巖的整體性和強(qiáng)度，主要利用其懸吊和組合梁的作用。如圖2 所示為超前加固參考圖。

圖2 超前加固參考圖

提前加固完成掌子面后，可采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法進(jìn)行斷層段開(kāi)挖施工。一般環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法將斷面分成3 段，即環(huán)向拱部、上部核心土、下部臺(tái)階。環(huán)形拱部根據(jù)斷面大小，再分成若干塊交替開(kāi)挖。利用核心土對(duì)掌子面施加壓力，其核心就是穩(wěn)定掌子面圍巖。如表2、圖3 所示，可做施工參數(shù)參考。

圖3 環(huán)形開(kāi)挖施工參考圖

表2 預(yù)留核心土法施工參數(shù)表

當(dāng)采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法穿越斷層破碎帶施工時(shí)，應(yīng)先按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ順序開(kāi)挖上斷面，隨后進(jìn)行初期支護(hù)①，再開(kāi)挖上斷面核心土Ⅳ，下斷面Ⅴ、Ⅵ要跳槽開(kāi)挖，后續(xù)及時(shí)對(duì)②、③位置進(jìn)行初期支護(hù)，全斷面開(kāi)挖結(jié)束后，做仰拱④，回填仰拱⑤，最后進(jìn)行二襯混凝土⑥施作。下斷面初期支護(hù)雙側(cè)要交錯(cuò)落底，避免上半斷面兩邊拱腳同時(shí)懸空。一般情況下根據(jù)圍巖情況決定單側(cè)每次落底的長(zhǎng)度，通常不大于3m。上斷面開(kāi)挖進(jìn)尺宜在0.5～1m 范圍內(nèi)，核心土面積要大于等于全斷面面積的50%。

3 斷層破碎帶安全穿越施工要點(diǎn)

3.1 明確施工原則

結(jié)合設(shè)計(jì)及施工要求，更加安全地穿越斷層破碎帶。操作方法需要與各個(gè)施工的工序保持協(xié)調(diào)性和統(tǒng)一性，主要是為了提高施工效果的同時(shí)，減少對(duì)周邊圍巖的影響及塌方等情況的發(fā)生。嚴(yán)格按照“管提前、嚴(yán)注漿、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、快反饋”的原則。對(duì)于單次的爆破施工，其中開(kāi)挖深度最好保持在0.5～1m，保證后續(xù)施工安全。

3.2 加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，如超前水平鉆孔、地應(yīng)力測(cè)試等，考慮巖體流變損傷的劣化作用，對(duì)隧道斷層區(qū)段的變化規(guī)律進(jìn)行分析，并建立大變形時(shí)空預(yù)報(bào)系統(tǒng)。利用TSP-203 系統(tǒng)和地質(zhì)雷達(dá)等地質(zhì)預(yù)報(bào)，配合超前地質(zhì)鉆孔技術(shù)，不僅能有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和近距離相結(jié)合探測(cè)，還能夠及時(shí)掌握隧道前方地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶，快速制定處置方案，并且保證技術(shù)方案的針對(duì)性和合理性，為安全快速通過(guò)斷層破碎帶贏得寶貴時(shí)間，進(jìn)而降低因斷層破碎帶等不良地質(zhì)對(duì)施工人員、設(shè)備造成傷害，為隧道施工安全提供技術(shù)保證。

3.3 選取合理的爆破技術(shù)及工法

在對(duì)斷層破碎帶掌子面進(jìn)行處理時(shí)，通常會(huì)選用控制爆破（微震爆破）技術(shù)。在此施工中，要科學(xué)設(shè)置炮眼，科學(xué)選擇爆破器。對(duì)于爆破所應(yīng)用的炸藥，要選擇低爆速或?qū)Ｓ玫墓獗ㄋ?，加?qiáng)對(duì)振動(dòng)疊加的預(yù)防，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷管的分段化布置，不斷降低爆破地震的強(qiáng)度，從而減少安全事故的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)斷層破碎帶分析，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，也可選擇雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步開(kāi)挖法、半斷面微臺(tái)階法等適當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖方法，并確保其合理性，做好工序銜接。在開(kāi)挖結(jié)束后，要做到工序安排緊湊，圍巖迅速合攏，最大限度地減少外露時(shí)間，避免因外露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成圍巖不穩(wěn)定。

3.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)包括監(jiān)控拱頂下陷、凈空收斂等內(nèi)容，并在同一斷面布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，一般縱距為10m。當(dāng)開(kāi)挖至斷層破碎帶或其他不良地質(zhì)段落時(shí)，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)要加密布設(shè)，縱距不得大于5m。監(jiān)控量測(cè)施工時(shí)，采用50m 鋼尺配合高精度電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)拱頂下沉，采用收斂?jī)x進(jìn)行凈空收斂檢測(cè)。測(cè)量隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行歸位分析，加大對(duì)地質(zhì)不良地段的測(cè)量和監(jiān)測(cè)頻次，如斷層帶等，確保隧道建設(shè)萬(wàn)無(wú)一失。

3.5 加強(qiáng)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)

隧道施工屬于有限空間作業(yè)，隧道斷層破碎帶地質(zhì)情況較為復(fù)雜，更需加強(qiáng)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)。隧道施工過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生瓦斯、硫化氫和一氧化碳等有毒氣體，這就需要加大檢測(cè)頻率。對(duì)于氣體密度，低于空氣密度的有毒與有害氣體，如甲烷等，要對(duì)區(qū)域的上部空間進(jìn)行探測(cè)。此外，在對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行有毒有害氣體人工檢測(cè)時(shí)，通常采用全斷面檢測(cè)方式，檢測(cè)點(diǎn)位距離相關(guān)結(jié)構(gòu)物表面不超過(guò)20cm。例如，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果表明甲烷濃度達(dá)到1%，或者二氧化碳濃度達(dá)到1.5%，或者硫化氫達(dá)到6.6ppm，或者一氧化碳達(dá)到24ppm 時(shí)，立即通知作業(yè)人員撤離至安全區(qū)域，并加強(qiáng)通風(fēng)。待通風(fēng)作業(yè)1 小時(shí)后，有關(guān)氣體濃度降低到安全濃度，才能重新投入生產(chǎn)。因此，要加強(qiáng)對(duì)有毒有害氣體的檢測(cè)，使隧道建設(shè)安全得到有效保障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要想提高公路隧道建設(shè)質(zhì)量，滿足現(xiàn)代化施工的要求，需要在不同角度，分析相關(guān)的斷層破碎帶施工技術(shù)，掌握施工中的要點(diǎn)，明確相關(guān)的原則，加強(qiáng)對(duì)有毒氣體的檢測(cè)。借助預(yù)留核心土法、CD 法等，促進(jìn)公路隧道工程的快速發(fā)展，讓其更加安全地穿越斷層破碎。