李偉鵬，林彬彬，張斌梁

（1、珠海大橫琴股份有限公司 廣東 珠海 519000；2、珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 廣東 珠海 519000;3、中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

0 引言

斷層及其破碎帶是隧道建設(shè)過(guò)程中常見(jiàn)的不良地質(zhì)類型，其巖體松散破碎、強(qiáng)度低、易變形且多數(shù)富水性良好，對(duì)隧道開(kāi)挖和支護(hù)造成很大困難［1-2］。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)進(jìn)行了研究。萬(wàn)飛等人［3］依托關(guān)角隧道F2-1 斷層破碎帶段，提出提高鋼架剛度、設(shè)置臨時(shí)橫撐、邊墻小導(dǎo)管注漿等措施以滿足施工安全要求，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了改進(jìn)措施的可行性；劉運(yùn)微［4］分析研究了金寶頂隧道穿越斷層破碎帶施工遇到的問(wèn)題和當(dāng)前施工方案的特點(diǎn)，優(yōu)化隧道斷層破碎帶支護(hù)設(shè)計(jì)，針對(duì)金寶頂隧道斷層破碎帶地質(zhì)條件制定了雙排小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)和三臺(tái)階七步開(kāi)挖方案，并制定了監(jiān)控量測(cè)方案。劉鵬等人［5］依托大沙灣隧道F3 斷層破碎帶，分析三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的隧道圍巖變形情況，在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化方案，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)驗(yàn)證優(yōu)化方法的可行性。

通過(guò)注漿來(lái)改良軟弱破碎巖體、封堵地下水及侵燭性離子，是當(dāng)前長(zhǎng)大隧道施工中解決地下水、斷層等不良地質(zhì)最被廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一［6］。周鵬飛［7］通過(guò)超前注漿堵水試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用全斷面超前注漿的方法解決水壓大于6.3 MPa 的富水隧道問(wèn)題是可行有效的。何紅忠等人［8］采用數(shù)值模擬手段分析了不同加固圈參數(shù)對(duì)隧道涌水及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的影響，得到了圍巖穩(wěn)定的安全范圍。依托工程過(guò)斷層破碎帶時(shí)使用超前單層小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，本文針對(duì)隧道過(guò)斷層破碎帶時(shí)注漿加固圈的厚度與范圍展開(kāi)研究，確定合理的斷層破碎帶注漿加固圈，以期為類似工程的注漿設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

某隧道工程位于珠海市南灣城區(qū)，穿越黑白面將軍山，線路全長(zhǎng)約3.86 km，其中隧道左線長(zhǎng)3 645 m，右線長(zhǎng)3 735 m。隧道主體工程以丘坡地貌為主，標(biāo)高10.0～380.9 m，高差達(dá)370 m，地勢(shì)較陡，自然坡度15°～60°。

隧道穿越兩條擠壓斷裂帶：F1、F2 斷層分別與線位相交于K1+320、K1+980 里程附近，其中F2 斷層長(zhǎng)度4 km，寬5～8 m，斷層走向N75°E，傾向南東，傾角75°～80°。隧道與F2 斷層大角度相交，在擠壓斷裂帶處地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖工程性能極差且破碎，開(kāi)挖和支護(hù)難度均很大。

破碎帶范圍圍巖為Ⅳ級(jí)圍巖，采用S4a 襯砌類型進(jìn)行支護(hù)，系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度3.5 m，1.2 m×1.2 m 環(huán)向布置，初期支護(hù)為φ6 mm 鋼筋網(wǎng)，20 cm×20 cm，工18 型鋼鋼架（縱向間距1.0 m），采用C25 噴射混凝土，厚度24 cm；二次襯砌采用C35 混凝土，厚度50 cm。過(guò)斷層破碎帶時(shí)使用超前單層小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，襯砌斷面如圖1所示。

圖1 隧道S4a襯砌斷面Fig.1 Tunnel S4a Lining Section （cm）

2 隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 模型尺寸及參數(shù)的選取

破碎帶與隧道交于ZK1+980，范圍約為60 m，取破碎帶范圍圍巖為研究目標(biāo)。隧道的影響范圍為3～5倍洞徑，隧道跨度約16 m，高度約10 m，故取模型尺寸為120 m（X）×60 m（Y）×110 m（Z），隧道埋深約為360 m，為簡(jiǎn)化模型，取上邊界距隧道拱頂60 m，并在上邊界加上300 m土層的等效荷載；隧道沿縱向取60 m，圍巖區(qū)域分為破碎帶-斷層帶-破碎帶，其中斷層寬度取為8 m，與y軸負(fù)半軸夾角為80°，最終模型如圖2所示。

圖2 三維模型軸測(cè)圖Fig.2 Axonometric Drawing of 3D Model

模型下邊界為全約束，左右邊界約束X軸方向位移，前后邊界約束y軸方向位移，上邊界為自由面。在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為圍巖是各向同性、連續(xù)均值的理想彈塑性本構(gòu)模型，符合摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of Stratum and Support Structure

2.2 施工工程模擬

初始地應(yīng)力平衡后位移清零，按照鉆爆法施工步序模擬施工過(guò)程，采用三臺(tái)階開(kāi)挖法，開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù)。模擬各施工工序?yàn)椋荷吓_(tái)階開(kāi)挖?上臺(tái)階初期支護(hù)?中臺(tái)階開(kāi)挖?中臺(tái)階初期支護(hù)?下臺(tái)階開(kāi)挖?下臺(tái)階初期支護(hù)?仰拱開(kāi)挖＋初期支護(hù)?施作二次襯砌。臺(tái)階長(zhǎng)度為10 m，單次施工進(jìn)距為5 m，初支落后掌子面10 m，二襯施作落后掌子面50 m；開(kāi)挖情況如圖3所示。

圖3 隧道三臺(tái)階開(kāi)挖示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Tunnel Three Bench Excavation

3 計(jì)算結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖以5 m 為一模，斷層與隧道交于6～8 模區(qū)間，即26～40 m 范圍內(nèi)。在開(kāi)挖到此區(qū)間之前對(duì)隧道進(jìn)行注漿加固。注漿圈不僅能夠約束圍巖、提高圍巖的整體性和自穩(wěn)能力，而且能夠降低襯砌的應(yīng)力，起到保護(hù)襯砌的重要作用。通過(guò)改變注漿加固范圍和注漿加固參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的變形和受力的有效控制［9-10］。以下針對(duì)不同注漿圈厚度和不同注漿圈長(zhǎng)度對(duì)隧道的加固作用進(jìn)行研究。

3.1 注漿圈厚度

注漿圈區(qū)間為26～40 m 保持不變，注漿圈厚度分別取0 m（即不注漿）、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，選取隧道與破碎帶相交的35 m處，該斷面在整個(gè)開(kāi)挖階段中的拱頂沉降和拱腰收斂如圖4 所示，開(kāi)挖完成時(shí)沿縱向隧道全區(qū)間的拱頂沉降和拱腰收斂如圖5所示。

由圖4?、圖5?可知：注漿對(duì)降低拱頂沉降的效果比較明顯，厚度為1 m 的注漿圈約能降低20%拱頂最大沉降，隨著注漿圈厚度的增加，斷層帶區(qū)域的拱頂沉降也隨之減小，但幅度越來(lái)越小。注漿對(duì)降低注漿圈區(qū)域的拱頂沉降較為明顯，也能降低注漿圈兩側(cè)的拱頂沉降，但降低幅度很小。

圖4 隧道35 m處全階段拱頂及拱腰沉降曲線（注漿區(qū)間不變）Fig.4 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist at 35 m of Tunnel（Grouting Interval Remains Unchanged）

圖5 開(kāi)挖完成時(shí)全區(qū)間拱頂及拱腰沉降曲線（注漿區(qū)間不變）Fig.5 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist in the Whole Section after Excavation（Grouting Interval Remains Unchanged）

由圖4?、圖5?可知：注漿對(duì)降低拱腰收斂的效果非常明顯，厚度為1 m 的注漿圈約能降低50%拱腰最大收斂，注漿厚度為3 m 時(shí)拱腰收斂基本保持為0；但隨著注漿圈厚度的增加，拱腰收斂的降低幅度迅速減小。注漿主要是降低隧道注漿圈范圍及稍后一段的拱腰收斂。

3.2 注漿圈范圍

注漿圈厚度固定為1 m 不變，注漿圈區(qū)間分別取6～8模、5～9模、4～10，模、3～11模、2～12模，對(duì)應(yīng)縱向長(zhǎng)度25～40 m、20～45 m、15～50 m、10～55 m、5～60 m，并與無(wú)注漿時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比。35 m 斷面全階段的拱頂沉降和拱腰收斂曲線如圖6 所示，開(kāi)挖完成時(shí)全區(qū)間的拱頂沉降和拱腰收斂曲線如圖7所示。

圖6 隧道35 m處全階段拱頂及拱腰沉降曲線（注漿圈厚度不變）Fig.6 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist at 35 m of Tunnel（The Thickness of the Grouting Ring Remains Unchanged）

圖7 開(kāi)挖完成時(shí)全區(qū)間拱頂及拱腰沉降曲線（注漿圈厚度不變）Fig.7 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist in the Whole Section after Excavation（The Thickness of the grouting Ring Remains Unchanged）

由圖6?、圖7?可以看出注漿圈長(zhǎng)度增加，拱頂沉降的影響范圍增大了，降低幅度基本沒(méi)有變化，并且尤其在注漿范圍為2～12 模即6～50 m 時(shí)，影響范圍內(nèi)的拱頂沉降基本相同。

由圖6?、圖7?可以看出注漿圈長(zhǎng)度增加對(duì)拱腰收斂影響與對(duì)拱頂沉降的影響規(guī)律類似，主要是影響范圍增大，減低幅度基本不變，并且注漿范圍為2～12模即6～50 m時(shí)拱腰收斂也趨向一致。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴注漿圈區(qū)間為26～40 m 保持不變時(shí)，注漿對(duì)降低拱頂沉降和拱腳收斂的效果比較明顯，且隨著注漿圈厚度的增加，減低幅度基本呈線性增加；注漿對(duì)降低拱腳收斂的效果非常明顯，但隨著注漿圈厚度的增加，減低幅度快速減小。注漿厚度為3 m 時(shí)約能減低50%的拱頂沉降和拱腳收斂，且使拱腰收斂基本保持為0，可作為施工參考。

⑵注漿圈厚度固定為1 m不變時(shí)，注漿影響范圍為隧道注漿范圍及其后續(xù)一段距離，且隨著增加注漿圈范圍的增加，影響范圍內(nèi)的沉降和收斂也趨向一致，整體性增強(qiáng)。注漿范圍為2～12模即6～50 m 時(shí)，該范圍隧道內(nèi)拱頂沉降基本相同，收斂值變化幅度也比較小，可作為施工參考。

⑶現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，尤其在穿越斷層時(shí)應(yīng)減小監(jiān)測(cè)斷面間距，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大或有失穩(wěn)前兆時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施，并考慮增加注漿圈厚度。另一側(cè)隧道施工至該破碎帶區(qū)域時(shí)可根據(jù)該側(cè)隧道監(jiān)測(cè)記錄，調(diào)整超前注漿長(zhǎng)度與厚度。