朱麟晨

(中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

云南地區(qū)因地處區(qū)域性大斷裂發(fā)育地質(zhì)環(huán)境，會加大施工難度。目前已有學者對隧道穿越大型斷裂時的受力機理和控制措施進行研究。程國然[1]以在建麗香鐵路為依托研究地震高烈度區(qū)隧道穩(wěn)定性的影響因素；劉愷[2]、孫風伯[3]、許丁予[4]等分析了穿越活動斷裂帶隧道的錯動破壞機理和抗錯動措施；黃勝[5]、方林[6]、張云鵬[7]等采用室內(nèi)模型試驗和理論分析相結(jié)合的方式，分析隧道在穿越復雜地層斷裂帶下的地震響應(yīng)特性，并提出相應(yīng)的抗震設(shè)防措施；余莉[8]、宋晃[9]等依托實例介紹了超前地質(zhì)預報在斷裂帶隧道中的應(yīng)用；王芳[10]通過建立理想模型對位于陡傾斷裂帶中的深埋隧道涌水影響因素進行了研究。

以上研究多是從單條斷裂帶對于隧道影響的某一個方面進行，關(guān)于區(qū)域性大型斷裂帶對隧道的系統(tǒng)性影響及處置措施研究較少，且關(guān)于在多條區(qū)域性大斷裂影響下的融合地段修建特長隧道的關(guān)鍵技術(shù)更鮮有系統(tǒng)性的報道[11]。本文依托廣大鐵路祥和隧道的修建，研究總結(jié)在大型斷裂融合帶處修建特長隧道的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

祥和隧道全長10 220 m，為雙線隧道，最大埋深為720 m，線路縱坡設(shè)計為人字坡，坡度分別為+0.5%和-0.48%，考慮工期、通風、排水，以及防災(zāi)救援等因素，于線路右側(cè)設(shè)置貫通平導，長度為10 076 m。祥和隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 祥和隧道地質(zhì)縱斷面簡圖

該隧道為I級風險隧道，同時也是廣大線頭號高風險隧道。隧道穿越9條大斷層，為國內(nèi)首座位于2條區(qū)域大型活動斷裂融合帶的復雜多變地質(zhì)特長隧道。

隧道處于川滇南北向構(gòu)造帶和青藏滇緬歹字形構(gòu)造帶之間，該復合地帶為2個區(qū)域性大構(gòu)造帶斜交產(chǎn)生，東側(cè)是程?！e川大斷裂，西側(cè)是洱海深大斷裂，隧道被這2個大型區(qū)域性活動斷裂所夾持，構(gòu)造擠壓強烈，巖體十分破碎，該區(qū)域內(nèi)侵入巖活動劇烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖脈、巖株、巖墻等形態(tài)不規(guī)則地侵入?yún)^(qū)內(nèi)各地層。隧道特點：①2條區(qū)域性活動大斷裂融合帶，9條大斷層，地質(zhì)極其復雜多變，結(jié)構(gòu)受力環(huán)境差；②整個隧道均位于軟弱破碎地質(zhì)環(huán)境中，施工極其困難，安全風險高；③圍巖穩(wěn)定性差，支護變形普遍，工期風險大；④復雜環(huán)境地應(yīng)力大、地下水發(fā)育，隧底及無砟軌道動力穩(wěn)定問題突出。

2 開挖支護關(guān)鍵技術(shù)措施

廣大鐵路祥和隧道受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，范圍內(nèi)發(fā)育蕎麥地-馬鞍山斷裂、蕎麥地-架子山斷裂、三家村等9條斷裂構(gòu)造，總長2 150 m，典型斷層破碎帶基巖裂隙水見圖2。

圖2 斷層破碎帶基巖裂隙水發(fā)育

此外，構(gòu)造擠壓強烈，巖體十分破碎，該區(qū)域內(nèi)侵入巖活動劇烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖脈、巖株、巖墻等形態(tài)不規(guī)則的侵入?yún)^(qū)內(nèi)各地層，侵入巖段落總長2 916 m，典型花崗斑巖、輝綠巖蝕變帶見圖3。

圖3 花崗斑巖、輝綠巖蝕變帶

同時，砂巖夾頁巖、板巖及灰?guī)r受構(gòu)造及侵入巖影響，巖體極為破碎，節(jié)理裂隙強烈發(fā)育，部分巖體呈壓碎狀，軟弱圍巖段落總長2 914 m；隧道可溶巖段長約4 285 m，巖溶強烈發(fā)育，最大涌水量超過11×104m3/d。

全隧III級圍巖長度為550 m，占隧道長度的5.39%；IV圍巖長度為3 640 m，占隧道長度的35.67%；V圍巖長度為6 030 m，占隧道長度的58.94%。

本隧道開挖支護的難點主要為巖質(zhì)軟硬不均，巖性復雜，易坍塌。受斷層構(gòu)造帶影響，圍巖穩(wěn)定性差，易突水、突泥。地下水滯后對炭質(zhì)頁巖產(chǎn)生軟化、泥化作用，致使隧道圍巖容重增加，導致圍巖體進一步軟化，圍巖自穩(wěn)能力變差，易變形。因此，設(shè)計針對大型斷裂融合帶復雜地質(zhì)特長隧道的高風險性和不確定性，采用“加強預報、平導超前、支護加強、調(diào)整工法、創(chuàng)新注漿、圓形襯砌”等綜合措施。

2.1 圓形襯砌活動斷裂帶支護設(shè)計技術(shù)

祥和隧道D1K151+180-D1K151+670段(490 m)穿越上泥哨斷裂和蕎麥地-馬鞍山活動斷裂帶，晚更新世以來該活動斷裂帶平均左旋走滑速率2.5～3.0 mm/年，平均垂直位速率2 mm/年。

為避免隧道襯砌受斷層剪切和地震破壞，設(shè)計時按照“避讓、補強、抗斷”的設(shè)計理念，采用圓形斷面復合鋼筋混凝土襯砌進行設(shè)計，通過加強支護結(jié)構(gòu)滿足開挖及正常運營要求，以具備較強的抗震能力。

圓形襯砌設(shè)計斷面及其現(xiàn)場施工情況如圖4和圖5。

圖4 典型圓形襯砌設(shè)計斷面(單位：cm)

圖5 典型圓形襯砌施工斷面

2.2 以控制變形為主的軟弱圍巖支護設(shè)計技術(shù)

多條構(gòu)造影響范圍內(nèi)多種巖性混雜，各種不利結(jié)構(gòu)面交錯發(fā)育，巖質(zhì)較軟，特別是在輝綠巖、花崗斑巖、斷層角礫及炭質(zhì)頁巖等軟質(zhì)巖地段，風化程度不均勻，巖體強度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，孔隙較大，且地下水具有明顯的遲滯性，使得結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低，導致圍巖產(chǎn)生大規(guī)模的剪切破壞，致使圍巖發(fā)生較大變形。設(shè)計采用以下措施解決軟弱圍巖段變形突出的問題。

1) 加強超前預報。超前地質(zhì)預報采用地質(zhì)素描、綜合物探和超前鉆探相結(jié)合的方案，其中以綜合物探為主，局部段落采用鉆探進行驗證，針對地下水豐富地段采用了激發(fā)極化法。

2) 引排地下水。通過超前物探結(jié)果顯示的異常區(qū)域，對該區(qū)域內(nèi)掌子面進行超前水平鉆孔，除了可以驗證掌子面前方地質(zhì)情況，還可以起到超前排放地下水的作用。對部分已施作初支但涌水量仍較大的區(qū)域，采用局部鉆孔的方法引排洞周地下水，并在出水孔位置增設(shè)環(huán)向盲管引排地下水至側(cè)溝。

3) 提高圍巖強度。為了保證隧道開挖的安全，在富水軟質(zhì)圍巖段落，采用對上臺階圍巖進行超前局部注漿加固，下臺階圍巖進行鉆孔排水的方法，效果明顯。超前注漿材料采用硫鋁酸鹽或普通水泥單液漿。

4) 加強初期支護。隧道初噴混凝土采用C30早強混凝土；初支鋼架通常采用I22型鋼鋼架，局部地段采用HW175型鋼鋼架；在鋼架臺階接頭及墻腳的位置設(shè)置鎖腳錨管，鎖腳錨管與鋼架采用“U形”連接的方式或?qū)@孔鋼板直接焊接在鋼架上，使鎖腳錨管穿過孔洞并連接在鋼板上；開挖后使初支及時成環(huán)。

針對軟弱圍巖段具有變形大、地下水滯后的特點，設(shè)計了“探、排、護”三位一體的處理方案，成功解決了本隧道軟弱圍巖段穩(wěn)定性差，支護變形普遍，施工易變形造成坍塌的嚴重后果，保證了隧道施工安全。

2.3 應(yīng)用新型注漿工法的涌水處理設(shè)計技術(shù)

隧道斷層、軟弱破碎帶、侵入巖蝕變帶等不良地質(zhì)段落占全隧比例約60%，因此研究大型斷裂融合帶復雜地質(zhì)特長隧道涌水涌泥機理及采用注漿治理的技術(shù)尤為重要。本隧道在采用注漿治理富水斷層地段涌水涌泥災(zāi)害成功的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際及相關(guān)理論經(jīng)驗，建立了一整套集綜合預報、注漿設(shè)計、注漿實施及效果評價等關(guān)鍵技術(shù)體系，并通過現(xiàn)場反復試驗對比，創(chuàng)造性地提出并采用前承后繼注漿工法，提高了開挖支護的安全性，有效地縮短了工期，且合理降低了施工成本。

前承后繼注漿工法分為“前承”和“后繼”2個部分，其中“前承”的第一步是在上臺階周邊輪廓采用長5 m的鋼花管淺孔低壓注漿；第二步是頂入自進式管棚，每根長12～15 m，角度向上5～8°，設(shè)置于拱部，打入管棚后先不注漿；第三步是采用8～10 m長鋼花管注漿，同時對管棚注漿，注漿壓力3 MPa左右?！昂罄^”是施做完初支鋼架后，在拱腰至拱腳分別施做2組單根5 m左右的鎖腳錨管，拱部范圍采用徑向注漿。

3 工期控制關(guān)鍵技術(shù)措施

祥和隧道穿越橫斷山脈，受地形地質(zhì)條件限制，輔助坑道選擇受限，因此貫通平導能否按期順利掘進關(guān)乎整個隧道的工期，同時對全線總工期產(chǎn)生影響。祥和隧道是云南地區(qū)第一座利用貫通平導多掌子面超前正洞施工，實現(xiàn)全線工期的特長隧道，為類似工程在輔助坑道選擇及平導快速施工方面提供較大借鑒。

3.1 加強超前預報保障平導施工

由于云南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造異常發(fā)育、地質(zhì)條件較差、巖性復雜多變, 因此做好隧道超前地質(zhì)預報工作是保障平導及引入正洞安全、快速施工的關(guān)鍵, 根據(jù)圍巖及地下水的不同，選擇合適的開挖方法和支護措施。采用地質(zhì)素描、綜合物探和超前鉆探相結(jié)合的綜合方法對隧道進行超前地質(zhì)預報，其中以綜合物探為主，局部鉆探進行驗證。

3.2 調(diào)整開挖方式提高掘進效率

云南地區(qū)隧道以軟弱圍巖為主，從開工以來的爆破情況看，開挖后的超欠挖均較難控制，為改善開挖效果，提高施工進度，設(shè)計中利用單臂掘進開挖方法工效較高，開挖輪廓好的特點進行輔助開挖，最大限度控制超欠挖的發(fā)生，減少噴混凝土的超耗，在開挖的同時可以出渣，節(jié)省出渣時間，減少掌子面施工人員，提高掘進效率。

3.3 優(yōu)化平導輪廓改善受力條件

在深埋V級圍巖及斷層破碎帶地段，由于豐富的地下水、較高的地應(yīng)力，以及較強的構(gòu)造擠壓作用影響，常導致初期支護發(fā)生變形開裂。通過調(diào)整平導邊墻曲率，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力條件，取得了較好的效果。平導曲墻式二次襯砌見圖6。

圖6 平導曲墻式二次襯砌

3.4 多工作面引入正洞施工

為加快施工進度兼顧施工通風和排水的需要，共設(shè)置22處橫通道。平導超前后利用橫通道多次引入正洞開辟工作面施工(施工中成功實現(xiàn)于1個主攻方向3次引入正洞施工)，將巷道內(nèi)的新鮮空氣，壓入各工作面，成功解決隧道開辟工作面困難的問題，還改善了隧道通風條件。平導多掌子面引入正洞施工示意圖見圖7。

4 隧底穩(wěn)定性控制技術(shù)措施

為解決復雜環(huán)境下地應(yīng)力大和地下水發(fā)育造成隧底及無砟軌道動力穩(wěn)定控制難題，設(shè)計采用“排水減壓、錨桿鎖定、注漿補強”等措施，有效應(yīng)對了雙線無砟軌道隧道運營過程中產(chǎn)生上鼓、下沉和翻漿冒泥等病害發(fā)生，保證了隧道運營安全。

圖7 平導多掌子面引入正洞示意圖

4.1 隧底排水降壓

于隧道中線左、右側(cè)80 cm處鉆設(shè)排水降壓孔，排水降壓孔按縱向間距8 m交錯布置，排水降壓孔內(nèi)設(shè)直徑100 mm PVC管，并于仰拱填充內(nèi)排水降壓孔頂端至中心水溝間鑿槽，于鑿槽內(nèi)埋設(shè)圓形截面PVC彎管，將排水降壓孔內(nèi)涌水直接引入中心溝。增設(shè)降壓泄水孔施工見圖8。

圖8 增設(shè)降壓泄水孔施工

4.2 錨桿鎖定

于隧道軌道板兩側(cè)增設(shè)壓力型預應(yīng)力錨桿加固，錨桿縱向間距3 m。錨桿由錨固段(長2～3m)和自由段(不小于5 m)組成。錨桿端頭設(shè)置承載體和錨固段。錨固劑固化完畢并達到設(shè)計強度后方可進行張拉，單孔張拉力設(shè)計值200 kN，張拉完畢，經(jīng)驗收合格后自由段套管與巖壁間空隙采用M35水泥砂漿注漿。錨桿鎖定封錨見圖9。

圖9 錨桿鎖定封錨

4.3 隧底注漿加固

洞身穿越斷層破碎帶、物探異常和基底不密實段落，采用直徑42 mm鋼管進行隧底充填注漿加固。注漿加固孔設(shè)置于軌道板兩側(cè)，縱向間距2 m，嵌入開挖輪廓線外基巖2.5 m。

5 結(jié)語

大型斷裂融合帶地質(zhì)極其復雜多變，結(jié)構(gòu)受力環(huán)境差；整個隧道均位于軟弱破碎地質(zhì)環(huán)境中，導致施工極其困難，安全風險高；圍巖穩(wěn)定性差，支護變形普遍，工期風險大；復雜環(huán)境地應(yīng)力大、地下水發(fā)育，隧底及無砟軌道動力穩(wěn)定問題突出。

設(shè)計針對大型斷裂融合帶復雜地質(zhì)特長隧道的高風險性和不確定性采用“加強預報、平導超前、支護加強、調(diào)整工法、創(chuàng)新注漿、圓形襯砌”等措施，取得了較好的效果。祥和隧道是云南地區(qū)第一座利用貫通平導多掌子面超前正洞施工，實現(xiàn)全線工期的特長隧道，為類似工程在輔助坑道選擇及平導快速施工提供較好借鑒。

上述實踐表明，采用“排水減壓、錨桿鎖定、注漿補強”等措施，能有效解決復雜環(huán)境下地應(yīng)力大和地下水發(fā)育造成隧底及無砟軌道動力穩(wěn)定控制難題。