呂超，張鵬，何俊瀾，黃俊閣，王盛鑫

(廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530023)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，為了滿足不同地域人民對用水的需求，國家大量投資引調(diào)水工程。引調(diào)水工程中隧洞是常見的形式，但隧洞開挖過程中遇到斷層破碎帶時，常會引起圍巖較大變形，甚至會造成隧洞圍巖失穩(wěn)、塌方、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

日本的惠那山隧道(國兆林，1983)、中國的國道317 線鷓鴣山公路隧道(王睿，2003)、烏鞘嶺隧道(卿三惠和黃潤秋，2005；蒲有林，2007)、關(guān)角隧道(張旭珍，2011)、蘭渝鐵路兩水隧道(趙福善，2014)、谷竹高速青峰隧道(劉秀芝，2018)、木寨嶺隧道(劉高等，2005；張波，2014；祁賢，2018；韋云等，2018)和深埋軟巖輸水隧洞(王忠昊，2019)等，均遇到了不同程度的圍巖變形失穩(wěn)、塌方等問題，在穿越斷層破碎帶過程中，復(fù)雜不利的地質(zhì)條件不僅嚴重影響施工工期，提高工程費用，更重要的是若處置不當，很可能會存在嚴重的安全隱患。在隧道掘進過程中，采取及時持續(xù)的監(jiān)測手段，不斷優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)，并根據(jù)斷層帶中的巖體性能進行專門性地支撐和開挖順序設(shè)計，能有效預(yù)防和減少圍巖變形引發(fā)的工程地質(zhì)問題(Schubert et al.，2006)。因此，準確查明斷層破碎帶的位置及其工程地質(zhì)特征，并在開挖過程中選擇合理的支護措施和時機以保證隧洞的安全穩(wěn)定，是隧洞施工中尤為重視的問題?；趯嶋H工程中地質(zhì)條件的復(fù)雜性，多手段結(jié)合的勘探方法在地質(zhì)工作中逐漸廣泛應(yīng)用，張紹棟等(2020)結(jié)合電法勘探中兩種不同的勘察方法，有效地解決了受構(gòu)造控制的多金屬礦勘查問題，李英賓等(2020)將高密度電阻率法和探地雷達方法應(yīng)用于泥石流災(zāi)害的勘察，并取得較好的成果，為相關(guān)工程采用綜合手段開展勘察工作提供了技術(shù)支撐。同時，保障隧洞工程安全進行需對圍巖力學機制有較深的了解，而現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗的局限性，使得模擬手段在此類問題的研究中得到廣泛使用和認可，鐘正強等(2009)、段金成(2017)、唐銳等(2018)等眾多學者采用數(shù)值模擬法分析了不同條件下的隧道變形問題，為采用合理的支護結(jié)構(gòu)和控制方法提供了依據(jù)。

筆者以廣西桂中治旱工程為背景，詳細介紹了該工程引水隧洞線路上斷層帶的勘察方法與成果，利用有限元模擬軟件分析了隧洞的圍巖穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上進一步對圍巖的支護方案及設(shè)計方案支護下的施工效果等進行研究。對引調(diào)水工程中隧洞開挖遇到斷層破碎帶時，如何解決該復(fù)雜工程地質(zhì)問題有實際的借鑒意義。

1 工程地質(zhì)環(huán)境條件

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)工程位于紅水河流域中下游、著名的桂中旱片區(qū)內(nèi)。灌區(qū)主要位于桂中盆地內(nèi)，部分位于桂中盆地與桂西山地過渡帶，總體地勢西北高東南低，西北部、東南部山峰一般高程分別為600～740 m 和400～550 m。灌區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛，地貌以峰叢洼地、峰林平原、谷地、殘峰、殘丘平原、巖溶壟崗等巖溶地貌為主。

灌區(qū)屬紅水河流域，河谷深切成“V”字型，兩岸巖壁陡峭，河床基巖出露，沿河斷續(xù)分布有兩級階地及河漫灘。主要有石炭系、二疊系、三疊系、白堊系等地層，基巖以灰?guī)r、含燧石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖為主，局部為硅質(zhì)巖、砂巖、泥巖等。

灌區(qū)總干渠沿紅水河左岸布置，總干渠末端分為北、南干渠?？偢汕L30.3 km，北干渠長56.6 km，南干渠長28.7 km，干渠沿線為其他分干渠。北干渠陳村—六浪段以隧洞為主，全長20.12 km，其中鉆爆法施工段長約3.7 km，城門形斷面，隧洞寬×高為6.37 m×5.94 m；全斷面隧道掘進機(TBM)施工段長16.4 km，圓形斷面，洞徑5.94 m。

本文主要以TBM 施工段發(fā)育的F5斷層組為研究對象。F5-1斷層產(chǎn)狀90°∠70°～80°，具有壓扭性，沿著斷層走向斷續(xù)出露斷層角礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，破碎帶寬度3～5 m。F5-2斷層產(chǎn)狀90°∠60°，長度大于3 km，具有壓性，洞軸線和斷層相交位置破碎帶寬3～8 m，破碎帶內(nèi)以角礫巖為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，局部呈泥夾石，巖溶發(fā)育程度為中等。F5-3斷層產(chǎn)狀為90°∠60°，延伸長度大于3 km。斷層和洞線相交一帶覆蓋層深厚，未見出露，斷層破碎帶寬度15～20 m 左右，破碎帶內(nèi)以角礫巖為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，局部呈泥夾石，巖溶發(fā)育程度為中等。

斷層帶與洞軸線相交處隧洞埋深約200 m，圍巖破碎，以鈣質(zhì)膠結(jié)的斷層角礫巖為主，巖體強度較低，且地下水位較高，隧洞開挖勢必會帶來圍巖穩(wěn)定性問題。本文針對隧洞穿越斷層破碎帶這一工程地質(zhì)問題，利用多手段詳細開展了工程地質(zhì)勘察，在準確了解圍巖地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上對隧洞開挖后圍巖的穩(wěn)定性及支護措施進行研究。

2 斷層帶的綜合勘察與地質(zhì)評價

研究段落地處合山盆地內(nèi)，地形平緩，地面高程約117～125 m，圍巖以中厚—薄層狀灰?guī)r為主，部分洞段為鈣質(zhì)泥巖及含硅質(zhì)灰?guī)r，局部洞段巖溶比較發(fā)育。隧洞沿線地下水比較豐富，地下水位線一般位于洞頂以上60～100 m 之間。為了查明F5斷層帶的發(fā)育情況，評價其對隧洞開挖的影響，針對斷層帶進行了綜合勘察，通過地質(zhì)測繪、物探、鉆探等多種方法查明了該斷層附近隧洞沿線的地質(zhì)條件，其中勘探鉆孔4 個，物探剖面6 條，具體勘察工作布置可見圖1。

圖1 勘察區(qū)地質(zhì)概況及勘探線布置

2.1 地質(zhì)測繪工作

首先結(jié)合前期勘察資料，對F5斷層帶進行了工程地質(zhì)測繪工作。調(diào)查發(fā)現(xiàn)斷層與隧洞軸線相交處北側(cè)山上懸崖底連續(xù)出露角礫巖，寬度1～3 m，呈淺肉紅色，角礫成分為灰?guī)r，粒徑5～10 cm，鈣質(zhì)膠結(jié)，強風化—弱風化狀態(tài)(圖2)。南側(cè)山體覆蓋層較厚，零星出露角礫巖，膠結(jié)較好。

圖2 地表斷層角礫巖膠結(jié)情況

2.2 物探工作

為查明斷層發(fā)育情況及隧洞軸線斷層附近巖溶發(fā)育情況，在斷層帶附近共布置6 條大地電磁法剖面。其中WT2-WT2′和WT3-WT3′剖面異常帶與F5-2斷層破碎帶位置吻合(圖3)。

圖3 物探成果解釋圖

WT4-WT4′在剖面上高程150～180 m，局部呈低阻閉合狀，縱橫向變化非常明顯，與周圍存在電性差異，存在異常；WT5-WT5′剖面高程20～80 m，等值線深切，局部呈低阻閉合狀，橫向變化非常明顯，與周圍存在電性差異，存在異常。這兩條剖面的異常帶與F5-3斷層破碎帶較為吻合(圖4)。

2.3 鉆探工作

為進一步勘察及驗證物探成果，在斷層附近布置有4 個勘探鉆孔。其中ZK3004、ZK3005 在預(yù)測深度范圍內(nèi)并未打到斷層破碎帶，所以停止鉆探，并未打到隧洞底板以下。ZK3003 鉆孔在預(yù)測深度范圍內(nèi)打到斷層破碎帶，因此鉆孔繼續(xù)鉆進到隧洞底板下約10 m，最終孔深180.8 m。ZK3003 鉆孔取芯結(jié)果顯示，孔深49.8～68.4 m 段巖體較破碎，采取率低，呈灰—灰黑色。巖芯呈碎塊狀，塊徑一般3～6 cm，局部呈角礫狀。節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面微張—張開，充填灰黑色泥碳質(zhì)，裂隙面起伏粗糙，局部有肉紅色渲染。該段巖芯與野外露頭的斷層帶巖性較為一致，鉆孔內(nèi)斷層帶段巖芯見圖5。

圖5 鉆孔(ZK3003)中斷層帶巖芯情況

2.4 地質(zhì)評價

經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)測繪、物探及鉆孔取芯等成果綜合分析，斷層F5-1、F5-2及F5-3破碎帶寬度分別為3～5 m、3～8 m 和15～20 m，受褶皺和斷層影響，巖層扭曲巖層產(chǎn)狀變化大，斷層帶內(nèi)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，裂隙面微張—張開，充填灰黑色泥碳質(zhì)及巖屑，裂隙面起伏粗糙，有肉紅色渲染，局部為角礫巖，呈鈣質(zhì)膠結(jié)，斷層破碎帶為Ⅴ類圍巖，極不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)塑性變形，需要對圍巖進行加固處理，具體地質(zhì)條件可見圖6。

圖6 斷層帶地質(zhì)剖面圖

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察成果和室內(nèi)試驗成果，對F5斷層破碎帶處隧洞圍巖的物理力學參數(shù)綜合取值見表1。

表1 斷層帶隧洞圍巖物理力學參數(shù)建議值

3 圍巖穩(wěn)定性及支護措施研究

基于以上對斷層破碎帶的勘察結(jié)果及巖體質(zhì)量評價，斷層帶處巖體質(zhì)量等級劃分為Ⅴ類圍巖，隧洞施工過程中，受開挖卸荷和應(yīng)力集中的影響，圍巖極不穩(wěn)定，為保證隧洞施工安全進行，TBM 掘進施工前必須對圍巖進行加固處理，并及時采取合理的支護措施。

本工程提前對斷層破碎帶處的圍巖進行高壓固結(jié)灌漿(水泥凈漿)預(yù)膠結(jié)處理，然后TBM 緩慢掘進，開挖完成后立即對掌子面及洞壁圍巖采取錨噴+型鋼支護等措施，并對5～10 m 范圍內(nèi)的洞壁圍巖進行高壓固結(jié)灌漿處理。支護方案具體設(shè)計參數(shù)如下:全斷面注漿鋼花管直徑(φ)89 mm，間距(@)500 mm × 8000 mm(環(huán) 向× 縱 向)，總 長度(L) ＝15000 mm，外傾角6°；全斷面鋼筋網(wǎng)直徑(φ)8，間距(@)200 mm ×200 mm(兩層)；濕噴纖維砼C25(混凝土強度等級)，厚200 mm；頂拱120°范圍鋼筋排；型號(HW)150 mm ×150 mm，間距(@)450 mm；頂拱270°范圍直徑(φ)18 mm 錨固劑錨桿，環(huán)向間距為0.9 m，縱向間距0.45 m，長度1.8 m，相間布置；全斷面固結(jié)灌漿直徑(φ)90 mm，間距(@)2000 mm×2000 mm，總長度(L) ＝5000 mm；頂拱中心角120°范圍設(shè)排水孔直徑(φ)50 mm，間距(@)3000 mm×3000 mm。

3.1 圍巖穩(wěn)定性分析

采用有限元分析程序，選取斷層帶附近里程16+215 m 處為典型斷面，對隧洞開挖后在無支護和按設(shè)計方案支護兩種工況下圍巖的穩(wěn)定性進行分析。初始地應(yīng)力主要為自重應(yīng)力，最大主應(yīng)力基本豎向，最小主應(yīng)力大致沿水平向分布，應(yīng)力大小與埋深直接相關(guān)，且隨埋深增大而增大。在里程16 +215 m 斷面處，隧洞埋深為177.04 m，在巖體自重應(yīng)力作用下，初始地應(yīng)力相對較大。在隧洞中心處第一主應(yīng)力σ1＝4.5165 MPa；第二主應(yīng)力σ2＝3.1369 MPa；最大剪應(yīng)力σxy＝0.0114 MPa。

根據(jù)前期勘察結(jié)果所繪制的地質(zhì)剖面，建立二維有限元網(wǎng)格模型(圖7)，對隧洞開挖后支護和未支護條件下圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形特征以及塑性區(qū)分布特征進行模擬分析。巖體采用二維4 節(jié)點等參實體元及其退化單元模擬，錨桿采用桿單元。此外，還在拱頂和左右兩側(cè)拱腰位置設(shè)置監(jiān)測點以獲取圍巖的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)。

圖7 里程16 +215 m 剖面處有限元網(wǎng)格劃分圖

由隧洞開挖后支護和未支護條件下圍巖最大主應(yīng)力分布狀態(tài)(圖8)可得，隧洞開挖后，受斷層影響，未支護條件下，由于底板上抬和頂拱下沉，致使圍巖最大主應(yīng)力在左右兩側(cè)洞壁位置明顯集中，左右兩側(cè)洞壁處最大主應(yīng)力顯著高于拱頂和底板。

圖8 圍巖最大主應(yīng)力等值線圖

拱頂處圍巖最大主應(yīng)力為6.46 MPa，左右兩側(cè)洞壁處圍巖最大主應(yīng)力分別為11.40 MPa 和11.20 MPa。按原設(shè)計方案進行支護加固后，最大主應(yīng)力集中范圍顯著減小，拱頂處最大主應(yīng)力為4.06 MPa，左右兩側(cè)洞壁處圍巖最大主應(yīng)力均為4.84 MPa，較未支護條件下，最大主應(yīng)力值顯著降低。

由圖9 和圖10 可得，隧洞開挖后，在未支護條件下，受斷層破碎帶影響，圍巖水平和豎直方向位移均較大(UX-Z0(cm)、UY-Z0(cm)分別表示圍巖水平和豎直方向的位移)，頂拱沉降為62.15 mm，左右邊墻中部水平位移分別為 45.62 mm 和44.38 mm。采用灌漿等支護措施后，圍巖拱頂沉降以及左右邊墻的侵入變形均得到了有效的控制，頂拱沉降量減小至2.60 mm，而左右邊墻中部水平侵入位移分別減小至1.90 mm 和1.79 mm。

圖9 未支護條件下圍巖位移等值線圖

圖10 支護后圍巖位移等值線圖

圖11 為斷層破碎帶處隧洞開挖后圍巖塑性區(qū)分布圖。由圖可得，由于該段埋深較大，地應(yīng)力相對較高，加之受斷層影響，圍巖破碎，強度較低，隧洞開挖后，未支護條件下，圍巖將產(chǎn)生塑性破壞，拱頂塑性區(qū)深度達1.23 m，左右邊墻塑性區(qū)深度分別為0.99 m 和1.31 m。經(jīng)注漿加固等支護后，未見明顯的塑性區(qū)。表明按原設(shè)計方案進行支護后，圍巖的侵入變形得到了有效的控制。

圖11 圍巖塑性區(qū)分布

3.2 支護效果分析

基于數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，受斷層破碎帶的影響，隧洞開挖后在洞頂及左右兩側(cè)洞壁產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，無支護條件下，拱頂左右兩側(cè)洞壁不斷向臨空面產(chǎn)生侵入變形，塑性區(qū)不斷向深部擴展，洞周約1 m 范圍內(nèi)圍巖均產(chǎn)生明顯的塑性變形。

按設(shè)計方案對圍巖進行注漿加固后，圍巖整體強度得到了顯著的提高，抗變形能力顯著增強，拱頂沉降以及兩側(cè)洞壁的侵入變形均得到了有效的控制。注漿加固后，圍巖整體性提高，未見明顯的塑性區(qū)，表明支護后圍巖未產(chǎn)生塑性破壞現(xiàn)象，原支護方案加固效果良好。

目前該斷層帶隧洞段已經(jīng)開挖和支護完畢，從施工現(xiàn)場來看，提前對斷層帶的圍巖進行高壓固結(jié)灌漿預(yù)膠結(jié)處理，得以保證TBM 正常掘進；后對隧洞圍巖進行錨噴+型鋼支護，與圍巖形成整體共同受力，保證斷層帶隧洞圍巖的穩(wěn)定性；最后進行全斷面固結(jié)灌漿處理，增加了斷層帶隧洞圍巖的安全儲備。施工完畢至今，該段隧洞內(nèi)壁無開裂或破損情況，設(shè)計方案可行，支護效果良好。

4 結(jié)論

(1)隧洞施工前，對于斷層破碎帶發(fā)育段落，利用現(xiàn)場踏勘、地質(zhì)測繪結(jié)合物探和鉆探等綜合勘察手段，重點查明了不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育段落洞身處圍巖的地質(zhì)條件。并結(jié)合室內(nèi)試驗確定了洞身段圍巖的物理力學參數(shù)，為設(shè)計支護方案提供基礎(chǔ)資料。

(2)經(jīng)有限元模擬計算，隧洞開挖后，受斷層破碎帶影響，在洞頂和兩側(cè)洞壁應(yīng)力不斷集中，圍巖塑性區(qū)不斷向深部擴展。按設(shè)計方案對圍巖進行支護后，圍巖主應(yīng)力、變形量以及塑性破壞區(qū)深度都大幅降低，表明設(shè)計方案對隧洞圍巖加固效果明顯。

(3)采用“提前對斷層帶的圍巖進行固結(jié)灌漿預(yù)膠結(jié)處理→對隧洞圍巖進行錨噴+型鋼支護→圍巖全斷面固結(jié)灌漿處理”的方案對斷層破碎帶處圍巖進行加固，支護效果良好，方案可行合理。