穿越断裂破碎带公路隧道施工技术研究

吴世解

（中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524005）

在公路隧道施工过程中往往会遇到断裂破碎带，而穿越断裂破碎带施工安全风险较大，若不控制好施工方法，发生拱顶沉降过大、坍塌、突水、突泥等情况的概率相当大[1]。本文依托广连高速公路TJ03 标罗家营隧道右洞建设施工项目，对隧道穿越断裂破碎带施工技术进行研究。

1 项目概况

本文所依托的工程项目罗家营隧道为分离式+小净距隧道，单洞共设3条车道。本隧道单洞的建筑界限净宽为15.50m，隧道净高为5.00m。右线里程桩号为K50+965～K51+825，长860m，最大埋深约55.06m，呈弧线形。根据物探成果反映罗家营隧道右线YK50+970～YK51+030 段视电阻率低异常，纵深方向上连续，平面宽度约30m。根据异常带内电阻率低的异常特征，推断此处为断裂破碎带或者节理裂隙发育带[2]。由于穿越断裂破碎带施工风险较大，若不控制好施工方法，发生隧道拱顶沉降过大、坍塌、突水、突泥等事故的概率相当大，为确保安全穿过断裂破碎带，在现有设计资料以及物探成果的前提下，需进一步做好超前地质预报，并根据地质预报成果最终确定开挖方法。罗家营隧道右洞断裂破碎带位置如图1 所示。

图1 罗家营隧道右洞断裂破碎带位置示意图

2 超前地质预报

为进一步探明待施工的罗家营隧道YK50+970～YK51+030里程段的工程地质以及水文地质的活动态势。项目部用RAMACX3M 地质雷达进行超前地质预报，天线的中心频率为100MHz，此地质预报方法可预报掌子面前方约20～30m 的范围。

根据第一次地质超前预报资料显示，YK50+970～YK51+00 区域雷达信号变化较大、有规律性，幅值强，波形乱，同相轴不连续，呈均匀的中低频信号为主，推断该区域围岩为全～强风化花岗岩。且该处围岩岩体破碎，节理裂隙发育，岩质较软，围岩完整性较差、自稳能力差。此种类型的围岩在无支护时，容易发生拱部易坍塌以及侧壁易失稳现象，隧道洞室内在集中降雨状态下呈线状或淋雨状出水，视电阻率100～1200Ω·m，[BQ]值145，根据[BQ]值可推断为V 级围岩。第二次地质超前预报结果与第一次超前预报结果类似。

3 施工工艺技术

3.1 施工技术简介

结合超前地质预报结果，此类型围岩若采用台阶法施工极易发生拱顶沉降过大、坍塌、突水、突泥等情况。经与业主单位、设计单位、监理单位等多方讨论，初步计划该段隧道的开挖方法为双侧壁导坑法，采用的衬砌结构型式为XS-Va 型，采用的超前支护形式为超前注浆小导管[3]。采用微震爆破开挖洞身，以减少爆破对围岩的扰动，同时采用装载机、挖掘机等机械设备与人工开挖结合。施工过程严格遵循“早预报、预注浆、管超前、半断面、留核心、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤测量”的原则[4]。

由于隧道初期支护施工完成后围岩处于较稳定状态，二次衬砌的工艺较常规，本文将不对二次衬砌施工方法做详细描述，主要介绍超前支护施工以及洞身开挖的双侧壁导坑法在隧道穿越断裂破碎带中的应用以及效果。

3.2 超前支护

根据超前地质预报结果，YK50+970～YK51+030 里程段隧道无支护时隧道侧壁易发生失稳，隧道拱部易发生坍塌，同时极有可能发生突水事故。为避免洞身开挖时出现事故，用51 根φ50mm 的超前注浆小导管进行超前支护。超前注浆小导管长度为4m。小导管的施工工艺如下：

（1）小导管制作：项目部从有资质的厂家采购超前注浆小导管成品，小导管原材料为热轧无缝钢管，管径φ50mm，壁厚5mm，管口0.5m 范围内管壁段不开孔，其余管壁上采取梅花型钻眼，钻眼间距15cm，钻眼直径10mm。小导管尾部做成长度为10cm 的锥形，锥形部分不钻孔。

（2）小导管的钻孔、安设：先根据图纸进行测量放样，并在围岩放样点上做好标记，根据放样点和设计角度进行钻孔，钻孔方向应顺直，钻孔深度均大于设计钻孔深度，钻孔直径按照大于超前小导管直径20mm 进行控制；钻孔时，超前小导管孔位按照纵向搭接长度不小于1m 进行控制[5]。钻孔施工完成后清理空洞，清理方法为将高压风送入孔底，将钻渣清理干净。清理完成并经验收合格后方可将小导管插入钻孔中，小导管外插角为12°，或将小导管从型钢钢架上部、中部打入。小导管外露长度按照不小于20cm 进行控制，小导管的外露部分支撑于掌子面后方的型钢拱架上。

（3）双层小导管布置方式：第一层与第二层纵向错开一榀钢拱架，环向错开20cm，钢管环向间距为40cm，外插角第一层20～25°，第二层8～12°。

（4）注浆：本项目的注浆设备为HBY-60 注浆泵，采用水泥净浆作为注浆材料，水泥浆的水灰比为1∶1。注浆前先将管内沉积物冲洗干净。注浆顺序为由下至上，并根据注浆先后顺序调整浆液的浓度，开始注浆时先用较稀的浆液注浆，后续将浆液浓度调浓。注浆压力范围维持在0.5～1MPa。注浆时，当达到设计终压1.0MPa 时维持此注浆压力10min 以上。注浆压力逐级缓慢提升。根据现场实际情况，注浆的实际注入量与设计注浆量大致相近，注浆结束时的进奖量在20～30L/min 以下[6]。

（5）双侧壁导坑支护中的导坑也采用φ50×5mm 的钢花管作为注浆小导管。导坑锚杆为φ22 药卷锚杆，锁脚锚管为φ22 注浆锚杆。

（6）超前小导管施工注意事项：导管孔施工时控制好导管孔的位置及角度，导管孔的孔径按照大于钢管直径20mm 控制，小导管的实际打入长度不小于设计长度。钻孔时根据测量放样点进行，为确保孔位外插角度符合设计要求，项目部加工了方向架用于控制钻孔方位。

因施工过程难免有孔位偏差超过规范规定的允许误差的情况，为确保超前支护的施工质量，施工时需进行补管，补管位置主要为距离偏大的两孔间处，补管施工质量要求与其他管一致。由于岩体破碎，施工时常常遇到注浆压力不满足设计图纸要求的情况。根据此情况，项目部及时调整水泥净浆的配合比，并采取小泵量低压注浆或间歇注浆，使水泥浆在裂隙中停留时间加长的方式，以便凝胶。因浆液为水泥净浆，施工中均按注浆后8h 再开挖的时间间隔进行控制。施工完成后逐孔、逐根检查小导管并做好记录。因越断裂破碎带围岩自稳能力差，采用超前小导管的超前支护形式有效保证了隧道开挖工作面的稳定。超前小导管的支护效果也在后续的洞身开挖中得到了验证。

3.3 洞身开挖

3.3.1 洞身开挖施工概述

采用双侧壁导坑法开挖隧道洞身，为确保施工安全，避免左右洞施工相互影响，隧道左右线开挖错开，本隧道先进行左洞施工，后进行右洞施工，左洞掌子面与右洞的二衬间距约30m，满足规范要求不小于20m 的要求。洞身开挖爆破施工采用弱爆破的方式，以减少对围岩的扰动，并辅以人工、挖掘机、风镐，相互配合开挖。

3.3.2 开挖及支护顺序

罗家营隧道穿越断裂破碎带采用双侧壁导坑法进行施工，施工工艺顺序立面图如图2 所示。

图2 罗家营隧道双侧壁导坑法施工工序立面图

穿越断裂破碎带的开挖、支护顺序按中字母顺序由A 至P 进行，具体施工顺序如下：主洞小导管超前注浆预支护→左侧导洞上半断面开挖→左侧导洞上半断面初期支护→左侧导洞下半断面开挖→左侧导洞下断面初期支护→右侧导洞上断面开挖。右侧导洞上断面初期支护→右侧导洞下半断面开挖→右侧导洞下半断面初期支护→主洞上部开挖→主洞上部初期支护→主洞中部开挖→主洞下部开挖→主洞下部初期支护、中夹岩柱加固→浇筑主洞仰拱→铺设防水板，浇筑二次衬砌混凝土→另一侧主洞开挖。

因超前支护已经采取超前小导管的方式，提高了围岩的稳定性，在开挖过程中也未发生突水、突泥的情况，证明此种超前支护的形式是安全有效的。

因本断裂破碎带围岩破碎，极易坍塌，虽然已经采取了超前支护，但是围岩的自稳能力尚无法得到明确判断。为避免大面积坍塌，本段开挖循环进尺按50cm 控制（1 榀钢架间距）。开挖后及时安装钢拱架并喷射混凝土。

施工中，二衬距离下台阶长度按不大于20m 控制。主洞下台阶长度全程按5～10m 控制。主洞中台阶长度按10～20m 控制。主洞的上、中台阶间距按5～10m 控制。侧导洞上、下掌子面间距按不大于10m 控制。施工过程中最大临界震动速度v≤15cm/s。

为避免拱顶下沉侵入隧道建筑界限，结合设计文件、监控量测成果以及类似项目的经验，隧道拱顶预留变形量按照15cm 控制。施工中，型钢拱架锁脚锚杆施工完成后再开挖仰拱。初支施工在隧道洞身开挖完成后进行，侧导洞初期支护临时钢拱架的拆除时间均在主洞初期支护钢拱架后。

因本段隧道围岩等级为V 级，为满足施工安全以及施工规范的要求，本段围岩封闭位置与掌子面的距离按不大于35m 控制。

开挖完成后，二次衬砌根据监控量测成果进行，监控量测相关参数满足规范要求后再施工二次衬砌。

3.4 监控量测

为验证本方法在穿越断裂破碎带公路隧道施工中的有效性，同时根据规范的相关要求，项目部对隧道进行了监测，主要监测项目如下：

3.4.1 地质及支护状态观测

对开挖工作面的观察结果：岩体破碎，围岩完整性较差、自稳能力差，需要及时支护，开挖过程中易发生拱顶局部掉块。

开挖后已支护段的观察结果：初期支护完成后喷射混凝土层表面无裂痕；喷射混凝土没有产生裂缝或剥离且没有发生剪切破坏；钢支撑无被压弯曲现象；没有底鼓现象。

3.4.2 拱顶下沉监测

此段隧道开始施工一个月内部分断面拱顶沉降的监测数据如表1 所示。

表1 拱顶沉降的监测数据

3.4.3 周边位移观测

此段隧道开始施工一个月内部分断面的周边收敛的监测数据如表2 所示。

表2 周边收敛的监测数据

3.4.4 监测结论

隧道右线拱顶沉降监测数据和周边收敛监测数据分析可知，右线穿越断裂破碎带段监测断面的拱顶下沉、周边收敛相对变化速率及累计位移量基本符合规范要求。

4 结束语

本破碎断裂带施工段目前已安全施工完成，施工中未出现隧道拱顶沉降过大、坍塌、突水、突泥等事故，公路隧道穿越断裂破碎带时采用双侧壁导坑法进行施工是一种较为有效的方法。