F6断层隧道处治施工方案优化研究

黄海波

(中交第二航务工程局有限公司 武汉 430052)

断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象，是因地壳变动使地层岩体沿破裂面发生明显位移或较大错动的断裂构造[1]。它的分布区段是隧道围岩不稳定的区段之一[2]。在多数情况下，断层破碎带是作为一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带存在的，与其两侧岩体在物理力学特性上具有显著差异[3]。在其中开挖隧道容易失稳，发生突涌水灾害，进而导致塌方事故，造成人员、设备损失，使工期延后，费用增加[4]。因此，处治断层是十分重要的。

笔者在天山胜利隧道敞开式TBM穿越F6断层破碎带施工的实践过程中，针对F6断层处治工程，对一系列处治措施进行分析比选研究，以此为相关工作提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

天山胜利隧道是乌尉高速的一条分离式特长深埋隧道，最大埋深约 1 112.6 m，具有跨度大和小高跨比的特点。

隧道位于F6断裂(博-阿断裂)影响区内，F6断裂(博-阿断裂)主断裂桩号PK77+730-PK77+830，宽度约100 m；断裂影响带在隧道洞身里程PK77+565-PK77+892，宽度约345 m，隧址区F6(博-阿断裂)破碎带和影响带范围示意见图1。

图1 隧址区F6(博-阿断裂)破碎带和影响带范围

隧道走向与断裂带走向交角约为85°，受断裂影响，岩体破碎，围岩等级为V和IV级。施工时拱部无支护易产生大规模坍塌，侧壁稳定性较差。在预计和冰雪融化季节施工时呈淋雨状或涌流状出水，对隧道影响程度较大。

1.2 地形地貌情况

天山胜利隧道位于剥蚀构造高山地区，隧道横穿天山，山体总体呈东西走向，胜利达坂一带呈弧形向南突出，地形起伏大，线路区最高海拔为天山山顶4 165 m，最低为隧址区进口端海拔2 780 m，相对高差近1 390 m。隧址区山高坡陡，多形成悬崖峭壁，岩石风化破碎，冰川地貌发育，河谷切割较深，多为“V”形谷。

隧址区位于构造剥蚀高中山地貌区，中轴线地面高程2 777.00～4 113.00 m，相对高差1 336.00 m，地形起伏大，岩石风化强烈，冰川及冰川地貌发育，堆积物主要以第四系冰水堆积碎块石土为主。

1.3 水文地质情况

隧址区地表水系主要为乌鲁木齐河、乌拉斯台河和阿拉沟河，地下水主要受北侧乌鲁木齐河、南侧乌拉斯台河及其支流控制，主要靠大气降水补给为主。地表地层主要为全新统冰水堆积碎块石，全新统崩坡积碎块石，分布不均匀，大部分地段基岩出露，隧址出露地层岩性主要为泥盆系变质砂岩、凝灰岩，志留系石英片岩及华力西期侵入花岗岩、花岗闪长岩等。

总体而言，隧址区地下水类型较复杂，相对含水层的富水性较强、透水性中等，相对隔水层富水性及渗透性弱，地下水的补给主要受季节控制，径流和排泄条件较好，岩体富水性及渗透性差异较大，但总体上富水性一般，渗透性不高，地下水量一般，有集中涌水可能，故拟建隧址区水文地质条件较复杂。

2 处治F6断层施工方案

2.1 中导管预支护

采用TBM机组自带的ATLAS1838HD+中导管钻机，钻设直径76～89 mm中导管管棚，长度约35 m，钻孔角度8°，TBM主机长度9.7 m，预留搭接长度5.0 m，有效掘进长度25 m，间距400 mm。

中导管要求除搭接TBM主机段外，全部做成花管，端部做成尖状，方便下管。

2.2 全断面注浆堵水固结

当掌子面发生突涌水，而且围岩状况相对完整，此时，可将TBM主机后退约3.8 m，在掌子面搭设脚手架，施工钻机采用能从人孔或中心刀孔转移的架柱式液压钻机，钻孔深度约25 m，盾体外扩散半径约6 m，灌浆浆液可以考虑采用水泥-水玻璃双液浆、堵水化学材料、水下不扩散絮凝混凝土等灌浆材料。采用由外向内分层钻孔分层注浆。每次恢复掘进后，预留约5 m的制浆岩盘，再进行下一循环施工。全断面注浆堵水固结有很强的实践性，根据地质水文条件和现场实施情况及时调整注浆参数，否则难以达到预期目的[5]。

2.3 管棚超前注浆固结

首先通过刀盘人孔、滚刀孔、铲刀进渣口、刀盘护盾防尘罩预留孔等对掌子面进行化学灌浆加固，主要实现以下目标：①加固掌子面，防止超前灌浆材料回流损坏TBM设备；②防止管棚下与TBM盾体和刀盘脱空部位松散围岩坍塌，造成管片悬空受力，影响结构稳定；③TBM掘进过程掌子面的稳定可确保TBM脱困效果，延长一次脱困施工距离。减少脱困施工频次，提高断层施工进度。

管棚钻注一体施工采用意大利卡萨C3XP-2隧道多功能钻机，可实施直径108～254 mm管棚，最大钻孔深度120 m。本工程拟采用直径108 mm钢管棚，可实现跟管钻进，随后即可进行超前灌注。灌浆采用TW400/S高压三列注浆泵(功率400 kW，额定灌浆压力80 MPa)。

2.4 TBM主机通过后周边注浆固结

TBM主机掘进通过后，出现以下情况需要进行后加固处理：①一次支护外为软岩挤压变形围岩，通过监控量测，围岩收敛变形仍在继续，为确保隧洞施工安全，需要在360°范围内钻孔安装系统锚杆；②一次支护外为破碎围岩，通过监控量测，围岩收敛变形仍在继续，为确保隧洞施工安全，需要在360°范围内钻孔安装注浆花管并进行注浆加固，注浆前应进行岩面封闭。

2.5 地表深孔定向注浆固结

在断层规模较大时，为节省TBM穿越断层施工工期，在TBM到达前提前采取地表深层定向灌浆，能够实现TBM穿越段断层的超前预加固，简化TBM断层带施工工艺，地表深层定向灌浆示意图见图2。

图2 地表深层定向灌浆示意图

2.6 水平冻结法

冻结法是通过人工制冷技术冻结土体水分，使土体变成具有较高强度的冻土体。冻结法有良好的加固与封水效果，冻结土体的强度高并可根据施工要求调节不同部位土体的强度，且适用于任何含一定水量的松散岩土层，尤其在富水砂层地铁工程应用中有较好的优越性[6]。

人工地层制冷技术分为盐水(CaCl2溶液)冷媒剂循环间接制冷，液氮(N2)制冷剂气化直接制冷两类。通常采用氟利昂(R22)或氨(NH3)制冷剂间接制冷法。

随冷媒剂循环，地层中的水逐渐结冰，形成以冻结管为中心的冻结圆柱，并不断外扩大与相邻冻结圆柱连为一体，最终形成具一定厚度及强度的冻结帷幕(冻结壁)。冻结管直径×壁厚为89 mm×10.0 mm或直径×壁厚为89 mm×8.0 mm，供液管直径×壁厚为45 mm×3.0 mm，接头强度不低于母管的75.0%。

2.7 迂回导坑法

迂回导坑法适用于大规模断层破碎带、地质条件复杂和TBM无法安全通过的不良地质条件[7]，迂回导坑平面示意见图3。

图3 迂回导坑平面示意图(单位：m)

TBM掘进通过断层破碎带时，受碳质板岩、片麻状花岗闪长岩等破碎围岩影响，刀盘和护盾段易被破碎岩体卡死受困。可采用迂回导洞钻爆法处治，TBM步进通过。利用超前地质预报进行预测，当TBM刀盘距离断层破碎带50 m时停止掘进，然后在距离TBM尾部50 m的安全距离处开辟辅助横洞，直通右侧主洞，开辟迂回导洞，到达断层破碎带。对断层进行钻爆法施工，由于断层围岩地质较差，采用微台阶开挖施工方案，必要时采用环形开挖留核心土法，爆破完成后，采用侧翻装载机配合自卸汽车运至洞外永久弃渣场。

3 方案比选

3.1 施工方案优缺点分析

从方案的注浆或冻结效果、技术要求、施工工期、施工成本等角度对各个方案的优缺点进行比较，各方案的优、缺点分析结果见表1。

表1 各个处治方案优缺点分析

3.2 方案适用性分析

各个方案在天山胜利隧道F6断层处治上的适用性分析见表2。

表2 F6断层处治方案适用性分析

3.3 比选结论

方案五地表深孔定向注浆固结与方案三管棚超前注浆固结相对其他方案而言更适合F6断层施工。最终具体实施顺序为首先采取方案五地表深孔定向注浆固结灌浆加固F6断层破碎带，TBM到达F6断层位置采取方案三管棚超前注浆加固，然后TBM掘进通过该洞段，并同步施工预支护和一次支护，TBM主机通过后，进行后期围岩收敛变形监控量测，对存在收敛变形洞段，及时采取周边注浆固结加固。

4 结语

天山胜利隧道穿越的F6断层为一条长期活动、以不同深度、不同变形行为和不同运动方向为特征的复合区域深大断裂，活动性质为右旋逆走滑形，断裂错动了山脊、水系及I～II级台地。沿断裂带南侧断续出露前寒武纪变质岩。对于F6断层的处治，通过对比、分析、优化，选择最佳方案，使项目的建设工期、成本、质量等达到最优。

对天山胜利隧道F6断层处治的7种施工方案进行分析：中导管预支护方案可利用TBM作为操作平台，利用自带设备钻孔，而中导管承载力偏低；全断面注浆堵水固结方案要求围岩相对完整且稳定性较好，而F6断层岩体较破碎；TBM通过后周边注浆固结方案对长大断层破碎带不适用，对TBM刀盘通过不良地质段无帮助；水平冻结法方案施工工期长且费用相对较高；迂回导坑法方案工期较长，钻爆施工震动扰动围岩，管棚及注浆量大。

综上所述，采用地表深孔定向注浆固结结合管棚超前注浆固结方案，在工程质量、建设工期和成本上具有一定的优势，可为类似工程项目施工方案的选择提供借鉴。