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摘要：地下水渗流作用下，断层破碎带围岩稳定性极差，是隧道施工中面临的难题之一。云南晋红高速公路光山1号隧道（单向三车道）施工过程中，通过香炉山断层时拱顶发生了岩土体涌出塌方和大变形，严重威胁隧道施工安全。结合隧道工程地勘资料、现场监测信息，分析了此类地层中隧道开挖的变形特性，得出了掌子面施工至断层区域发生涌出塌方及大变形的原因，针对塌方大变形段治理及后续施工提出针对性措施，即在施工处治过程中，通过加强隧道围岩变形监控，及时反馈异常信息并及时处理，成功处理了塌方及大变形里程段并顺利通过断层破碎带，其分析及治理方法可为类似工程提供参考。
关键词：隧道；断层破碎带；大变形；塌方处治
1、引言
隧道在爆破掘进过程中，不良地质区域围岩经开挖扰动后极易发生大变形，逐渐形成松散体，若未及时支护或支护强度不足，变形进一步增大后易发生隧道塌方，严重威胁施工人员及设备的安全，并带来较大的经济损失。隧道通过断层破碎带时，所通过区域一般围岩破碎，节理裂隙发育，风化严重，岩体强度较低，应力分布复杂，且往往地下水发育，开挖后围岩整体稳定性极差，施工支护不当时极易诱发围岩急剧变形和塌方。本文以晋红高速光山1号隧道通过以上不良地质区域时掌子面顶部围岩发生的塌方涌出为研究对象，结合其地质资料、现场施工及监测情况，分析了其围岩变形特性及坍塌原因，针对性提出治理措施，并在施工中加强监控及反馈，及时提出优化建议。
2、工程概况
1、水文地质概况
光山1号隧道设计单向三车道，长3335m，最大埋深236m。根据勘察报告和超前地质预报，隧道K25+460～K25+390段存在明显断层破碎带，围岩属于板岩、粉砂岩，呈板状构造，风化严重，节理裂隙发育，溶蚀现象发育，岩体呈碎块状，存在富水裂隙带，原设计围岩级别为VⅡ级，衬砌类型为SF5c。断层破碎带长约100～200m，断层与右线地面线交于K26+267、K25+734，左线交于Z3K26+232、Z3K25+626，交角25°～60°，受断层影响，岩体极破碎，隧道围岩自稳性较差，断层内水量丰富。
2、现场情况
光山1号隧道右幅掌子面施工至K25+411时，拱顶沉降、周边收敛断面监测速率持续增加，隧道围岩发生急剧变形，为保证隧道施工安全，立即撤出人员，随后隧道掌子面及拱部发生塌方并有岩土体涌出，为控制塌方体进一步变形，保证围岩稳定对掌子面及塌方体进行喷射混凝土封闭，并回填反压。
a.断层破碎带围岩(塌方前) b.初支裂缝
图2.1 施工现场情况
3、塌方机理分析及处治
3.1围岩变形特性及塌方机理
1、围岩变形特性分析
发生塌方前，掌子面后方初期支护发生急剧变形，通过分析掌子面后断层破碎带及临近的周边收敛及拱顶下沉断面监测数据，掌握隧道开挖时此类围岩变形特性，对塌方松散体处治及后续施工提供依据。取K25+431、K25+421、K25+413监测断面，各断面周边收敛及拱顶下沉变形曲线如下。
一般隧道开挖总变形量包括三个方面，即掌子面开挖前变形、掌子面开挖后到监测点布设期间的变形、布点后监测的变形，通常监测手段所测变形量为第三阶段变形，无法实现前两种变形监测。
三个周边收敛监测断面累计监测变形量分别为49mm、62mm、44mm，拱顶沉降累计变形量分别为178mm、205mm、184mm，监测累计变形量极大，即此类断层破碎带隧道开挖引起变形严重超出预留变形量，在已发生大变形里程段须结合倾入界限量实施换拱处理，后续施工须增加预留变形量，并调整开挖支护方式，增加支护强度。同时，监测数据显示周边收敛和拱顶下沉速率也较大，分别为17mm/d、41mm/d，且曲线趋势显示变形处于增加状态，即塌方后已支护里程段隧道处于急剧变形状态，存在变形进一步增加和坍塌风险，必须立即对该里程段进行回填封闭，确保施工安全。
2、塌方体原因分析
隧道掘进至K25+411时，周边收敛和拱顶下沉监测数据持续增大，已施做初期支护左侧出现裂缝，隧道已发生剧烈变形，3小时后掌子面拱顶范围塌方并涌出，塌方体量预计1000m³，同时，掌子面后方3米范围初期支护坍塌。
通过分析现场地质资料，该里程段属断层碎裂带，受断层带作用影响，围岩稳定性极差，围岩属于板岩、粉砂岩，呈板状构造，风化严重，节理裂隙发育，溶蚀现象发育，岩体强度较低。隧道开挖后，隧道周边围岩因开挖形成松散区。在完整性极差、岩体强度较低的断层破碎带中开挖隧道时，支护不当或支护强度不够时，断层破碎带松散体极易沿着断层作用交接面下滑，在掌子面开挖形成临空面时，极易发生滑塌涌出。同时，断层破碎带区域岩体地下水丰富并多处渗出，在地下水及渗流作用下，岩体强度及稳定性进一步降低，从而增加了隧道围岩坍塌涌出的可能性。在以上地质情况下，掌子面掘进至断层时，断层破碎带因开挖扰动形成的松散体在掌子面方向形成临空面，当下滑力大于抗滑力时发生塌方涌出，并压垮了初期支护，从而导致后方已支护区域初支垮落。
3.2坍塌体治理措施
为阻止塌方体进一步发展，在确保安全的情况下对已涌出的松散破碎体采用沙袋回填反压，防止掌子面继续塌方涌出和大变形里程段的塌落。对已坍塌渣土喷射混凝土封闭处理增加其稳定性，从而按照塌方体后方大变形里程段、塌方体的顺序进行加固处理，并随后针对性提出后续断层破碎带的通过方案。
1、大变形里程段处理
考虑到大变形段存在坍塌风险，首先按照每0.5m一个循环对K25+460～K25+440段实施加固、换拱措施，隧道进洞方向左侧拱墙B单元进行补强加固，每榀工字钢架B单元增设4根Φ42×4注浆小导管（L=4.5m，0.6m×1m）进行注浆加固处理；施工中加强变形监测及监测信息反馈，待围岩稳定后，依次对倾限里程段进行换拱处理；为了控制拱架间连接转换产生的扰动变形，每榀工字钢架A、B、C单元接头处增设8根Φ108×6mm（L=6.0m）注浆锁脚钢花管，在初支未成环段每榀工字钢架A、B、C单元接头处采用Φ108×6mm（L=6.0m）注浆钢花管代替锁脚小导管（8根/榀），进一步加强支护强度，控制隧道整体变形。
图3.1大变形里程段周边收敛、拱顶下沉变形曲线
2、塌方体处治
在坍塌掌子面处采用25b工字钢形成背拱封闭成环作为超前小导管尾端的支撑，采用长4.5米的注浆小导管沿坍塌体环向钻孔打入前方岩体，环向间距为20cm，对断层破碎带松散扰动岩体充分注浆加固，同时为了保证坍塌区后方隧道的稳定及安全，在拱顶及边墙采用径向小导管注浆。
超前支护完成后，对拱顶空腔部位打入Φ42小导管，探明塌方体前方洞段洞顶空腔下方覆盖层厚度，并插入DN150钢管，泵送C20混凝土回填空腔，保证混凝土厚度不低于2m，形成护拱，待回填砼强度达到75%后，吹入细砂保护层。此后，采用双排Φ51自进式锚杆进行坍塌体超前支护掘进施工，施工时坚持短进尺并及时支护。
3、后续断层破碎段施工
在顺利通过大变形段和塌方里程段后，采取加强超前辅助支护及初期支护措施，增加断层破碎带自身的稳定性，主要支护措施调整如下：在K25+410处增设纵向管棚，Φ108×6mm钢花管共计47根（L=24m），采用外插角5°，加强断层破碎带超前注浆及开挖后围岩径向注浆，增强开挖后围岩整体稳定性。初期支护工字钢架间距由原设计60cm调整为50cm，纵向Φ20连接筋间距由100cm调整为50cm，每榀工字钢架A、B、C单元接头处采用Φ108×6mm（L=6.0m）注浆钢花管代替锁脚小导管（8根/榀）；同时为了确保后续断层破碎带的变形不再倾入二衬界限，K25+410～K25+390段施工预留变形量调整为400mm。
4、处治效果分析
4.1大变形及坍塌区段治理效果
大变形段落隧道围岩实施径向加固并逐步进行了换拱，换拱后通过加强监测和测量复核，隧道变形未发生侵入界限的情况，拱顶最大累计沉降量为48mm，隧道未发生明显变形破坏。处理过程中大变形段换拱过程中每完成12米，立即进行仰拱和二衬浇筑，浇筑过程中，停止前方换拱工作，待所浇筑二衬强度满足设计要求后再进行下一个循环的换拱。从而防止隧道再次产生大变形，确保换拱里程段安全。
处理完成后监控显示二次衬砌未发生异常情况，说明此类围岩及不良地质情况下，大变形及塌方段处治方法及支护体系是可行的。
4.2后续里程段开挖支护效果
大变形及塌方段处理完成后，进入塌方前掌子面里程段，根据此类不良地质的特殊情况，结合之前分析的围岩变形特性，针对性地调整了剩余断层破碎带(K25+410~K25+390)的开挖方法，开挖过程中严格按照施工工序，采用挖掘机辅助弱爆破开挖，并坚持短进尺、强支护，并通过加强现场监控量测，及时反馈异常信息，所布设两个变形监测断面显示围岩变形明显减小，K25+405、K25+395断面累计沉降量为89mm、105mm，累计收敛量为31mm、38mm，最大收敛和沉降速率分别为7mm/d和11mm/d，监测曲线最终趋于稳定，未发生倾入二衬界限情况，通过现场监控也未发现界限支护体系出现裂缝、剥落等异常。
图4.2 处理完成后初支情况
5、结论及建议
通过现场调查，确定围岩及不良地质的基本特性，研究在此类围岩情况下进行隧道开挖时掌子面及附近拱顶塌方涌出机理，通过隧道变形监测数据分析此类不良地质中的围岩变形特性，在此基础上提出针对性的治理措施，得出如下结论和建议。
(1)通过调查分析，本隧道塌方及附近大变形里程段属香炉山断层，断层沿隧道纵向宽约50m，分布在K25+440～K25+390，该区域围岩节理裂隙发育，呈碎裂状，围岩完整性差，岩性属于板岩、粉砂岩，呈板状构造，风化严重，溶蚀现象发育，岩体强度较低，地下水发育，局部呈泥状，围岩整体稳定性差。在开挖时岩体经扰动形成松散破碎体，极易沿断层分界面向开挖临空面滑塌，在地下水渗流作用下，这种可能性进一步增大。
(2)在上述地质情况下，按原设计进行开挖支护时，周边收敛累计监测变形量分别为49mm、62mm、44mm，拱顶沉降累计变形量分别为178mm、205mm、184mm，最大收敛和下沉速率分别为16mm/d、32mm/d，围岩整体变形大，开挖时急剧变形可能引起塌方，施工时须在原设计基础上加强支护强度和改善整体稳定性。
(3)结合现场调查结果和围岩变形特性分析，分别针对断层破碎带大变形段、塌方段处治及后续断层破碎带的开挖，在提高围岩整体稳定性、增加支护强度等方面采取了针对性措施。同时在施工过程中加强现场监控及反馈，针对出现的情况及时采取措施，顺利完成了断层破碎带大变形、塌方里程段的治理和施工。
参考文献
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[6]云南省晋宁县至红塔区高速公路隧道勘察设计文件.
论文作者:黄能
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/14
标签：围岩论文; 断层论文; 隧道论文; 里程论文; 拱顶论文; 强度论文; 发生论文; 《建筑学研究前沿》2018年第30期论文;