地方隧道内地质方案设计阐述

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作者：潘雪峰 单位：山西省交通规划勘察设计院

隧道岩体工程地质特征

隧道围岩以奥陶系中统上马家沟组（O2s）中～厚层状石灰岩为主，夹薄层白云质灰岩，团块状泥灰岩，太原端进口段围岩为第四系黄土、碎石土、石炭系薄～中厚层状泥（页）岩、砂岩和奥陶系中统峰峰组（O2f）角砾状、团块状、蜂窝状泥灰岩、石灰岩、白云质灰岩。隧道围岩以硬质岩为主，少量极软岩～软质岩。岩石的物理、

软弱围岩及断层破碎带路段方案设计及工程防治措施

西山隧道洞体埋深较大，隧道底板最大埋深451．61m，隧道洞体有相当一部分埋深在400m以上，可能存在高地应力，隧道穿过围岩有石灰岩、泥灰岩和石灰岩泥灰岩互层，在穿过泥灰岩或石灰岩泥灰岩互层（泥灰岩为主）时，开挖过程中，地应力失衡可能发生软弱围岩大变形。隧址区共发育断层17条，且隧址区岩溶发育，水文及工程地质条件复杂，开挖中可能发生围岩大变形。基于这种情况，首先要加强超前地质预报，完善地质设计资料，优化设计方案，指导施工决策科学化；其次就是加强软弱围岩及断层破碎带处衬砌支护结构方案设计，采用超前帷幕注浆等措施，通过初期衬砌结构和二次衬砌结构提高强度与刚度，衬砌结构及支护参数的确定以《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004）为依据，并参考了类似工程。软弱围岩及断层破碎带处（Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩）衬砌断面设计示意图及超前支护设计示意图分别如图1～图4所示。方案设计原则软弱围岩洞室支护的总体设计原则是力求有控制地产生一个合理的塑性圈，允许变形，有控制地释放围岩变形能，又要尽可能保护围岩的强度不致快速下降，不产生松动圈，采取主动式与被动式相结合的综合处置方法。支护主要是控制持续不断的变形和防止破坏，维持隧道的稳定。施工过程中要加强监控量测，使支护衬砌要及时恰当，强度刚度要满足设计要求，防止发生塌方等不良后果。工程防治措施软岩支护是一个过程，要实现衬砌结构的最终稳定，则需使这一过程与围岩的变形过程相协调，要达到这一目的，一般采取喷、锚、网支护、长锚杆加固、钢拱架支护、超前帷幕注浆等初期支护措施。初期支护能及时封闭围岩，并且具有一定初期支撑力和较大柔性，既能释放变形能又能保持一定的支护抗力。二次衬砌是在围岩变形发展到一定程度后提供足够的支承抗力与刚度来抗地压，初期支护是二次衬砌的前提，二次衬砌是初期支护的补充与加强。在施工过程中还应加大预留变形量，给予围岩合理的变形空间与调整时间。下面重点阐述一下超前帷幕注浆设计及施工的注意事项。超前帷幕注浆设计隧道开挖或地质超前预报的隧道围岩类别很差或隧道穿越断层破碎带时，应根据软弱围岩或断层破碎带处工程水文条件和工程地质条件，通过工程类比、理论计算等方法，对软弱围岩或断层破碎带处采用超前帷幕注浆。超前帷幕注浆施工前必须对施工参数进行注浆实验。注浆实验一方面是对注浆参数、工艺、材料做进一步研究，使注浆施工合理、有效；另一方面是弄清所选择浆液在实际地层中注浆加固的机理，探明有加固作用的浆液的特性。注浆实验的重点是针对现场地质条件、施工工艺等确定浆液的可注性、浆液在土层中形成复合土的强度特性、渗透特性以及地层自身在注浆前后的强度特性与渗透特性的变化，从而得出此类地层注浆可能得到的浆液结石体在岩层中的固结范围和固结方式。帷幕注浆地段在注浆加固土体后，采用环向开挖保留核心土的方法开挖，核心土长度1．5 m左右，环向开挖宽度80～100cm，纵向开挖进尺为一榀钢架的间距。上下台阶距离控制在3～5m，应保证上台阶施工时掌子面的稳定，又能保证隧道初期支护尽早封闭成环和施工时足够的空间。架立钢架时必须保证位置准确，拱脚应架立在稳固的基础或木板上，严禁架立在虚土上，使上台阶尽早形成封闭结构，必要时施做临时仰拱。及时用系统锚杆（中空注浆锚杆或自钻式锚杆）补充注浆，必要时预埋注浆小导管。注浆后每孔每延米涌水量大于0．15L／min或局部涌水量大于3L／min时必须追加钻孔注浆。本项目结合现场施工条件、机械设备等情况，确定钻孔布置、终孔位置。隧道超前帷幕注浆示意图（图略）注浆施工注意事项（1）每个断面注浆导管数量为40～80根，具体施工中可根据围岩情况局部调整。掌子面注浆孔间距为0．75～1．5m，可根据实际开挖情况全断面或局部布孔注浆加固。浆液扩散区重叠50％。（2）帷幕注浆是在可能涌水、突水突泥情况下或断层破碎带处，根据水文及地质条件或软弱围岩分布情况局部布设。注浆段长为25m，开挖20m，预留5m（可根据实际情况调整）作为下一段注浆的止浆岩盘，注浆段长度及止浆岩盘厚度应根据工程实际情况局部调整。（3）注浆时应注意观察掌子面的变形，必要时做0．5～1m厚的模筑混凝土作为注浆封堵面，确保掌子面在注浆时不产生裂纹和隆起。开挖隧道过断层的第一个掌子面时先喷15cm厚混凝土，必要时铺设钢筋网片并打设锚杆，再现浇40cm厚混凝土，以后喷15cm厚混凝土。（4）注浆压力应为实测水压加2MPa，确定注浆终孔压力为实测水压加4 MPa，孔口段以渗透注浆为主，注浆压力为0．5～1．0MPa。（5）初始注浆压力为静水压力的1．2～1．5倍，最高压力为静水压力的2～2．5倍，孔口段以渗透注浆为主，注浆压力为0．5～1MPa。（6）注浆孔开孔直径为102～127mm，开挖轮廓线上的注浆导管采用89钢花管，中间部分注浆导管采用100PVC花管。（7）注浆应在达到设计终压之后维持一段时间，注浆压力没有明显下降之时结束。每循环注浆结束后，应做钻孔检查和红外线探测，检查合格后方可开挖，否则应做补注。（8）注浆过程中应经常检查，记录注浆压力、注浆量、凝固时间，掌子面及附近支护状况，并根据水文、地质条件、围岩变化以及隧道地质超前预报前检测数据综合考虑，及时调整注浆参数施工工艺及注意事项在软岩围岩及断层破碎带处等大变形段采用“加固围岩、预留变形、先柔后刚、先放后抗、刚柔并举、分次支护、及早封闭、底部加强、信息化施工”的施工工艺和综合治理措施。施工方法采用新奥法施工技术，大型配套施工机械作业生产线。Ⅲ级围岩段采用全断面光面爆破开挖；Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法施工；西山隧道太原端断层破碎带富集区采用双侧壁导坑法施工；棚洞段明挖法与暗挖法相结合施工。在施工中需根据开挖后的实际情况采取适宜的辅助施工技术措施，以稳定围岩。在隧道两端施工的同时施工斜竖井，并通过其和横通道等增加掌子面，以加快施工进度。不良地质及特殊地质地段开挖采用短循环、弱爆破、强支撑，并辅以必要辅助施工技术措施，如超前锚杆，小导管预注浆，深孔预注浆等。装渣运输拟采用无轨运输与有轨运输相结合的运输方案。二次衬砌采用混凝土运输车输送泵和衬砌模板台车的配套的机械施工方案。监控量测现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一，也是本次衬砌结构采用信息化设计的重要组成内容之一。通过施工现场监测可以掌握围岩和支护在施工过程中的力学动态及稳定程度，保障施工安全，为评价和修改初期支护参数，力学分析及二次衬砌施作时间提供信息依据。现场监控量测项目应根据围岩条件、工程规模、支护类型和施工方法等选择测试项目。现场量测项目分为必测项目和选测项目两大类。必测项目：地质和支护状况观察、周边收敛位移、拱顶下沉以及地质超前预报。选测项目：地表下沉、锚杆内力及喷层表面应力、钢支撑内力及外力、衬砌内应力、表面应力、围岩体内位移（洞内设点）、围岩压力及两层支护间压力、裂缝量测以及围岩弹性波测试等项目。地质超前预报地质超前预报，主要是根据地表和已开挖的隧道地段的地质调查和各种探测方法取得的资料，以及地质推断法预测开挖工作面前方一定长度范围内围岩的工程地质和水文地质条件。本隧道可能出现断层破碎带、溶洞、瓦斯以及涌水等不良地质，在施工中应采用TSP203、地质雷达等探测手段并结合已有地质资料对未施工段地质情况做出准确判断，完善设计地质资料，优化设计方案，指导施工决策科学化，可以对遗漏的不良地质体给施工所带来的困难给予及时的预报，指导工程施工的顺利进行。同时还可以为因地质条件影响而引起的变更设计，合理、经济、快速地进行，提供有效保证。施工注意事项西山隧道地质条件复杂，洞身范围内有断层破碎带、溶洞、瓦斯以及涌水等不良地质，因此，施工中一定要加强管理。（1）施工中应严格控制施工用水，加强引排，严禁积水，以保证结构的安全。（2）进一步查清隧道进出口段坡体的稳定性。（3）隧道施工前，应对地表进行勘察，对于地表存在有的陷穴和落水洞地段应先进行填平和夯实。（4）施工过程中必须加强现场监控量测，并根据监控量测结果及时调整施工方案和设计支护参数。（5）施工过程中必须加强超前地质预报工作，将新奥法的核心“动态设计，动态施工”贯穿于隧道的整个施工中，及时修正隧道支护参数，调整施工方法，特别是断层、岩爆、富水段落等特殊地质和不良地质段落。（6）斜竖井及隧道断层施工过程中应加强瓦斯含量的检测，严格按《公路隧道施工技术规范》（JTGD70－2004）进行施工。（7）在隧道土建施工中需注意预留洞室、预埋管件的施工，不要遗漏。总之，隧道穿越软弱围岩及断层破碎带路段时，洞室开挖后难于自稳，必须及时支护，必须加强现场监控量测，寻找最佳支护时机、最佳支护刚度、最佳支护位移，适时调整支护参数，实施最佳支护。

结语

本文以西山特长隧道为工程实例，介绍了隧道穿越软弱围岩及断层破碎带路段的结构设计和施工工艺及注意事项。隧道穿越软弱围岩及断层破碎带处，在施工过程中具有很强的突发性和破坏性，但同时也具有一定的规律性。为了掌握隧道支护结构的受力状态，提高隧道穿越特殊地质路段的勘察设计和施工水平，确保隧道长期运营安全，宜考虑对隧道穿越特殊地质路段的衬砌外水土压力、模筑衬砌内力、隧道基础沉降等进行长期观测与监控。另外，如此之长的隧道通风系统是整个隧道运营过程中的关键，下阶段要重点研究隧道斜井、竖井设置，供配电负荷，监控、消防、防灾救援等一系列问题。