康海波 万志强 赵刚应 张乾

摘要：在山岭隧道修建过程中，隧道经常会穿过错综复杂的大小断层，给隧道施工增加困难，隧道如何安全、快速通过断层破碎带成为研究重点。文章对国内隧道穿越断层的支护方法以及开挖工法进行了总结，分析探讨隧道穿过破碎带时的施工技术，并提出在断层破碎带区段进行隧道掘进，应根据实际隧道地质情况合理设计超前支护，对于不同类型和大小的断层，所采用的超前支护方法不尽相同，遵循“短进尺、强支护、少扰动、快封闭、早衬砌、勤量测”的原则，施工中应尽量减少对隧洞围岩的影响，在开挖后及时支护。

关键词：山岭隧道;断层破碎带;支护方法;超前支护

中图分类号：U455.4文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.036

文章编号：1673-4874（2021）01-0131-04

0引言

隧道穿过断层破碎带时，由于断层破碎带围岩岩体破碎，在开挖过程中如果不及时进行结构支护或者施工不当时，在隧道内部会发生坍塌、掉块等危害。倘若隧址区地下水充足，且岩体次生裂隙发育，隧道开挖至断层段时，容易出现突水、突泥等灾害，影响工程进度，威胁工作人员的安全。

国内山岭隧道工程项目日益增多，在山岭隧道建设过程中应总结施工经验并且进行理论研究，逐步探索出各类施工开挖工法和支护技术来确保断层隧道岩体的稳定。杨金武[1]以穿过断层破碎带的慈母山一号隧道为工程背景，对安全通过该断层隧道的支护参数进行了分析说明，为类似断层隧道设计建设提供参考，刘万生[2]详细介绍了西格二线关角隧道成功通过断层破碎带的施工技术、方法，为其他穿越断层隧道施工提供经验，郑金松[3]采取超前小导管对断层段围岩进行提前加固，开挖工法为正台阶法，并在施工过程中取得了较好的效果;彭超[4]对实际断层隧道进行施工设计，通过多围岩进行注浆加固，采用微台阶开挖工法，增加预留变形量等措施，取得了较好的效果。本文通过总结国内隧道含断层破碎带的施工处治技术，综合描述各隧道在断层破碎带的施工工法以及采用的支护设计，采取经验类比的方法，为类似的隧道穿越断层破碎带提供借鉴与指导。

1隧道穿越断层施工技术实例总结

本节总结国内几大典型含断层隧道施工方案，从断层隧道开挖工法、超前支护措施、初期支护结构和二衬支护结构进行总结归纳。典型断层破碎带隧道开挖所采取的施工技术总结于表1中。

2隧道穿越断层破碎带施工技术总结分析

依据上述典型断层隧道施工案例，分别从断层破碎带开挖技术、断层破碎带超前支护技术和断层破碎带衬砌支护技术进行总结分析。

2.1隧道穿越断层开挖技术研究

断层破碎带地段围岩岩体破碎，整体性差，是隧道全线施工中的关键控制地段。施工工法对隧道围岩的稳定性有重要的影响，不同隧道施工工法以及施工工序对破碎带围岩的影响也不同。含断层破碎带围岩隧道施工工法主要有CRD法、台阶法、CD法、双侧壁导坑法等[5]。应在隧道实际施工过程中，根据施工难度、施工进度、机械配制、隧道断面大小、隧址区区域地质情况，合理地选择相应的隧道开挖工法。

断层破碎带地段隧洞施工在通常情况下，应不采取全断面开挖的方法，具体在实际隧洞施工中，应根据开挖现场断层破碎带岩体性质、破碎带宽度以及围岩破碎程度等情况合理选择开挖工法。在破碎带范围内掘进隧道，应遵循“短进尺、强支护、少扰动、快封闭、早衬砌、勤量测”的原则，可以选择微震爆破、半截面微台阶或者上下截面顺序的开挖方法，具体施工技术有：

（1）微震爆破：在含断层破碎带围岩处进行爆破，应对爆破钻眼进行合理布置，并且遵循“短进尺”的原则，药量需精准控制，科学设置爆破参数，这样才可确保隧道开挖轮廓线以外的岩体稳定，减少对围岩的扰动，确保爆破工作安全进行。此外还应注意起爆顺序以及钻爆参数的控制。

（2）半断面微台阶开挖：此类开挖工法适用于隧道局部围岩含有断层破碎带或者断层破碎带规模较大时，通常断层破碎带出现于隧道拱顶时，可选择此类施工方法。半断面微台阶法施工工序较为复杂，但可以保障隧道掌子面土体的稳定，并且隧道开挖引起周边围岩扰动较小。同时，此类开挖技术可以合理地利用空间，提高机械施工效率。值得注意的是，在破碎带围岩开挖过程中，为保障隧道围岩的稳定性，开挖后应及时进行锚喷支护。在开挖过程中，开挖断面的下半部与后拱部可同时进行施工，这样可以增加隧道断面的闭合速度，增强隧道整体稳定性。

（3）上下断面顺序开挖：当断层破碎带规模大，围岩整体性差时，应采用上下断面顺序开挖。此类开挖方法是指在上断面开挖支护完成后，再对下断面进行开挖支护。若断层破碎带岩体风化严重或者围岩稳定性极差，在开挖过程中，应预先保留核心土，并对周边岩体进行环形顺序爆破施工。如在宝鼎2号隧道施工过程中所采用的环形开挖预留核心土法，开挖与衬砌施工工序见图1。值得注意的是，含断层段围岩开挖时，应严格控制一次开挖进尺，减少围岩扰动，每开挖一个断面部分，应立即进行喷锚支护，施工过程中进行随接、随挖、随喷的有序性操作。

2.2隧道穿越断层支护技术研究

支护技术主要包括超前支护以及锚喷支护。超前支护是指在隧道开挖前，预先在隧道开挖面前方土体施作支护结构;锚喷支护是指在隧洞掘进过程中，保障洞周岩体稳定性的一种复合支护结构。由于各地区断层构造产生的原因不同，不同含断层的隧道，断层破碎带岩体岩性也可能不同，但每类支护方式有其特有的适用性以及很强的针对性，所以很难探索出一种合适的隧道施工以及支护方法来解决应对艰险多变的破碎带围岩。

2.2.1断层隧道超前支护技术

2.2.1.1超前支护类型

断层破碎带岩块破碎，围岩稳定性差，在隧道掘进过程中，容易发生大变形。因此在实际建设过程中会采用加强支护结构与超前支护相结合的方法来加强围岩的自稳性。超前支护是在隧道未开挖前对隧道围巖进行预加固来提高围岩强度等级，改善围岩受力状态，从而达到安全开挖的目的。主要的超前支护类型有超前小导管、超前管棚和超前预注浆等。隧道超前支护类型的运用范围和使用材料见表2。

超前小导管的目的是在隧道开挖前进行预设，从而加强预设范围内岩体的抗剪能力，增强该范围岩体的自稳性。一般在穿越断层区间时，超前注浆小导管的安设距离在30cm，安设位置位于起拱线之上。小导管注浆类型主要有水玻璃砂浆、纯水泥浆和水泥砂浆[6]。提前注浆加固可以提高围岩的自稳能力，不同注浆类型适用范围不同。当围岩岩体裂隙较大时，可以使用纯水泥浆或者水泥砂浆;当围岩岩体裂隙较小且含水量大时，水玻璃砂浆更为合适。

管棚可分为洞外和洞内管棚。隧道内部管棚一般设置在岩体破碎、地质条件差的地段。在断层破碎带地段进行管棚施工作业时，应尽可能地给予施工人员管棚施工作业场地。通常在设计截面上，管棚施工作业面积沿隧道方向长3m，横向扩大30～50cm。隧洞穿过断层破碎带时，为充分利用管棚对岩体的支护作用，保障岩体的稳定，其长度需要符合两个条件[7]：（1）在管棚施工前，沿隧道开挖方向进行钻孔试验，掌握隧道开挖方向的地质情况，根据地质条件确定管棚施工长度;（2）管棚长度应穿过掘进面岩体一定距离，使得荷载能够转移至衬砌结构上。在断层破碎带围岩段施工，管棚布设间距应根据实际地质情况和破碎带岩体结构来综合考虑，一般环向布设间距为2～3.5D。

2.2.1.2不同断层类型的超前支护措施

根据沿隧洞纵向断层破碎带间距，将断层规模进行分类。断层可以分为小断层（宽度<5m）、中断层（宽度为5～10m）以及大断层（宽度>10m）。超前支护方案根据破碎带大小和分布特征的差异而不尽相同：

（1）隧道穿过小断层时，在长期的地质作用下，破碎带内岩体主要受挤压作用，破碎带岩体变得挤压紧密，此时破碎带岩体强度大，自稳性相对较好。在隧道掘进过程中，采用加强初次支护的结构强度，并与相应的辅助措施相结合来增强破碎带岩体的可靠性[8]。比如采用超前锚杆与系统锚杆相配合，增加喷射混凝土的厚度，提高钢筋网的密度等。其中超前锚杆一般安置在拱部，锚杆环向间隔一般为40cm，2m 设一圈，锚杆长3.5m，直径一般为Φ22m，外插角度约为10°。通过早强砂浆将超前锚杆与岩体胶结，及时发挥超前支护作用。在超前支护发挥作用后，进行隧道开挖，并进行初期支护。

（2）隧道穿过中断层时，围岩强度较低，断层岩体较破碎，在增加初期支护结构强度的情况下，仍需在隧洞拱部施作超前小导管并进行注浆加固。小导管一般选取规格为Φ42～50mm的直热轧钢管，外插入角为10°～20°，布设环向间隔为30～50mm，沿隧洞方向两组超前小导管间水平搭接距离≥1m。一般在小导管内灌注水玻璃或水泥等浆液。在超前支护的情况下，采用对隧洞岩体扰动较小的掘进方式，如预留核心土法、台阶法等。根据开挖工法和施工工序，及时施加超前支护结构和完成注浆作业，待超前支护结构发挥力学作用时，即可进行下一步开挖。

（3）隧道穿过大断层时，围岩强度极低，断层岩体极破碎，围岩自稳能力极差，如果支护不及时或者施工不当，隧道容易产生坍塌事故。此时需采用钢拱架和超期管棚相结合的支护手段，抑制破碎围岩的坍塌，增强围岩的强度，提高围岩的稳定性。管棚规格一般选取Φ108mm厚壁热扎无缝钢管，尺寸一般为10～40m。在含大破碎带的隧道施工过程中，管棚需分批配置通过破碎带，沿破碎带方向两组管棚搭接距离>3m，环向管棚间距一般为管径的2～3倍。钢拱架设置可采用格栅钢架或者型钢，设置间隔一般为0.5～1.0m一榀。

2.2.2含断层段围岩隧道衬砌设计

含断层段围岩采取复合式衬砌。复合式衬砌施工主要内容包括：喷射混凝土、铺设钢筋网、施加钢拱架、安装系统锚杆。初期进行锚喷支护、初期支护拱墙一般采用C25喷射混凝土，并且铺设钢筋网和环形钢拱架，在断层围岩极为破碎地段应该增加喷射混凝土的厚度、提高混凝土的强度或者加密系统锚杆。二衬设计应采取圆滑、等厚断面，一般采用C35钢筋。

断层段围岩衬砌设计应设置仰拱，仰拱应及时封闭，使衬砌结构及早形成闭合结构，提高衬砌结构的整体性刚度，并且可以有效阻止水流浸泡隧道基底，导致边墙变形和底鼓现象。在初期支护施工阶段，仰拱厚度不宜过厚，保留预留变形量，仰拱的曲率应尽可能调大，保证与边墙连接的顺滑，可以减少出现应力集中现象。

3结语

（1）含断层段围岩隧道施工开挖方法，应根据实际隧道中断层宽度、岩体破碎程度以及破碎带岩体性质等综合考虑，务必遵循“短进尺、强支护、少扰动、快封闭、早衬砌、勤量测”的原则，选择合理的施工技术。

（2）断层破碎带地段岩体破碎，地质条件复杂，在隧道开挖前期，应进行超前支护来保障围岩的稳定性，以及确保施工安全进行。不同断层类型采用的超前支护手段不同，不同隧道施工建设应根据实际情况进行超前支护施工设计。

（3）断层破碎带地段隧道一般采用复合衬砌结构进行支护，若出现局部岩体较破碎或者衬砌出现开裂情况，应合理提高喷射混凝土强度，采取增加喷射混凝土厚度、增强型钢刚度等措施。

（4）本文总结了几大典型含断层破碎带隧道的施工关键技术，其他项目在参考的同时，应根据项目实际工程情况进行设计。

参考文献

[1]杨金虎.慈母山隧道穿越断层破碎带开挖支护技术分析[J].地下空间与工程学报，2011（2）：159-163，182.

[2]刘万生.高原隧道穿越断层破碎带施工技术[J].铁道建筑，2013（4）：74-75，82.

[3]郑金松.高速公路隧道穿越断层破碎带施工技术探讨[J].土工基础，2010（2）：21-23.

[4]彭超.公路隧道穿越浅埋断层破碎带工程处理技术[J].现代隧道技术，2013，50（1）：134-138.

[5]唐江虎.山岭重丘区高应力软岩大变形隧道施工技术[J].黑龙江交通科技，2017（5）：151-152.

[6]朱国保.软弱破碎围岩隧道中管棚超前预支护技术研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[7]田峰.浅谈钢支撑支护和管棚法支護的施工工艺[J].科技资讯，2008（1）：24-25.

[8]郭乾.典型不良地质条件下隧道围岩稳定性分析及对策研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.