李伟鹏，林彬彬，张斌梁

（1、珠海大横琴股份有限公司 广东 珠海 519000；2、珠海市规划设计研究院 广东 珠海 519000;3、中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

0 引言

断层及其破碎带是隧道建设过程中常见的不良地质类型，其岩体松散破碎、强度低、易变形且多数富水性良好，对隧道开挖和支护造成很大困难［1-2］。目前国内外许多学者已经对隧道穿越断层破碎带施工技术进行了研究。万飞等人［3］依托关角隧道F2-1 断层破碎带段，提出提高钢架刚度、设置临时横撑、边墙小导管注浆等措施以满足施工安全要求，并通过数值模拟和现场监测验证了改进措施的可行性；刘运微［4］分析研究了金宝顶隧道穿越断层破碎带施工遇到的问题和当前施工方案的特点，优化隧道断层破碎带支护设计，针对金宝顶隧道断层破碎带地质条件制定了双排小导管注浆超前支护和三台阶七步开挖方案，并制定了监控量测方案。刘鹏等人［5］依托大沙湾隧道F3 断层破碎带，分析三台阶七步开挖法的隧道围岩变形情况，在此基础上提出优化方案，现场进行监控量测验证优化方法的可行性。

通过注浆来改良软弱破碎岩体、封堵地下水及侵烛性离子，是当前长大隧道施工中解决地下水、断层等不良地质最被广泛应用的技术之一［6］。周鹏飞［7］通过超前注浆堵水试验，验证了采用全断面超前注浆的方法解决水压大于6.3 MPa 的富水隧道问题是可行有效的。何红忠等人［8］采用数值模拟手段分析了不同加固圈参数对隧道涌水及结构变形规律的影响，得到了围岩稳定的安全范围。依托工程过断层破碎带时使用超前单层小导管进行注浆，本文针对隧道过断层破碎带时注浆加固圈的厚度与范围展开研究，确定合理的断层破碎带注浆加固圈，以期为类似工程的注浆设计提供借鉴。

1 工程概况

某隧道工程位于珠海市南湾城区，穿越黑白面将军山，线路全长约3.86 km，其中隧道左线长3 645 m，右线长3 735 m。隧道主体工程以丘坡地貌为主，标高10.0～380.9 m，高差达370 m，地势较陡，自然坡度15°～60°。

隧道穿越两条挤压断裂带：F1、F2 断层分别与线位相交于K1+320、K1+980 里程附近，其中F2 断层长度4 km，宽5～8 m，断层走向N75°E，倾向南东，倾角75°～80°。隧道与F2 断层大角度相交，在挤压断裂带处地质条件复杂，围岩工程性能极差且破碎，开挖和支护难度均很大。

破碎带范围围岩为Ⅳ级围岩，采用S4a 衬砌类型进行支护，系统锚杆长度3.5 m，1.2 m×1.2 m 环向布置，初期支护为φ6 mm 钢筋网，20 cm×20 cm，工18 型钢钢架（纵向间距1.0 m），采用C25 喷射混凝土，厚度24 cm；二次衬砌采用C35 混凝土，厚度50 cm。过断层破碎带时使用超前单层小导管进行注浆，衬砌断面如图1所示。

图1 隧道S4a衬砌断面Fig.1 Tunnel S4a Lining Section （cm）

2 隧道施工过程数值模拟

2.1 模型尺寸及参数的选取

破碎带与隧道交于ZK1+980，范围约为60 m，取破碎带范围围岩为研究目标。隧道的影响范围为3～5倍洞径，隧道跨度约16 m，高度约10 m，故取模型尺寸为120 m（X）×60 m（Y）×110 m（Z），隧道埋深约为360 m，为简化模型，取上边界距隧道拱顶60 m，并在上边界加上300 m土层的等效荷载；隧道沿纵向取60 m，围岩区域分为破碎带-断层带-破碎带，其中断层宽度取为8 m，与y轴负半轴夹角为80°，最终模型如图2所示。

图2 三维模型轴测图Fig.2 Axonometric Drawing of 3D Model

模型下边界为全约束，左右边界约束X轴方向位移，前后边界约束y轴方向位移，上边界为自由面。在数值模拟计算时，为了简化分析，认为围岩是各向同性、连续均值的理想弹塑性本构模型，符合摩尔库伦屈服准则，地层与支护结构参数如表1所示。

表1 地层与支护结构参数Tab.1 Parameters of Stratum and Support Structure

2.2 施工工程模拟

初始地应力平衡后位移清零，按照钻爆法施工步序模拟施工过程，采用三台阶开挖法，开挖后及时施作初期支护。模拟各施工工序为：上台阶开挖➝上台阶初期支护➝中台阶开挖➝中台阶初期支护➝下台阶开挖➝下台阶初期支护➝仰拱开挖＋初期支护➝施作二次衬砌。台阶长度为10 m，单次施工进距为5 m，初支落后掌子面10 m，二衬施作落后掌子面50 m；开挖情况如图3所示。

图3 隧道三台阶开挖示意图Fig.3 Schematic Diagram of Tunnel Three Bench Excavation

3 计算结果分析

隧道开挖以5 m 为一模，断层与隧道交于6～8 模区间，即26～40 m 范围内。在开挖到此区间之前对隧道进行注浆加固。注浆圈不仅能够约束围岩、提高围岩的整体性和自稳能力，而且能够降低衬砌的应力，起到保护衬砌的重要作用。通过改变注浆加固范围和注浆加固参数都可以实现对隧道的变形和受力的有效控制［9-10］。以下针对不同注浆圈厚度和不同注浆圈长度对隧道的加固作用进行研究。

3.1 注浆圈厚度

注浆圈区间为26～40 m 保持不变，注浆圈厚度分别取0 m（即不注浆）、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，选取隧道与破碎带相交的35 m处，该断面在整个开挖阶段中的拱顶沉降和拱腰收敛如图4 所示，开挖完成时沿纵向隧道全区间的拱顶沉降和拱腰收敛如图5所示。

由图4⒜、图5⒜可知：注浆对降低拱顶沉降的效果比较明显，厚度为1 m 的注浆圈约能降低20%拱顶最大沉降，随着注浆圈厚度的增加，断层带区域的拱顶沉降也随之减小，但幅度越来越小。注浆对降低注浆圈区域的拱顶沉降较为明显，也能降低注浆圈两侧的拱顶沉降，但降低幅度很小。

图4 隧道35 m处全阶段拱顶及拱腰沉降曲线（注浆区间不变）Fig.4 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist at 35 m of Tunnel（Grouting Interval Remains Unchanged）

图5 开挖完成时全区间拱顶及拱腰沉降曲线（注浆区间不变）Fig.5 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist in the Whole Section after Excavation（Grouting Interval Remains Unchanged）

由图4⒝、图5⒝可知：注浆对降低拱腰收敛的效果非常明显，厚度为1 m 的注浆圈约能降低50%拱腰最大收敛，注浆厚度为3 m 时拱腰收敛基本保持为0；但随着注浆圈厚度的增加，拱腰收敛的降低幅度迅速减小。注浆主要是降低隧道注浆圈范围及稍后一段的拱腰收敛。

3.2 注浆圈范围

注浆圈厚度固定为1 m 不变，注浆圈区间分别取6～8模、5～9模、4～10，模、3～11模、2～12模，对应纵向长度25～40 m、20～45 m、15～50 m、10～55 m、5～60 m，并与无注浆时的情况进行对比。35 m 断面全阶段的拱顶沉降和拱腰收敛曲线如图6 所示，开挖完成时全区间的拱顶沉降和拱腰收敛曲线如图7所示。

图6 隧道35 m处全阶段拱顶及拱腰沉降曲线（注浆圈厚度不变）Fig.6 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist at 35 m of Tunnel（The Thickness of the Grouting Ring Remains Unchanged）

图7 开挖完成时全区间拱顶及拱腰沉降曲线（注浆圈厚度不变）Fig.7 Settlement Curve of Arch Crown and Arch Waist in the Whole Section after Excavation（The Thickness of the grouting Ring Remains Unchanged）

由图6⒜、图7⒜可以看出注浆圈长度增加，拱顶沉降的影响范围增大了，降低幅度基本没有变化，并且尤其在注浆范围为2～12 模即6～50 m 时，影响范围内的拱顶沉降基本相同。

由图6⒝、图7⒝可以看出注浆圈长度增加对拱腰收敛影响与对拱顶沉降的影响规律类似，主要是影响范围增大，减低幅度基本不变，并且注浆范围为2～12模即6～50 m时拱腰收敛也趋向一致。

4 结语

⑴注浆圈区间为26～40 m 保持不变时，注浆对降低拱顶沉降和拱脚收敛的效果比较明显，且随着注浆圈厚度的增加，减低幅度基本呈线性增加；注浆对降低拱脚收敛的效果非常明显，但随着注浆圈厚度的增加，减低幅度快速减小。注浆厚度为3 m 时约能减低50%的拱顶沉降和拱脚收敛，且使拱腰收敛基本保持为0，可作为施工参考。

⑵注浆圈厚度固定为1 m不变时，注浆影响范围为隧道注浆范围及其后续一段距离，且随着增加注浆圈范围的增加，影响范围内的沉降和收敛也趋向一致，整体性增强。注浆范围为2～12模即6～50 m 时，该范围隧道内拱顶沉降基本相同，收敛值变化幅度也比较小，可作为施工参考。

⑶现场施工时应加强监控量测，尤其在穿越断层时应减小监测断面间距，加强监测频率，支护结构变形过大或有失稳前兆时应及时采取措施，并考虑增加注浆圈厚度。另一侧隧道施工至该破碎带区域时可根据该侧隧道监测记录，调整超前注浆长度与厚度。