孫國臣

摘要 斷層等復雜地質環(huán)境給隧道的安全建設帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。為此，通過研究提出了斷層破碎帶等不良地質隧道施工安全控制技術，以“超前預報、注漿加固、變形監(jiān)測”全過程研究為核心思想，提出了不良地質綜合預報技術，采用有限差分軟件進行注漿加固數(shù)值分析，優(yōu)化加固方案;在此基礎上，對圍巖壓力和鋼架應力以及圍巖變形進行分析。相關方法與技術體系在隧道工程進行了成功應用，可為類似隧道工程安全建設提供借鑒與指導。

關鍵詞 隧道;斷層破碎帶;綜合預報;注漿加固;變形監(jiān)測

中圖分類號 U452.11 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0080-03

0 引言

隧道作為交通建設網(wǎng)絡的控制性工程，迎來了快速建設期。截至2020年底，在建鐵路隧道2 746座，規(guī)劃鐵路隧道6 354座，其中特長隧道更是多達134座[1]。然而，隨著隧道建設向西部山區(qū)延伸，賦存的斷層破碎帶、巖溶等不良地質在施工擾動下極易造成塌方、突水等重大災害，輕者導致工期延誤、經(jīng)濟損失，嚴重制約隧道建設的質量和成敗。因此，對隧道沿線斷層破碎帶等災害源科學有效控制，是保障隧道建設安全面臨的關鍵共性問題[2-5]。

針對隧道穿越斷層破碎帶安全控制，諸多學者研究并取得了階段性進展[6-7]：如曹勝根等[8]采用頂板注漿加固技術預防斷層破碎帶頂板的跨落;翁賢杰[9]研究隧道斷層突水突泥機理，建立了隧道斷層突水突泥注漿治理技術體系;張健儒[10]研究了隧道注漿堵水的方式優(yōu)化選取方法;杜志龍等[11]運用化學注漿新技術對斷層破碎帶進行注漿加固處理;陶文斌等[12]研究“預注漿+超前支護+架棚+二次注漿”全斷面一次通過斷層破碎帶支護技術;Chen等[13]采用超前預報技術對斷層破碎區(qū)進行準確探測，并實現(xiàn)加固質量檢驗。綜上，現(xiàn)有隧道穿越斷層破碎帶的安全控制多聚焦于注漿處理，缺乏對不良地質超前預報、圍巖變形監(jiān)測的系統(tǒng)性結合，亟待建立不良地質“超前預報、注漿加固、監(jiān)測檢驗”全過程的安全控制技術方法，為隧道穿越斷層破碎帶等提供有力支撐。

在充分技術調研和現(xiàn)場實踐的基礎上，提出了基于“超前預報、注漿加固、變形監(jiān)測”的三階段安全控制方法與技術。

1 隧道穿越斷層破碎帶災害安全控制方法

1.1 斷層破碎帶等綜合超前預報

斷層破碎帶、巖溶等不良地質是鐵路隧道施工面臨的重大風險源，如何有效探明其分布位置及含水性是關鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外超前地質預報方法主要可分為兩大類[14]：地質分析法和地球物理方法。其中，地質分析法有超前導洞、超前鉆探、經(jīng)驗分析法等;地球物理方法包括隧道地震波法（SAP法、TSP法、TRT法等）、電磁波法（瞬變電磁法、地質雷達法等）、電法（激發(fā)極化法等）。不同的預報方法各有特點，如何優(yōu)選和科學組合，實現(xiàn)不良地質體的準確性探測解譯，是隧道工程安全建設需要解決的首要問題。

針對隧道前方斷層破碎帶等不良地質準確探測的需求，提出了地震波法遠距離識別斷層、地質雷達近距離精細刻畫邊界、超前鉆探揭露含水特征相結合的綜合預報方法，對不良地質位置、規(guī)模、形態(tài)、含水性等進行比對分析和綜合解譯，提升探測準確性（圖1）。

（1）隧道地震波法遠距離識別。在隧道空腔中利用錘擊或炸藥等激發(fā)地震波并在巖體內(nèi)傳播，當遇到斷層破碎帶發(fā)生反射并被邊墻檢波器陣列采集;通過數(shù)據(jù)處理與分析，實現(xiàn)前方不良地質體的較準確成像，探測距離約為100～150 m。

（2）隧道地質雷達法精細刻畫。在地震法判斷的風險區(qū)開展地質雷達的近距離精細探測，利用發(fā)射天線向巖體內(nèi)部發(fā)射電磁波，遇到界面發(fā)生反射并被天線接收;通過分析電磁波的走時、幅值和波形，可對斷層含水帶、破碎帶等較好識別，探距約為30 m。

（3）隧道超前水平鉆探驗證。在地球物理探測結果的基礎上，針對重大高風險區(qū)段，進一步施作超前鉆孔進行地質特征的精準、直觀揭示，對超前預報結果進行進一步確認。

1.2 基于有限差分模擬的注漿加固方案優(yōu)化

復雜地質條件下斷層破碎帶隱蔽，穩(wěn)定性差，需提前加固處治，以保障隧道安全。結合地質超前預報結果，利用有限差分數(shù)值分析方法對注漿目標地質進行三維建模并進行數(shù)值模擬及注漿參數(shù)設計。計算采用彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準則，模型邊界取四倍洞徑，隧道底部約束豎向位移，四周約束水平位移等。重點研究注漿圈厚度和注漿范圍與巖體沉降之間的控制關系;進而為注漿范圍、注漿孔位布置、注漿參數(shù)設計、注漿量等提供理論依據(jù)和指導。

研究中計算采取圍巖及支護等力學參數(shù)如表1所示，同時分析中取無支護時應力釋放率為30%，初期支護承擔70%的圍巖應力釋放。注漿后彈性模量提高30%，密度提高10%，摩擦角提高30%，黏聚力提高50%。

1.3 圍巖變形監(jiān)控量測與安全評估

監(jiān)控量測是通過對圍巖支護應力、應變等數(shù)據(jù)進行長周期監(jiān)測的方式，及時獲取隧道結構各部分的實際特征，通過分析圍巖形狀變化、變形地段對周邊巖體的影響以及支護結構的受力情況，指導工程實施，保障隧道建設安全。監(jiān)控量測應根據(jù)預報斷層破碎帶分布以及加固注漿進行設計，并依據(jù)風險等級加密。重點分析監(jiān)測點位置、控制性指標、測點位置，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時分析圍巖變形特征，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)值超出災變臨界指標，則立即預警。

針對隧道斷層破碎帶區(qū)段穿越安全評估重點開展洞內(nèi)支護結構受力和變形情況監(jiān)測，具體監(jiān)控量測指標如下：①初支與圍巖之間接觸壓力;②鋼架內(nèi)力;③周邊收斂;④拱頂沉降。如埋設的測點在測試期間遭到破壞，恢復以后按新埋測點要求采集讀數(shù)。量測過程中若遇圍巖變形速率較快時，量測頻率應在表中的基礎上加密。當測試結果已完全穩(wěn)定之后，可結束測試?，F(xiàn)場試驗段監(jiān)測匯總如表2所示，現(xiàn)場監(jiān)測頻率如表3所示。

2 現(xiàn)場實驗

2.1 斷層等不良地質超前預報

綜合超前預報在某公路隧道進行了試驗與驗證，在地質分析的基礎上，采用主動源地震波法探明了隧道前方的強反射分布區(qū)域。在隧道掌子面前方42 m左右開始出現(xiàn)多次正負反射，存在異常。為進一步明確反射界面的形態(tài)特征，在隧道施工至38 m處進行地質雷達超前地質預報，探測結果顯示，在當前隧道前方4～5 m處存在兩條強反射，結合地質資料，推斷存在兩個強反射界面，開挖揭露顯示為與隧道大角度相交的傾斜小斷層。由此，驗證了利用地震波法遠距離判斷異常區(qū)、地質雷達法精細刻畫異常體及邊界形態(tài)的可行性。該方法為注漿加固研究與治理提供了重要依據(jù)。

2.2 注漿加固方案參數(shù)優(yōu)化

采用有限差分法進行注漿模擬數(shù)值計算，斷層破碎帶注漿加固效果模擬計算結果云圖如圖2所示，對不同注漿情況（注漿厚度、注漿范圍等）下的隧道拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起規(guī)律總結如下：

（1）隨著注漿圈厚度的增大，拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起的變形逐漸減小。當注漿厚度由40 cm遞增至90 cm時，拱頂沉降值分別為169 mm、158 mm、152 mm、148 mm、144 mm、142 mm;水平收斂值分別為85 mm、79 mm、75 mm、72 mm、70 mm、68 mm;仰拱隆起變形值分別為138 mm、130 mm、125 mm、122 mm、119 mm、117 mm。

（2）隨著注漿圈范圍的增大，拱頂沉降、水平收斂和仰拱隆起的變形也呈現(xiàn)逐漸減小特征。當注漿范圍由140?增加至240?時，拱頂沉降值分別為166 mm、

159 mm、152 mm、149 mm、147 mm、146 mm。水平收斂值分別為85 mm、79 mm、75 mm、72 mm、70 mm、

69 mm。仰拱隆起值分別為138 mm、132 mm、125 mm、120 mm、118 mm、116 mm。

依據(jù)鐵路隧道監(jiān)控量測技術相關技術標準，該隧道處于V類圍巖環(huán)境中，其拱頂沉降需控制在150 mm以內(nèi)、水平收斂控制在80 mm以內(nèi)。綜合考慮施工成本，對注漿參數(shù)進行優(yōu)化選?。哼x取注漿厚度為70 cm、注漿范圍為200°。

2.3 圍巖變形監(jiān)控量測分析

采用鋼筋應力計進行鋼架內(nèi)外側的應力量測，隧道每個斷面布設6個測位，每個測位內(nèi)外2個測點;圍巖與噴射混凝土之間的壓力盒在噴混凝土施工前埋設，埋設時，壓力盒承壓面緊貼圍巖面和噴射混凝土面;在三個測點進行拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測斷面布置。

隧道圍巖壓力和鋼架應力在50 d時能夠保持基本不變，依托工程采取的支護措施在斷層破碎帶有效。其中隧道拱腳鋼架內(nèi)側的應力最大，拱頂外側次之，左側拱腰應力最小。對于圍巖壓力則表現(xiàn)為隧道拱頂圍巖壓力最大，為146.9 kPa，而其他位置的壓力大小接近且明顯小于拱頂位置。隧道圍巖變形在30 d內(nèi)能夠基本保持穩(wěn)定，其中拱頂?shù)淖畲蟪两禐?40.71 mm，水平收斂的最大值為72.63 mm。綜上可知，該方法為隧道安全支護體系安全提供了有效的技術支撐，具有較好的實用性。

3 結語

針對隧道穿越斷層破碎帶等高風險地層的安全控制方法與技術進行了研究，提出了“超前預報、注漿加固、變形監(jiān)測”等相結合的技術體系。具體創(chuàng)新與特色如下：

（1）針對前方斷層破碎帶等不良地質準確探測難題，形成了基于地震波法遠距離識別、地質雷達法近距離刻畫和超前鉆探直觀揭露相結合的高風險不良地質綜合探測方法，實現(xiàn)了目標地質位置、規(guī)模、形態(tài)、含水性等特征的綜合獲取，為斷層等超前處治提供地質基礎。

（2）基于實際隧道地質工況，采用有限差分方法進行隧道圍巖加固數(shù)值模擬研究，揭示了圍巖變形與注漿類型之間的相互關系，為實際工程破碎帶加固處治參數(shù)選取提供了科學指導。

（3）開展重點段落監(jiān)控量測分析，實現(xiàn)了破碎加固區(qū)的圍巖變形實時感知，有效評估隧道結構安全，支撐隧道的高質量建設。

在依托隧道工程開展測試與驗證，證明了研究所提出的方法與技術體系在實際工程中有較好的實用性和可行性。

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