中铁（贵州）市政工程有限公司 贵州贵安 550025
摘要：针对目前断层破碎带穿越岩溶发育区域亟待解决的问题，本文以贵州省六盘水—威宁高速公路黄家屋基隧道为工程实例，通过在施工过程不断实践总结，重点研究了岩溶发育区域断层破碎地带隧道超前地质预报、超前支护方法、开挖工法、初支钢拱架设置方式四大内容，形成了解决岩溶发育区域断层破碎地带隧道超前地质预报、超前支护方法、开挖工法、初支钢拱架设置方式等施工控制关键技术。
关键词：隧道；岩溶；断层；施工控制
1 引言
岩溶发育地区断层破碎地质隧道因受断裂构造因素作用，面临的岩溶地质条件更加复杂，隧道施工往往更易出现塌方冒顶、突水突泥等突发状况。因此，开展浅埋大断面岩溶隧道岩溶地质特征、隧道超前地质预报、支护措施等方面的研究，可优化设计和施工方案，为工程顺利施工提供保障，不仅具有解决岩溶地区隧道围岩稳定性分析的理论意义，而且具有指导岩溶地区隧道安全施工的工程应用意义。
2 工程概况
黄家屋基隧道为六威高速公路项目的控制性工程，为分离式长隧道，左幅长1991m，右幅长1978m，隧道进口及洞身段测设线间距约30m，出口段测设线间距19m，最大埋深约143m。隧道地处贵州高原西部高原山地区，受侵蚀-溶蚀影响，岩溶极发育。隧址区发育四条区域断层F1、F2、F3、F4，其中：F1为正断层；F2为正断层；F3为正断层；F4为逆断层。隧道地表存在4处岩溶洼地，其中2处岩溶洼地位于断层破碎带位置，洼地内可见落水洞。隧道为喀斯特破碎地质地段浅埋隧道施工，存在大量发育规模不等的溶洞溶腔，极易造成塌方和冒顶，施工难度大。
3 施工控制关键技术
3.1超前地质预报
本隧场区溶化程度较高，隧道施工中遇到隐伏溶洞的可能性大，施工中可能发生涌水、突泥等风险，隧道施工中需做好超期地质预报工作，对隐伏溶洞位置、规模、性质进行科学判断，做好相关应急处理预案，然后根据溶洞具体情况采用回填、强支护、帷幕注浆、跨越等方式进行处治。
（1）岩溶地区隧道的超前地质预报最主要的是对前方溶洞的位置、溶洞含水体规模、水压和岩溶填充物的性质的探测，其次是地质构造引起或大型岩溶坍塌引起的破碎带位置的预报，再次是对掌子面前方岩土介质级别的变化问题的探测；岩溶发育地区隧道超前预报方法主要有地质雷达法、TSP法和超前水平钻孔法。
（2）黄家屋基隧道所处岩溶地区，施工过程中频繁揭露岩溶，采用地质雷达对岩溶的探测获得了成功，本项目通常长期一线的探测实践到如下认识：
1）地质雷达探测对施工进度影响较小。
2）三条测线布设在实际探测中较为脱离实际，建议布设两条测线。
3）掌子面的平整度会对探测结果有较大的影响。
4）掌子面前方不同界面反射信号的叠加、覆盖影响前方地质的判断。
5）雷达探测的深度应该叠加。
6）隧道掌子面环境较差，通常采用点测的方式，测点距离和点数应该适中。
7）隧道地质雷达探测在结合地质分析的同时结合超前钻探，超前钻探可以根据实际情况开展。
3.2 超前支护方式
本项目施工过程中通过在断层影响带采用全断面周边注浆，过断层时采用全断面帷幕注浆，洞身段采用φ76×4mm 中管棚进行拱部防护，即隧道拱部140.39°范围内系统锚杆，采用Φ42×4mm斜向注浆钢花管，L=4.5m，α=45～50°，间距50×80cm（纵×环），梅花形布置；其余系统锚杆采用Φ42×4mm环向注浆钢花管，L=4.5m，间距50×120cm（纵×环），梅花形布置；锁脚采用Φ42×4mm钢花管，L=4m，每榀钢拱架设置4根；超前支护采用Φ76×4mm超前小导管，L=9m，间距40×600cm（环×纵），超前支护设置范围为拱部136.88°，取得了良好效果，确保断层破碎带的顺利施工，如图1与图2所示。
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图1 全断面周边注浆示意图
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图2 洞身管棚示意图
3.3 开挖工法研究
经过实践中不同工法对比，岩溶发育区域断层破碎地带采用临时仰拱环形开挖预留核心土法取得了较好的效果，施工中先按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ顺序环行开挖上断面，施作初期支护①，然后开挖上断面核心土Ⅳ，紧接着施工临时仰拱使上断面闭合成环。下断面Ⅴ、Ⅵ采用跳槽开挖，开挖后及时施作相应的初期支护②，再逐榀拆除临时仰拱③，再施作下断面另一侧初期④，支护全断面开挖完成后及时施作仰拱⑤并进行仰拱回填⑥，然后整体模筑二次衬砌⑦；工法示意图如图3。
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图3 临时仰拱环形开挖预留核心土法示意图
3.4 自制整体式连接初支拱架支撑体系研究
通过大量的研究工作、理论计算分析及对溶发育区域断层破碎地质隧道超前支护、初期支护施工技术的研究与实施，提出了成套施工技术方案，采用自制整体式连接拱架支撑体系（即通过超前预报确定断层、溶洞的长度，根据隧道初支受力薄弱部位长度提前将多榀初支钢架连接为一个整体形成一个完整的受力体系，在危岩及溶腔填充物掉落多发区域焊接钢板，确保下方区域施工安全，保证安全施工的同时节省施工时间），并在拱架受力薄弱部位采用自己研究的隧道拱部弓形桁架多向支撑体系（即通过超前预报确定断层、溶洞的位置，根据隧道初支受力薄弱部位位置提前在自制整体式连接拱架支撑体系相应部位进行加固，保证安全施工的同时节省施工时间），解决了地质复杂、拱部沉降与收敛及岩溶处治方面的施工难题，实现快速、安全通过断层区域、岩溶发育区域。自制整体式连接拱架见图4所示。
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图4 自制整体式连接拱架
（1）研究方法
为验证自制整体式连接拱架对破碎围岩隧道变形的控制效果，利用有限差分软件FLAC3D 5.0建立了黄家屋基隧道三维数值仿真模型，计算了在自制整体式连接拱架支护条件下隧道的变形量，同时，为了显示自制整体式连接拱架对破碎围岩隧道变形更强的控制能力，对比自制整体式连接拱架与单拱架支护效果的区别，计算了单拱架支护条件下隧道的变形量。
（2）计算模型
计算模型根据黄家屋基隧道实际尺寸建立，隧道宽度13m，高度10m，埋深80m。隧道数值模型左右两侧各取围岩宽度20m，上下各取围岩厚度20m，深度方向上取4.5m。因此，数值模型尺寸为53m*49.5*4.5，其他60m上覆岩层转换为面荷载施加于数值模型顶面。
支护条件为初支喷浆28cm，拱架间距0.5m，因此，数值模型4.5m的深度上建立单拱拱架10架，自制整体式连接拱架5架。
计算模型共分为36195个节点，33984个单元。
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图5 隧道整体模型（自制整体式拱架支护） 图6 自制整体式连接拱架及初喷支护结构
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图7 隧道整体模型（单拱架支护） 图8 单拱架及初喷支护结构
（3）计算条件
本次计算本构模型采用摩尔库伦，根据设计资料，隧道围岩为V级围岩，围岩容重1800kg/m3，变形模量1.2GPa，泊松比0.37，计算内摩擦角40度。
模型边界条件为：左右固定x方向水平位移，前后固定y方向水平位移，模型底面固定x、y、z方向位移，模型顶面施加1.08MPa（60m上覆岩层荷载）。
计算顺序为：1、施加边界条件，赋予计算模型参数，计算初始地应力；2、清除模型初始变形，隧道开挖，施加支护条件，计算隧道变形量。
（4）计算结果分析
1）自制整体式连接拱架+初喷支护
下图为自制整体式连接拱架+初喷支护条件下隧道的竖向和水平变形云图。图中可以看到，在自制整体式连接拱架+初喷支护条件下，隧道拱顶最大下沉量为3.9mm，由于隧底没有设置拱架，隧底上拱变形略大，上拱量为5.4mm。水平方向上，由于自制整体式连接拱架刚度较大，隧道两边墙最大水平变形为2.29mm，即隧道水平收敛变形为4.58mm。
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图9 自制整体式连接拱架+初喷条件下隧道竖向变形 图10 自制整体式连接拱架+初喷条件下隧道x方向水平变形
2）单拱架+初喷支护
下图为单拱+初喷支护条件下隧道的竖向和水平变形云图。图中可以看到，在单拱架+初喷支护条件下，隧道拱顶最大下沉量为13.6mm，隧底最大上拱量6mm。水平变形上，隧道两边墙最大水平变形为5.9mm，即隧道水平收敛为11.8mm。
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图11 单拱架+初喷条件下隧道竖向变形 图12 单拱架+初喷条件下隧道x方向水平变形
3）对比分析
对比两种不同支护条件下隧道的变形量可知，在自制整体式连接拱架支护条件下，隧道的拱顶下沉量和两边墙水平收敛量明显减小，隧底上拱量差别不大。这是由于自制整体式连接拱架将两榀工字钢连接为一体，并在拱架顶部添加了斜撑，增强了连接拱架的整体刚度，提高了拱架抵抗隧道变形的能力，因此，自制整体式连接拱架对破碎围岩隧道变形的控制能力更强，支护效果更好，降低了隧道拱顶下沉量和隧道两边墙水平收敛量，可有效控制破碎围岩隧道的变形。但是，由于隧道底部没有设置钢拱架，两种支护条件相同，所以隧底上拱变形量差别不大。
不同支护条件下隧道变形量
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4 结束语
基于黄家屋基隧道的工程概况和现场施工情况，通过方案的制定、论证和施工过程的技术攻关，掌握了岩溶发育区域断层破碎地质隧道施工技术，解决了在岩溶发育区域断层破碎地质情况下施工，围岩变形等一系列问题，特别是初期支护自制整体式连接拱架支撑体系研究基于FLAC3D，通过数值计算研究方法，对比分析两种不同支护条件下隧道的变形量可得，在自制整体式连接拱架支护条件下，隧道的拱顶下沉量和两边墙水平收敛量明显减小，为今后在岩溶发育区域断层破碎地质隧道施工提供了宝贵的施工经验。
参考文献：
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