隧道开挖过程中断层及破碎带处理技术探讨 夏志武

隧道开挖过程中断层及破碎带处理技术探讨夏志武
摘要：隧道开挖过程中断层及其破碎带是常见的不良地质现象，是地层岩体沿
破裂面因地壳变动而发生较大错动或明显位移的断裂构造。

隧道围岩不稳定的区
段之一即是它的分布区段。

断层破碎带在多数情况下，是作为一个易变形、低强度、抗水性差、透水性大的软弱带存在的，在物理力学特性上与其两侧岩体具有
显著的差异。

在穿越破碎带时，这是事故多发的险要地段，隧道经常发生岩体沿
软弱结构面滑动、坍塌或涌水现象。

它不仅直接影响了开挖速度，而且破坏了隧
道的稳定性。

因此除遵守一般技术要求外，在穿越该地段时，隧道还应采取针对
性较强的辅助方法。

本文结合实例对隧道开挖过程中断层及破碎带处理技术进行
了分析探讨。

关键词：隧道开挖；浅埋断层破碎带；处理技术
一、国内外研究概况
破碎围岩属于软弱围岩的一种。

一般来说对于软弱围岩，通常可以分为工程
软岩和地质软岩，在工程力作用下工程软岩是指能产生显著塑性变形的工程岩体。

地质软岩对软、弱、松、散的地质特点进行强调，而工程软岩强调工程力荷载和
软岩强度的对立统一，取决于岩体强度和工程力的相互关系，即揭示了软岩的相
对实质；地质软岩是指孔隙度大、强度低、受构造面切割、胶结程度差及含有大
量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层或风化影响显著。

由于隧道开挖后，围岩不能自稳，所以必须对隧道周边围岩进行预加固，以
提高围岩的稳定能力，改善围岩的物理力学特性。

根据对周围地层的加固机理，
可将预加固措施分为预支护法和地层改良法。

预支护法就是在隧道开挖前，沿隧
道开挖轮廓形成预支护拱棚，在拱棚的保护下进行隧道开挖。

长期以来，隧道工
程施工中的难题就是软弱破碎围岩的维护问题。

地层改良法就是提高开挖面周围
地层的力学特性的方法，包括：各种静压排水固结法和注浆加固法等。

欧洲 TEMTransit European Motorway 通道的重要注组成部分是土耳其 Bolu 隧道，两条三车道隧道中心线间距 40m，右线全长 3236m，左线全长 3287m，隧道
最大埋深250m。

开挖断面面积根据地质条件及支护的不同，大约140 ～220m2。

在距 Blou 隧道入口、出口分别为 700m 和 150m处各有一大规模断层，两断层与
隧道相交都呈小角度，影响长度分别达233m 和 197m。

这两个断层内充填大量粘土矿物，均为逆断层、断层裂隙。

原设计在断层破碎带，采用柔性初期支护，双
侧壁导坑法施工，最大允许变形量为 25cm。

采用注浆小导管超前支护于侧壁导
坑拱部，下部采用二步台阶落底，上导坑环形开挖留核心土，全部设 46m 长锚杆
在仰拱以上部分，喷射混凝土厚度 30cm，环向间距 1.2m，双层钢筋网，钢拱支
撑 1 榀/m。

隧道位移在施工过程中，严重超限，水平收敛达 105cm，拱顶下沉将
近 50cm。

经过多次变更支护参数，如喷射混凝土厚度最后竟达到 70cm，改为钢
纤维混凝土，仍不能有效控制围岩变形，最终决定采用重型支护措施的 Bernold
衬砌，取得成功。

二、断层破碎带对隧道围岩稳定性的影响
由于断层破碎带等结构面的存在，隧道周围的岩体强度而大为降低，其主要
原因为软弱结构面的存在降低了岩体的整体强度、破坏了岩体的完整性；而在一
定意义上，结构弱面的特征决定了其抗滑阻力的大小，并决定着隧道整体的稳定性。

隧道穿越断层，特别是破碎带的断层，开挖难度较大。

一般破碎带宽度较大，它包括破碎带自身的宽度以及比破碎带自宽度大得多的影响带。

此外，由于破碎
带常含有大量的水和黏土化，突破它时可能喷出大量土砂和涌水，造成支护变形
及围岩失稳破坏。

断层对隧道稳定性的影响与断层本身的特点、断层规模及组合情况有关。

断
层的产状、性质以及断层两侧结构都不同程度地影响隧道结构，如地层的岩性、
断面形态、岩体质量、断层破碎带的宽度以及断层的导水性等都是导致其变形破
坏的因素。

断层破碎带从以上分析可知，断层破碎带对围岩稳定性影响较大，作
用机理较复杂，需提前对断层破碎带区域的地质、工程、应力、水环境等进行系
统研究，对隧道开挖对周围岩体的影响规律以及提早制定相应的隧道失稳防治对策。

三、工程概况
本隧道横穿山脉中段，本隧道为分离式隧道，隧道中心里程为 ZK2+654，全
长 1832m，洞身围岩为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩，隧道进、出口为Ⅴ级围岩，全隧穿越
岩性为砂岩、泥岩互层，覆盖层薄；隧道穿越断层较发育，属区域性断层，位于
山大背斜西翼，地层垂直断距达 10m，破碎带及其影响带宽约 200m。

断层与路
线交于 ZK1+870 附近，交角为 75°。

隧道处在缓坡、浅埋、泥岩、逆断层的地质
和地形条件下，影响条件多种多样，在施工过程中有多次坍塌、滑坡、变形等诸
多困难。

四、断层破碎带围岩稳定性数值模拟分析
（一）、网格划分与边界条件
根据工程实际围岩情况建立隧道穿越 F4 及 F5 断裂构造带模型，并用六面体
单元划分网格，见图 1。

图 1隧道模型
根据锚固方法的特点并结合该隧道围岩实际条件，采用 FLAC3D 软件进行数值模拟计算。

它采用的是三维显式有限差分法程序，在岩土的工程结构中可以模拟岩土及构筑物的三维力
学行为。

拉格朗日差分法是FLAC3D 软件的基本原理，它是一种利用差格式按时步积分求解，并利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法。

随着构形的不断变化，以及不断更新的坐标，允许介质有较大的变形，因此它适用于分析大变形问题。

隧道净高 5.0m，净宽 10.25m，隧
道地表为斜坡形，最小埋深为 38m，最大埋深为 162m。

根据圣维南原理，模型宽度模型左
右宽度综合考虑取宽度117m，各取隧道开挖宽度的 3~5 倍，以确保计算的精度。

（二）、计算方案
为了监测拱顶和仰拱的位移收敛情况，分别在拱顶和仰拱中心位置取2 个样点进行分析。

①无断层破碎带时的数值分析及计算；②有断层破碎带台阶法开挖的数值计算及分析；③
有断层破碎带全断面开挖的数值计算及分析。

由于篇幅有限，本文仅对第一种计算情况进行
分析：
无断层破碎带时位移云图见图 2。

图 2无断层全断面开挖位移图
由图 2 可见，隧道围岩的径向位移发生在洞内，隧道仰拱最大隆起位移为 16.1mm，拱顶最大沉降位移为 6.1mm。

隧道开挖破坏了围岩的原始平衡，隧道径向的变形由应力重新分布
引起。

在不考虑断层破碎带时，围岩在支护下可以稳定。

五、处理技术
（一）、构建全面的防排水体系
地表水处理采用排截水沟、夯填粘土、彩条布覆盖等措施；围岩内裂隙水处理在开挖前
采用超前钻集中引排；洞内水排放采用在两侧开挖明沟，利用自然坡或抽水站集中排出洞外。

通过上述措施可以防止水渗透到隧道掌子面使围岩软化，有效抑制隧道内的变形和沉降。

（二）、超前支护
采用Φ42mm热轧无缝钢花管的小导管（环向间距40cm，外插角为10°，壁厚3.5mm，
长度3.5m），进行注浆采用水泥砂浆，浆液水灰比为1：1，注浆前要先进行压水试验，检
查管路连接是否正确，检查机械设备是否正常。

为发挥设备效率和加快注浆速度，可采用群
管注浆。

注浆时从两侧拱脚向拱顶跳孔压注，以确保控制注浆量和固结效果。

为了防止浆液
流失并有效控制注浆量，在裂隙发育较大时，可根据情况采用水泥——水玻璃双液注浆施工。

（三）、开挖及初期支护
施工时采用短台阶弧形导坑预留核心土方法，预留在中间的核心土部分为掌子面稳定提
供作用力，并且与一般的台阶法要求相比，上下台阶的长度控制要严格些，按一倍隧道开挖
宽度以内控制。

施工中应坚持“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护、勤量测”的原则。

施作系
统锚杆（Φ22，长度 4m，间距纵 x 环 1.0x0.8m），初期支护初喷 4cm 混凝土，铺设钢筋网（25x25cm），架立钢架，施作锁脚锚杆（Φ28，长度 3m），复喷混凝土至设计厚度。

下台阶采用光面爆破施工，可以增强围岩的自承能力，减少对围岩的扰动，减少超欠挖
工作量；将底板眼分成几个段分开起爆，以减少对围岩的扰动；为避免震动效果的叠加作用，雷管跳段使用，间隔时间控制在100ms 左右。

（四）、监控量测
搞好断层破碎带施工最基础的工作是建立合理的变形观测点并量测，为施工方法、施工
过程、施工进度、施工措施等可提供数据依据。

监控量测可分为地表监测，洞内监测及洞内
外观察如下表 1、表 2。

1）控制位移值 U0 作为施工初期阶段的量测管理标准值，根据工程类比法并考虑工程的
实际特点确定，随着施工进展，随着量测取得的数据与围岩的稳定性和支护效果的判断，可
适当修正。

2）当出现喷射混凝土开裂、掉块、锚杆松弛或锚杆垫板压紧变形、钢支撑扭曲变形时可
以作为隧道围岩与支护失稳的危险信号。

3）当地表下沉值达 30cm 或异常增大值为 10cm 时可作为隧道失稳的危险信号。

4）地表沉降监测测点宜与拱顶下沉测点设在同一断面上，在隧道中线两侧按间距 5m 布
设测点，必要时加密。

地表沉陷量测应在开挖面前方2B（B 为毛洞宽度）处开始进行，直到
开挖面后方（3~5）B、沉陷基本停止时结束。

六、结束语
本道全长 1832m，处在缓坡、浅埋、泥岩、逆断层的地质和地形条件下，影响条件多种
多样，在施工过程中多次遇到坍塌、滑坡、变形等困难，最后在没有影响总工期的条件下顺
利贯通，得益于后期采取的正确的施工方法、施工工艺、施工工措施及施工管理。

本隧道全
长 2326m，作为全线节点工程同样全部采用了该工艺与管理方法，提前4 个月贯通，取得了
显著的经济效益。

该隧道的顺利贯通，为今后同类型地质条件隧道施工建设积累了成功经验，今后地质条件复杂的缓坡、浅埋、泥岩、逆断层的地质和地形条件下公路隧道施工，均可采
用该种施工方法进行施工，可有效预防塌方的发生，保证施工进度。

参考文献：
[1]王鲁南.隧道穿越断层破碎带施工风险分析及围岩变形规律研究[D].济南：山东大学，2012.
[2]朱建明，徐秉业，朱峰，等.FLAC 有限差分程序及其在矿山工程中应用[J].中国矿业，2000（4）：78-81.。