高海斌，劉 澤，張聯(lián)合，張鋒利

（1.中建股份阿爾及利亞公司 阿爾及爾 16101；2.中建五局阿爾及利亞公司 長沙市 410004）

阿爾及利亞南北高速公路隧道穿越斷層破碎帶的方案探索實施

高海斌1，劉 澤2，張聯(lián)合2，張鋒利2

（1.中建股份阿爾及利亞公司 阿爾及爾 16101；2.中建五局阿爾及利亞公司 長沙市 410004）

阿爾及利亞南北高速公路T1隧道遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶，項目借助超前地質(zhì)預報機制并通過對前期處理過程的總結(jié)分析，綜合考慮比較各種超前支護方案，最終選擇Φ76超前中管棚方案作為穿越該斷層破碎帶的主要手段，方案實施后效果良好，成功穿越了該小型斷層破碎帶，對后續(xù)的施工具有重要的指導意義。

隧道工程；斷層破碎帶；方案探索；超前地質(zhì)預報；超前中管棚

1　引言

阿爾及利亞南北高速公路T1隧道地質(zhì)情況復雜多變，隧道需要穿越多段軟弱、滲水地質(zhì)，此類地質(zhì)條件，容易在施工中引起塌方等地質(zhì)災害。我國隧道修建的過程中對超前支護重視不足，往往是在出現(xiàn)了較大變形后才做加強支護的措施，而歐洲隧道施工中重視超前支護的應用，通過勘測、預判、設計調(diào)整、施工控制這一套流程，通過此套流程我們加深了對超前支護技術(shù)運用的認識。在安全、質(zhì)量、進度、成本等多方面綜合考慮下，本文就針對各種規(guī)格的超前管棚對應不同的地質(zhì)條件進行支護展開了研究，希望能給其它類似地質(zhì)情況的隧道超前管棚施工提供參考。

2　工程概述及前期施工情況

2.1工程概述

阿爾及利亞南北高速公路T1隧道位于BLIDA省CHIFFA鎮(zhèn)以南約6km處，位于阿爾及利亞國家森林公園核心保護區(qū)內(nèi)，穿越阿特拉斯山脈。左右線分離式設計，里程分別為 PK5+757～PK8+145及LK5+758～LK8+128，右線隧道長度2388m，左線隧道長度2370m。以目前設計資料及施工現(xiàn)狀看地質(zhì)條件較為復雜。巖層主要由白堊系紀頁巖及石灰?guī)r組成，多處鉆點勘測發(fā)現(xiàn)破碎巖體，同時富含水分。

施工區(qū)線路在西法峽谷由峽谷西側(cè)谷坡坡體以隧道形式穿越，屬低山地貌，山高、坡陡，地形起伏大，“V”字形沖溝發(fā)育，自然坡面一般30°～50°，路線軸線最低點高程為292.13m，最高點高程為683.13m，隧道最大埋深345.89m。縱斷面體現(xiàn)為駝峰狀地形。阿爾及利亞RN1國道沿著峽谷穿過，沿線發(fā)現(xiàn)山體極為破碎，多地段層壓水豐富，巖體表面常年流水。

2.2前期施工情況

T1隧道自2014年8月25日進洞以來，整體上來說，圍巖較軟弱、地質(zhì)條件較差，涌水塌方事故頻發(fā)，除施工洞口段無涌水外，其余時間兩洞均持續(xù)存在涌水現(xiàn)象。截至2016年6月10日，左洞上導已掘進支護545m，其中IV級圍巖僅10m，其余均為V級圍巖（細分為Vf、V1、V2）；右洞上導已掘進支護585m，其中IV級圍巖僅17m，其余均為V級圍巖。該隧道按新奧法原理施工，開挖方式為機械開挖，斷面尺寸較大（約160m2），分為三臺階逐步開挖支護。圖1主要體現(xiàn)了該隧道V2類型支護的相關(guān)支護參數(shù)。

3　遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶及現(xiàn)場處理

2015年11月，隧道左洞上導當前圍巖支護等級為V2，在施工至里程LK6+197附近時遭遇嚴重塌方（見圖2），導致工序暫停，已立鋼拱架（尚未來得及噴射混凝土）被壓沉50～60cm。所塌落圍巖軟弱破碎松散，伴隨大量涌水?？沙醪脚卸ㄇ胺酱嬖谲浫鯂鷰r斷層破碎帶。

（1）現(xiàn)場盡快對掌子面核心土附近反壓回填渣土后，以RN30混凝土對掌子面圍巖進行初噴加固。

（2）對鋼拱架進行換拱調(diào)整，同時預埋Φ125回填泵送鋼管，以噴射混凝土封閉鋼拱架支撐系統(tǒng)及掌子面。

（3）泵送回填混凝土填充塌方空洞。

（4）嘗試恢復上導掌子面開挖，期間圍巖破碎、掉塊、小坍塌、涌水情況未見好轉(zhuǎn)。以Φ42mm超前小導管、泵送回填混凝土、上導掌子面分部開挖（半邊處理）等方式艱難完成數(shù)個循環(huán)，至里程 LK6+ 201處暫停掌子面作業(yè)，等待進一步處理方案。

（5）在步驟（1）至步驟（4）處理期間，聯(lián)合體（中國建筑CSCEC及兩家當?shù)貒螅┮崖?lián)系業(yè)主（阿爾及利亞高速公路管理局）、BCS監(jiān)理（葡萄牙及兩家當?shù)乇O(jiān)理公司）、業(yè)主助理AMO（加拿大及法國聯(lián)合體）、設計院（中交一公局勘察設計院北非分院）、設計外監(jiān)BCE（意大利公司）等各方單位加入，現(xiàn)場勘察掌子面狀況，研究探討，會議確定：引入超前地質(zhì)預報機制，每周上報一次地質(zhì)預報報告，同時要求在地質(zhì)情況改變前提下需要調(diào)整支護方案時，聯(lián)合體提前上報方案。

4　穿越施工方案的探索與實施

4.1超前地質(zhì)預報機制的介入

項目引入超前地質(zhì)預報機制。預報測試采用TRT6000隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)，TRT是隧道地震波反射層析成像技術(shù)的簡稱，該技術(shù)的基本原理在于當?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)。聲學阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規(guī)模。

4.2地質(zhì)預報情況分析

在各方探討塌方處理方案的過程中，本部安排進行了超前地質(zhì)預報工作。測試日期為2015年1月18日，安裝了10個傳感器，隧道左右邊墻各布置4個，拱頂2個，錘擊震源點共計12個，隧道左右邊墻各六個，勘測范圍：高程為292.497～330.497m，左洞橫向中心線左側(cè)20m、右側(cè)50m，縱向為120m，掌子面在圖中的位置為27m，掌子面里程為LK6+ 201。

儀器的工作過程為：在震源點上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時，觸發(fā)器產(chǎn)生一個觸發(fā)信號給基站，然后基站給無線遠程模塊下達采集地震波指令，并把遠程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦，完成地震波數(shù)據(jù)采集（如表1）。

4.2.1原始波形圖

地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負的。因此，當?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置、形狀、大小。

表1　震源點坐標及檢波器坐標

判斷圍巖地質(zhì)情況原則：一般來說，軟件設定圍巖相對背景值破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)域呈藍色顯示，相對背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示；從整體上對成像圖進行解釋，不能單獨參照一個斷面的圖像；具體如圖3所示。

4.2.2三維成像圖及結(jié)論分析

從立體圖（見圖4）中可以看出藍色區(qū)域代表波阻相對較低的地方，地震波反射離散，代表反射體相對不完整；黃色區(qū)域代表波阻較高的地方，地震波反射成像相對完整，代表反射體相對完整。具體分段結(jié)論如下：

（1）掌子面LK6+201處巖體強度低，穩(wěn)定性差，巖體較破碎，裂隙水發(fā)育，須加強支護及時排水。

（2）LK6+201～LK6+232里程處圍巖同掌子面基本類似。

（3）LK6+232～LK6+292巖體較前方相對完整，局部裂隙較發(fā)育，含少量裂隙水，開挖易產(chǎn)生較小范圍落塊和塌方，施工時應注意及時支護。

4.3超前支護方案的選擇

圍繞超前支護鋼管的直徑和長度，BCS監(jiān)理與聯(lián)合體有嚴重的分歧。

方案A：Φ42mm超前小導管方案。小導管適用于處于無粘結(jié)、自穩(wěn)能力差的砂層及砂礫（卵）石層；小導管施工只是對開挖掌子面局部土層進行加固，開挖土層不宜長時間暴露；小導管注漿注入到軟弱地層里，使注漿材料在軟弱地層里向四周迅速擴散和固結(jié)，并使小導管和土體固結(jié)在一起，起到棚護和加固地層的作用。由于此段圍巖極其破碎，裂隙較大并富含地下水，Φ42超前小導管支撐強度不足，無法有效地對前方圍巖進行加固。

方案B：Φ101.5mm超前大管棚方案（見圖5）。采用Φ101.5mm無縫鋼管，壁厚6.3mm，長度9～12m，角度4°，鉆孔直徑130mm，環(huán)向間距40cm。BCS監(jiān)理提出并一直反復強調(diào)需采用此方案。認為Φ42mm超前小導管機制不良。而聯(lián)合體則認為，此方案施工成本高，速度非常緩慢，無法滿足工期要求（同地區(qū)中鐵十二局有一隧道在施工，其采用Φ101.5mm超前大管棚在洞內(nèi)做超前支護，一年的進度不足100m（法國監(jiān)理））。

方案C：Φ76mm超前中管棚方案（見圖6）。采用Φ76mm超前中管棚在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發(fā)揮了重要作用。由于超前中管棚做頂板及側(cè)壁支撐，中管棚打設注漿后剛度能滿足此段圍巖的穩(wěn)定性，為后續(xù)的隧道開挖奠定了堅實的基礎，且施工快、安全性高、工期短。

表2　方案對比

鑒于分歧，聯(lián)合體總結(jié)里程LK6+195～LK6+ 201段的施工教訓，綜合考慮安全、進度、成本（見表2）、可行有效性等因素，結(jié)合地質(zhì)預報的結(jié)果，最終提出此優(yōu)化方案C，并委托設計院細化設計。聯(lián)合體之前曾施工打設過Φ76mm微樁（長度6m），已有相關(guān)施工經(jīng)驗。該方案在進度、成本、可行有效性方面比Φ101.5mm超前大管棚方案具有很大的優(yōu)勢，可作為穿越小型斷層破碎帶的方案選擇。

4.4Φ76mm超前中管棚方案的具體實施

聯(lián)合體在方案確定后即開始著手施工Φ76mm超前中管棚，具體施工步驟如下：

（1）鉆孔前準備工作。用混凝土和水泥漿主要對里程LK6+236～LK6+243范圍進行填充處理，并做好監(jiān)控量測原始記錄，用小型潛孔鉆機對掌子面及附近打設若干排水孔以疏導排水，用噴射混凝土對掌子面提前做好封閉加固處理。

（2）采用小型潛孔鉆機鉆孔及安裝6m長的Φ76mm無縫鋼花管。在最后兩榀拱架之間，按設計要求環(huán)向打設并頂管安裝。鉆孔時控制角度，錯開打設，并及時安裝鋼管。

（3）注漿前準備工作。管棚打設安裝完成后，及時對管口焊接變徑注漿鋼管（帶閥門），并以噴射混凝土對管口周邊做再次封閉處理。

（4）采用注漿機對鋼管進行灌注水泥漿。注漿水灰比為1∶1.0～2.5，注漿壓力0.5～1.5MPa。

（5）開挖支護。開挖支護一循環(huán)（進尺1m）后，再次打設管棚重復（2）、（3）、（4）工作步驟。

4.5穿越方案實施后的效果及注意事項

在超前地質(zhì)預報的指導及Φ76mm超前中管棚等工作具體實施后，隧道掌子面的開挖支護工作逐漸趨于正常（見圖7），開挖基本無掉渣現(xiàn)象，保證了初期支護穩(wěn)定及施工人員的安全。同時本部在后期段施工按照超前地質(zhì)預報情況及時調(diào)整了小管棚及中管棚，很好地灌輸了超前支護理念。在施工過程中，存在相關(guān)注意事項如下：

（1）超前地質(zhì)預報機制介入越早越好。本隧道該段施工，預報探測還是滯后，導致前期穿越處理過程極為艱難，應引以為戒。

（2）管棚施做前的準備工作，如回填、排水、加固等一定要做好，以防止鉆機鉆孔產(chǎn)生圍巖擾動而導致的塌方等不穩(wěn)定情況的發(fā)生。

（3）管棚注漿要充分飽滿，時刻觀察注漿壓力表的變化，以確定注漿速度及換管時機。

（4）管棚施工完后的開挖要控制進尺，本段不超過1m。最初可對掌子面進行分部開挖支護，先開挖支護半邊，噴射覆蓋后，然后迅速開挖支護另半邊，中間核心土一定要盡可能留大。

（5）管棚的施做頻率可具體根據(jù)管棚長度及開挖圍巖的情況，靈活調(diào)整。本段由最開始的每循環(huán)施做一次管棚，逐漸變?yōu)槊績裳h(huán)施做一次管棚，提高了穿越該小型斷層破碎帶的進度。

（6）整個施工過程中，需加強隧道監(jiān)控量測，本次，確認了已支護部分為穩(wěn)定狀態(tài)。

5　結(jié)論及體會

本次隧道遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶，在各相關(guān)合作單位參與支持下，聯(lián)合體借鑒前期的經(jīng)驗教訓，引入超前地質(zhì)預報，綜合分析超前管棚支護方案，最終選擇采用Φ76mm超前中管棚，以較快速度、較低成本成功穿越了該20余米的小型斷層破碎帶。整個艱難的穿越過程對后續(xù)的施工具有極大的指導意義。下面分享幾點體會。

（1）隧道斷層破碎帶的開挖支護施工難度較大，施工過程應謹慎，最好提前合理做出方案選擇，對于隧道開挖支護的穩(wěn)定順利、人員的安全具有重要意義。

（2）超前地質(zhì)預報對于隧道的安全施工具有重大的指導意義，尤其是遭遇軟弱圍巖斷層破碎帶時，能夠提前讓施工單位做出適合的方案選擇。

（3）隧道穿越斷層破碎帶時，Φ42mm超前小導管會暴露其局限性。而Φ76mm超前中管棚對于穿越小型斷層破碎帶比之Φ101.5mm超前大管棚在施工速度、施工進度、施工難度、成本方面具有明顯的優(yōu)勢。

（4）隧道穿越斷層破碎帶時，需加強施工過程控制、隧道監(jiān)控量測等，以保障施工質(zhì)量，保證施工安全順利進行。

（5）隧道超前支護施工要重視預報、勘測、設計、施工的良性循環(huán)程序，保證控制塌方頻率、塌方程度，甚至做到軟弱地質(zhì)零塌方施工。

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［4］ 衛(wèi)剛.高速公路斷層破碎帶隧道處理技術(shù)研究［J］.交通建設與管理，2014（10）：159-161.

［5］ 王敏.山區(qū)高速公路隧道斷層破碎帶施工技術(shù)探討［J］.工程建設與設計，2014（9）：149-150.

［6］ 肖瑞文.二郎山隧道管棚支護施工的設備選型及應用［J］.鐵道工程學報，1999（3）.

Exploration and Practice of the Fault Fracture Zones Crossing Solution for the Tunnel of Algeria North-South Highway

GAO Hai-bin1，LIU Ze2，ZHANG Lian-he2，ZHANG Feng-li2

（1.Algeria Branch of China State Construction Engineering Corp.，Ltd.，Algiers 16101，Algeria；2.China Construction Fifth Engineering Division Corp.，Ltd.，Changsha 410004，China）

The tunnel T1 of Algeria North-South highway suffered from the fault fracture zones composed of weak rock，the project by means of geological prediction mechanism and by a summary of the pre-process analysis，considering the comparison of various advance support solutions，find finally the option with 76 shedpipe as the main method of crossing the fracture zone.After the implementation of the solution，it works well，crossed successfully the small fault fracture zone，which has an important guiding significance for the subsequent construction.

Tunnel project；Fractured zone in fault；Exploration of solutions；Advance geological forecast；Medium shed-pipe

U455

B

1673-6052（2016）09-0053-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.09.014