公路隧道断层破碎带段台阶法施工参数动态优化与掌子面稳定控制技术研究

断层破碎带作为隧道工程中典型的不良地质体，其岩体破碎、节理裂隙发育、地下水赋存复杂等特性使得隧道施工面临掌子面失稳、突水涌泥等风险[1]。台阶法因其灵活性与适应性成为断层破碎带段的常用施工方法，但传统参数设计依赖经验，难以适应地质条件的动态变化，导致支护结构与围岩力学响应不匹配，存在安全隐患[2]。开展断层破碎带段台阶法施工参数动态优化与掌子面稳定控制技术研究，对保障隧道施工安全、提升工程经济性具有重要意义。

1. 断层破碎带地质特性与掌子面失稳机理

1.1 地质特性对隧道稳定性的影响

断层破碎带岩体完整性差，多呈散粒体或碎裂结构，内摩擦角与黏聚力显著降低，自稳能力弱。地下水的渗流作用会进一步软化岩体，冲刷结构面充填物，导致抗剪强度下降，形成潜在滑动面。此外，断层带附近地应力分布不均，开挖扰动易引发应力重分布，加剧围岩变形。岩体力学参数的劣化使得传统基于完整岩体的设计理论不再适用，需建立考虑结构面效应的分析模型。

1.2 掌子面失稳模式

掌子面失稳主要表现为剪切破坏与挤出变形。在高应力作用下，岩体沿软弱结构面发生剪切滑移；地下水富集区则易出现流砂、突泥等挤出破坏。开挖进尺过大或支护不及时会扩大扰动范围，导致掌子面坍塌。失稳过程具有渐进性与突发性特征，初期表现为局部掉块，随时间推移发展为整体滑移，需通过实时监测捕捉前兆信息。

2. 台阶法施工参数动态优化方法

2.1 参数优化框架构建

基于“监测-模拟-优化”闭环控制理念，建立参数动态优化体系。通过实时监测掌子面位移、支护结构内力及地下水压力等数据，利用离散元软件 PFC 模拟不同参数组合下的围岩响应，结合多模态神经网络模型（CNN-MLP）预测稳定性指标，最终通过智能算法搜索最优参数[3]。该框架可实现地质信息、施工参数与稳定性指标的动态关联，克服传统经验法的局限性。

2.2 关键参数优化策略

台阶长度的确定需综合考虑围岩等级与支护闭合时间要求，短台阶法（10-15m）适用于中等破碎带，微台阶法（3-5m）则适用于极破碎地质条件，其核心是控制开挖面暴露时间与围岩变形速率。开挖进尺需通过数值模拟分析不同方案下的塑性区范围，在断层核心区宜控制在 1-2m，通过减小单次开挖量降低扰动强度。超前支护参数的优化应体现刚度梯度设计，管棚与小导管的组合需满足“强支护、短循环”原则，管棚直径与长度根据围岩压力动态调整，注浆参数需匹配岩体渗透性特征[4]。

3. 掌子面稳定控制技术体系

3.1 超前地质预报

通过运用“地震波初步探测配合 这种多种技术手段相互协作、共同作用的联动探测方式，能够精 下水的具体分布情况，从而为相关参数的调整与优化提供坚实 预警-处治”链条体系，借助这一链条实现对各类风险的动态化 时候，必须结合地质力学方面的深入分析，进而形成直观且精确的 能够为施工过程中的各项决策提供可视化方面的有力支撑，确保施工决策更加科学合理、贴合实际需求。

3.2 支护结构优化

在隧道施工的初期支护阶段，可采用双层钢架、双层钢筋网与喷射混凝土相结合的综合组合形式。其中钢架间距需依据围岩压力计算结果确定，通常将该间距控制在 0.6-0.8 米的合理区间内。对于喷射混凝土，其厚度有明确规定，需保证不小于25 厘米，旨在通过提高支护结构的整体刚度，有效抑制围岩变形[5]。

在掌子面加固处理方面，施工前明确加固范围、深度及技术参数，准备加固材料和设备，渗水治水。后采用径向锚杆（长度一般为3-5 米）与掌子面喷射混凝土协同配合的方式。此做法可构建“锚杆-混凝土”组合加固层，该加固层有助于提升掌子面的抗剪强度，使其在施工过程中具备更高的稳定性。此外，支护时机的选择必须严格遵循“及时支护、动态调整”的重要原则。具体而言，需根据施工过程中监测到的数据情况，精准确定最佳支护施作时间，以保障施工过程的安全性与有效性。

3.3 动态反馈机制

通过智能监测系统实时采集数据，利用多模态神经网络模型预测掌子面稳定性等级。当变形速率超过预警阈值时，自动触发参数优化程序，调整开挖进尺与支护强度，实现施工过程的智能化控制。反馈机制的核心是建立监测数据与施工参数的映射关系，通过机器学习不断优化控制阈值，提高响应速度与精度。

4. 数值模拟与工程验证

4.1 离散元模拟分析

以某公路隧道断层破碎带段为背景，建立三维离散元模型。模拟结果显示，采用双层小导管超前支护（注浆加固圈厚度4m）时，掌子面最大位移较单层支护降低51%，塑性区范围缩小 62%，验证了优化参数的有效性。模拟过程中考虑了岩体各向异性与地下水渗流耦合效应，使计算结果更接近工程实际。

4.2 工程应用效果

在类似工程中，通过动态优化参数与稳定控制技术，围岩变形速率降低至 0.5mm/d 以下，支护结构内力分布均匀，未出现开裂或失稳现象。与传统方法相比，施工效率提升 20%，支护成本降低15%，实现了安全与经济的双重优化。应用过程中形成的“地质-参数-效果”数据库为后续工程提供了参考依据。

5. 结论

断层破碎带的岩体破碎性、地下水渗流及地应力扰动是影响掌子面稳定的核心因素，需从地质特性分析入手构建针对性控制技术。基于“监测-模拟-优化”闭环的参数动态优化方法，可实现台阶长度、开挖进尺、超前支护参数的精准调控，显著提升施工安全性。“双层超前支护+及时封闭成环”的控制技术体系，能有效抑制围岩变形，适用于不同等级断层破碎带隧道施工。多模态神经网络与离散元模拟的结合，为掌子面稳定性预测与参数优化提供了智能化工具，具有广阔的工程应用前景。该研究成果可为公路隧道断层破碎带段施工提供系统的理论与技术支撑，对推动隧道工程智能化发展具有重要意义。

参考文献

[1] 吴金刚, 陈建芹, 马杰, et al. 富水断层破碎带大断面隧道设计与快速施工[J]. 隧道建设（中英文）,2022,42(z1):353-359.

[2] 张 晓 勇 . 公 路 隧 道 断 层 破 碎 带 围 岩 变 形 规 律 数 值 模 拟 [J]. 水 利 与 建 筑 工 程 学报,2017,15(5):192-195,215.

[3] 黄解放, 黄明利, 谭忠盛. 东天山隧道穿越断层破碎带初期支护变形分阶段控制标准研究[J]. 隧道建设（中英文）,2022,42(z1):155-165.

[4] 祁文睿, 高永涛. 公路隧道穿越软弱破碎围岩综合施工及监测技术研究[J]. 公路交通科技,2021,38(11):88-96,105.

[5] 赵红飞,赵青云,刘继文,等. 高铁隧道穿越断层破碎带围岩控制效果分析[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版）,2020,38(3):6-9,77.