隧道斷層破碎圍巖段的施工技術(shù)

■張志磊 ■中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安微 合肥 230000

1 案例介紹

某隧道工程的長度為6.014km，最大埋深695m，隧道穿越四個斷層破碎帶，破碎段的總長度為420m，均屬于V 級圍巖。在地質(zhì)運動和高地應(yīng)力的影響下，圍巖已經(jīng)非常破碎，且富含地下水，容易產(chǎn)生隧道涌水、坍塌和變形現(xiàn)象，需要對此段圍巖進(jìn)行處理。

2 斷層破碎帶產(chǎn)生涌水、坍塌和變形的主要原因

巖層受地質(zhì)運動影響，斷裂并錯動形成斷層，地表水沿斷層面匯入地下，在斷層破碎帶形成有壓地下水，隧道開挖至斷層影響帶時，地下水涌出，形成隧道涌水。斷層錯動過程中，斷層附近的巖體被壓碎，成破碎狀，圍巖自穩(wěn)能力差，容易造成隧道坍塌。破碎圍巖產(chǎn)生變形的原因很多，而產(chǎn)生變形的主要因素是存在高地應(yīng)力，對隧道進(jìn)行開挖之后，圍巖存在的高地應(yīng)力釋放造成初期支護(hù)強度減弱，從而致使初期支護(hù)發(fā)生變形。隧道涌水、坍塌和變形嚴(yán)重威脅施工安全，影響隧道施工質(zhì)量，并大大提高了隧道的施工難度。

3 斷層破碎圍巖段解決措施

通過超前地質(zhì)預(yù)報，準(zhǔn)確定位斷層破碎帶的位置，提前采取措施，解決或降低斷層破碎段的不良影響。主要措施有:

⑴通過超前帷幕注漿固結(jié)巖體，并封堵地下水通道;

⑵施做超前小導(dǎo)管和超前大管棚等超前預(yù)支護(hù)措施，加固圍巖;

⑶采用短進(jìn)尺、短臺階的開挖方法，并預(yù)留變形量;

⑷增強初期支護(hù)的強度，并及時封閉成環(huán);

⑸二次襯砌加強。

4 斷層破碎圍巖段施工技術(shù)

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報

由于目前超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)還不成熟，所以需要幾種方法的相互印證才能達(dá)到客觀反映前方地質(zhì)情況的目的。根據(jù)本工程施工特點，采用了超前地質(zhì)綜合判斷手段，具體內(nèi)容為:以地質(zhì)素描為基礎(chǔ)，應(yīng)用TSP203、地質(zhì)雷達(dá)、多頻電磁探水對前方圍巖、地下水變化情況進(jìn)行長短結(jié)合的物探，并采用多孔、多外插角度的超前水平鉆探直觀揭示地質(zhì)情況。

4.2 超前帷幕注漿

超前帷幕注漿主要作用是對隧道前方一定范圍的土體進(jìn)行注漿固結(jié)，使破碎圍巖粘結(jié)成整體，并在開挖區(qū)域周邊形成隔水帷幕。施工順序為:注漿設(shè)計—施做止?jié){墻—鉆機(jī)定位—開孔—安裝孔口管—鉆孔—注漿—效果檢查。

⑴注漿設(shè)計。根據(jù)地下水壓情況，加固圈一般選用3～8m，注漿循環(huán)長度20～30m。注漿設(shè)計如圖1 所示。

⑵施做止?jié){墻。止?jié){墻可以利用巖層作為止?jié){巖盤，止?jié){巖盤厚度一般取3～5m，還可以施做0.3～2m 厚度砼作為止?jié){墻。

⑶鉆機(jī)定位。用測量儀器準(zhǔn)確定出鉆機(jī)鉆進(jìn)方向，通過調(diào)整鉆機(jī)方位，將鉆具調(diào)整對準(zhǔn)設(shè)計的終孔空間點位。鉆機(jī)定位如圖2 所示。

⑷開孔、安裝孔口管。用Φ115 沖擊鉆頭開孔，待孔深達(dá)到3m 時，提出鉆具，安裝孔口管。孔口管由Φ108mm 鋼管制成，一端焊有法蘭盤，長度3m。將孔口管上纏繞麻絲，用鉆機(jī)將孔口管強力推入孔內(nèi)并用錨固劑固定，以防止注漿時孔口管脫落。埋設(shè)時孔口管應(yīng)露出工作面20cm。

圖1 帷幕注漿設(shè)計圖

圖2 鉆機(jī)空間位置示意圖

⑸鉆孔。注漿孔采用Φ90 沖擊鉆頭，鉆進(jìn)較軟的巖石時，鉆具轉(zhuǎn)速一般控制在80～180r/min，軸向壓力控制在5Mpa 左右。巖石越硬，鉆具轉(zhuǎn)速應(yīng)越低，軸向壓力控制在2～4Mpa。

⑹注漿。注漿材料根據(jù)現(xiàn)場情況采用水泥-水玻璃雙液漿、水泥單液漿、HSC 漿、TGRM 漿、水泥砂漿等。注漿壓力超出靜水壓力2～4MPa。隔孔注漿，先注外圈孔，后注內(nèi)圈孔，每圈先注下部孔，后注上部孔。

⑺效果檢查。鉆檢查孔，通過芯樣判斷注漿效果。

4.3 超前小導(dǎo)管

超前采用φ42mm 熱軋無縫鋼管，鋼管長4m，環(huán)向間距40cm，外插向5°～10°，管壁四周鉆四排φ6mm 孔，尾部焊接φ8 加勁箍，縱向相鄰兩排錨桿應(yīng)不小于1.0m 的搭接長度。施工中可根據(jù)本地段圍巖自承能力強弱，調(diào)整超前小導(dǎo)管的范圍、間距及長度。小導(dǎo)管設(shè)置如圖3 所示。

圖3 小導(dǎo)管布置圖

4.4 超前大管棚

超前大管棚以φ108mm 熱軋高強無縫鋼管為例，壁厚6mm，節(jié)長分別為1.5m、3m。管棚環(huán)向間距35cm，外插角3～6°，采用有孔、無孔鋼管間隔布設(shè)。有孔鋼管上注漿孔孔徑10mm，孔間距20cm，梅花型布置。施工順序為:導(dǎo)向墻—導(dǎo)向管—鉆先序孔—安裝有孔管—注漿—鉆后序孔—安裝無孔管—管內(nèi)灌漿。

⑴導(dǎo)向墻。洞內(nèi)大管棚施工不同于洞口大管棚施工，需提前提高洞頂標(biāo)高，以形成工作室，在已支護(hù)好最前端一榀鋼架內(nèi)側(cè)支設(shè)一榀工18 導(dǎo)向墻鋼架，自小弧向上保證與既有鋼架預(yù)留15～20cm 空間，用錨桿及法向連接鋼筋與巖石面及既有鋼架連接，并自小弧向下用C20 噴射砼封閉，與外側(cè)既有鋼架形成整體，此噴砼體即為管棚導(dǎo)向墻。

⑵導(dǎo)向管。導(dǎo)向管為φ120mm 普通鋼管，單根長度0.8～1 米，每根導(dǎo)向管兩側(cè)用φ22 鋼筋與上下鋼架綁焊成一整體，每根導(dǎo)向管定位前應(yīng)根據(jù)事先計算好的豎向仰角和軸線外偏角正確定位，以保證給鉆進(jìn)管棚正確導(dǎo)向。

⑶鉆先序孔。注漿孔采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆進(jìn)，為避免因鉆桿太長導(dǎo)致鉆頭因自重下垂現(xiàn)象，應(yīng)將拱部鉆進(jìn)方向調(diào)高1～2°。

⑷安裝有孔管。鋼管一般采用鉆機(jī)頂進(jìn)已成形的孔內(nèi)，當(dāng)鉆至破碎層不易成孔時，采用鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)，即利用管靴直接將鋼管連接到鉆頭上鉆孔同時將鋼管跟進(jìn)到孔內(nèi)。

⑸注漿。漿液一般選用水泥漿，注漿終壓2MPa，注漿先注外側(cè)低位孔，后注拱頂孔。

⑹鉆后序孔、安裝無孔管。后序孔作為先序孔的注漿效果檢查孔，無孔鋼管安裝同有孔鋼管。

⑺管內(nèi)灌漿。所有鋼管均用M20 砂漿灌滿，為提高剛度，可以在鋼管內(nèi)安設(shè)三根φ12 鋼筋組成的三角鋼筋籠。

4.5 開挖

⑴臺階高度。為防止圍巖失穩(wěn)，開挖方式采用三臺階開挖。上臺階高度控制在3m 以內(nèi)，中臺階高度控制在3.5m 以內(nèi)。

⑵臺階長度。上臺與中臺保持4m 臺階，中臺與下臺保持5～7m臺階。

⑶施工方法。采用上、中、下臺循環(huán)作業(yè)的方式，人工輔以機(jī)械開挖或采用弱爆破，上臺利用人工將棄碴倒運至中臺，利用機(jī)械二次裝運。

⑷預(yù)留變形量。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，開挖時合理預(yù)留變形量，以避免圍巖變形后導(dǎo)致初期支護(hù)侵限。

4.6 初期支護(hù)

開挖之后應(yīng)該立即進(jìn)行初期支護(hù)處理，并及時封閉成環(huán)。初期支護(hù)一般采用型鋼鋼架，確保鋼架連接牢固。為防止鋼架變形和下沉，鋼架腳采用鎖腳錨管固定。噴射混凝土采用具有較高強度和較好柔性的鋼纖維混凝土。

4.7 二次襯砌

斷層破碎段二次襯砌一般采用鋼筋混凝土襯砌，并增加襯砌厚度。遵循“先放后抗”的原則，意思是初期支護(hù)施工完成后應(yīng)使其在地應(yīng)力作用下產(chǎn)生足夠大的變形，釋放一定地應(yīng)力，達(dá)到預(yù)計的變形后立即施工二次模注襯砌，進(jìn)行剛性支護(hù)。而不是在變形量及趨勢達(dá)到穩(wěn)定時，才進(jìn)行二次模注襯砌。

4.8 取得效果

通過超前帷幕注漿的施工，有效的將破碎圍巖進(jìn)行了固結(jié)，阻斷了地下水通道，避免了隧道涌水，保證了圍巖的整體穩(wěn)定。通過超前小導(dǎo)管和大管棚長短結(jié)合的棚架作用以及注漿固結(jié)，并結(jié)合合理的開挖方法，有效避免了隧道坍塌的發(fā)生。通過及時施做柔性初期支護(hù)和高強度的二次襯砌，消減了地層應(yīng)力，使變形可控，保證了施工安全和質(zhì)量。

5 結(jié)語

在隧道工程施工過程中，經(jīng)常會遇到斷層破碎圍巖地段，如果使用的處理措施不合理，會導(dǎo)致隧道涌水、坍塌以及變形，從而引發(fā)事故，威脅施工安全和施工質(zhì)量，并且增加資金的投入，嚴(yán)重拖慢工程進(jìn)度。本文以實際工程為例，對隧道斷層圍巖段的施工進(jìn)行了分析，對破碎段圍巖進(jìn)行處理后，快速安全的從破碎軟弱圍巖段通過，經(jīng)濟(jì)效益顯著，值的類似工程借鑒引用。