某隧道F10斷層開挖方案研究

□文/馬軍秋 于勇

某隧道F10斷層開挖方案研究

□文/馬軍秋 于勇

結合某隧道F10斷層影響帶涌水量大、持續時間長，段內圍巖強度高、完整性較好等特點，提出了“先泄后挖、徑向堵水、加強支護、限量排放”的綜合治理原則，擬定了超前泄水減壓、帶水開挖通過、后續注漿堵水的處理方案，經現場實施，順利安全地通過了該斷層。

斷層；突涌水；超前泄水；減壓；帶水開挖；隧道

隨著我國對基礎設施和高速鐵路投入的增加，越來越多的山嶺隧道被修建，往往會遇到富水斷層破碎帶[1]。近年來，我國隧道工程界針對隧道穿越斷層破碎帶的加固和涌水處治等方面開展了大量的施工嘗試，在結合現場監控量測，運用信息化設計和施工技術開展隧道穿越斷層破碎帶的設計施工方面積累了較為豐富的工程經驗[2～6]。由于每座隧道的工程地質存在較大差異，應對斷層破碎帶和斷層涌水的工程措施差別很大，必須針對具體的隧道工程研究和實施穿越斷層區的相關設計施工技術方案。

1　工程概況

某隧道全長12.03 km，為單洞雙線隧道，設計時速200 km/h。隧道地處浙南山地，屬構造剝蝕山區，區內山勢連綿起伏，峰巒疊嶂，植被發育，灌木雜草叢生。隧道通過地段以硬質巖為主，巖性較單一，主要地層為侏羅系上統西山頭組（J3x）。隧址區內在大地構造上屬華南褶皺系，浙東南褶皺帶的臨海—溫州拗陷，泰順—溫州斷拗的北西側。隧址范圍斷裂構造發育，構造帶內巖體破碎，多為良好儲水或導水構造，隧道通過發育斷裂構造的溝谷時發生突水、涌水的可能性較大。

2　涌水過程

在DK165+052處掌子面開挖前施作加深炮孔時，線路右側拱腰位置炮孔開始出水且水壓較大。后多個位置打孔發現出水部位系全斷面，水量水壓均較大。涌水2 d后，在隧道中線隧底往上2 m處施作超前水平鉆孔，當鉆孔深度達到6.7 m時開始出水。鉆孔過程中，水壓逐漸變強，涌水量變大。經過3 d的觀察，掌子面涌水量無明顯減小，涌水量達220 m3/h。一周后，開始進行全斷面帷幕注漿施工，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m。經過24 d的注漿作業，掌子面右側涌水基本堵住，左側由于水壓過大，施工難度大，無法形成有效注漿，遂停止注漿，經測算，掌子面涌水量減小至140 m3/h，隧道主要涌水部位為掌子面左側半斷面。

3　工程地質情況

DK165+052段屬于F10斷層影響帶，距離設計F10斷層48 m，距斷層中心里程105 m。此段洞身埋深350 m左右，地面位于山坡處，涌水處距澤雅水庫水平距離980 m。

施工過程中進行了物探與鉆探相結合的綜合超前地質預報和涌水水源調查分析等一系列綜合手段，見圖1。

圖1　掌子面前方綜合超前地質預報探測結果推測

隧道內DK165+052段涌水與水庫沒有直接水力聯系；DK165+052處掌子面巖層為凝灰巖，呈青灰色，弱風化，巖石強度高，為硬質巖，節理裂隙較發育，圍巖整體較完整，圍巖級別為Ⅲ級；DK165+052前方25 m范圍內為流紋質晶屑凝灰巖，青灰色，晶屑凝灰結構，塊狀構造，巖質硬，巖體較完整，節理裂隙發育，圍巖等級為Ⅲ級；地下水不發育，存在股狀出水；其中DK165+047～DK165+046.5、DK165+044.7～DK165+044、DK165+033.7～DK165+033局部為弱風化晶屑凝灰巖，青灰色，晶屑凝灰結構，塊狀構造，節理裂隙較發育，巖質硬，巖石破碎，巖芯成碎塊狀，RQD=10%。

4　技術處理措施

4.1應急處理

1）停止掌子面開挖施工并做好掌子面附件圍巖和初支的監控量測工作。

2）加強隧道掌子面后方10 m范圍內（DK165+062～DK165+052）初支，加快已開挖段二次襯砌的施工，確保掌子面安全。

3）增加排水設施，防止掌子面積水，加快隧道往出口位置施工，以便形成順坡通暢的排水途徑。

4.2綜合治理

經過近3月的涌水觀測，掌子面涌水量基本趨于穩定，保持在98 m3/h。根據綜合超前地質預報及現場連續監測成果，鑒于隧道圍巖條件較好，涌水對圍巖穩定性影響不大，在隧道出口段貫通已形成順暢排水路徑情況下，提出了“先泄后挖、徑向堵水、加強支護、限量排放”的綜合治理原則，現場擬定了超前泄水減壓、帶水開挖通過、后續注漿堵水的處理方案。

4.2.1超前泄水減壓

為減少涌水對施工的影響，采取開挖前在隧道掌子面鉆設超前泄水管，確保拱頂出水不影響施工安全。泄水管泄水范圍開挖輪廓線外6 m，間距3.0 m，超前泄水長度30 m，泄水管管徑100 mm。針對涌水特征，泄水孔布置于隧道掌子面左側，見圖2和圖3。

圖2　泄水管橫斷面布置

圖3　泄水管縱斷面布置

4.2.2臺階法施工

按照臺階法進行施工，嚴格控制開挖步長，嚴禁采用全斷面開挖，初期支護及時封閉成環；對超前水平取芯鉆發現的巖層局部破碎段，開挖前施做4.5 m長的超前小導管，確保局部破碎段的施工安全。

4.2.3注漿堵水

隧道開挖完成后，對圍巖表面裂隙線狀出水或者面狀淋滲水處進行局部注漿堵水。注漿參數：

1）孔口間距1～1.5 m，注漿孔孔徑為50 mm，根據現場情況可適當調整；

2）單孔擴散半徑2 m，注漿孔與出水裂隙面盡量大角度相交；

3）注漿壓力＜0.5 MPa，注漿材料為水泥漿(水灰比1∶1)或者水泥-水玻璃雙液漿，具體配比根據現場止水效果確定。

初支完成后二次徑向堵水。隧道初期支護初噴混凝土后，對仍存的滲漏點進行二次徑向注漿堵水，注漿范圍為開挖面以外≮7 m，間距為1.0 m×1.0 m，呈梅花形布置。注漿材料為水泥漿(水灰比1∶1)，水泥-水玻璃雙液漿，具體參數需根據現場注漿止水效果確定，保證初支表面無股狀出水和滴水。

4.2.4加強支護

此段原設計按Ⅲ級圍巖主要采用全斷面法施工通過；初支支護為12 cm厚C25噴射混凝土，拱墻布置直徑6 mm鋼筋網片和系統錨桿，二襯為40 cm厚C30素混凝土結構。為確保涌水段施工和運營期間結構安全，隧道初期支護加強為初支鋼架采用160 mm格柵鋼架，間距1.0 m，采用C30（拱墻）和C25（仰拱）噴射纖維混凝土，厚度25 cm；二次襯砌采用C35防水鋼筋混凝土，拱墻處厚度40 cm，仰拱45 cm。

4.2.5加強防排水設施

為確保運營期間排水通道通暢，此段加密設置環向排水板，間距為4～5 m一道，部分出水較多地段并排設置2道防水板，與縱向盲管連接；加強此段襯砌防水措施與施工質量，在拱墻襯砌施工縫增設縱橫向橡膠止水條，見圖4和圖5。

圖4　縱向施工縫防水

圖5　拱墻環向施工縫防水

4.2.6量測

監測掌子面附近圍巖在開挖過程中的變形情況及引起的支護結構的變化趨勢。根據觀測數據可以確定結構是否安全并可及時調整支護參數。

5　現場施工情況

從現場施工情況來看，通過超前泄水減壓和臺階法短進尺開挖，極大減小了掌子面涌水量和涌水水壓，增強了掌子面圍巖的整體穩定性，順利、安全、快速地通過了該涌水段，避免了采用施工工藝復雜繁瑣、造價高昂的超前帷幕注漿止水加固措施，縮短工期近2月，節約造價100多萬元。

6　結論與體會

1）通過隧道斷層及斷層影響帶時，掌子面開挖前應進行綜合超前地質預測預報探明前方地質條件，可避免施工突發災害的發生，不能盲目冒進。

2）在對前方地質情況進行分析后，采用超前泄水減壓、加強初期支護剛度并及時封閉成環等措施，對于硬質、節理較發育巖層及小壓力斷層裂隙水等涌水段帶水開挖通過是有效可行的。

3）隧道突涌水發生后，必須首先及時采取加強掌子面后方初支剛度、加快緊跟后方二襯施工等穩定掌子面圍巖的應急處理措施，為后續治水處理提供安全保證。

4）為確保涌水段運營期間結構安全，需加強二次襯砌，同時加密排水板等排水設施，確保排水通暢。

5）處理涌水段時，應加強隧道內的監控量測，以確保施工安全。

[1]金美海.高速鐵路隧道穿越富水大斷層施工災害控制研究[D].重慶：重慶交通大學，2007.

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[7]中鐵隧道勘測設計院有限公司.改建鐵路金華至溫州鐵路擴能改造工程—澤雅隧道施工圖設計[R].天津：2010.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.018

□于勇/中鐵隧道勘測設計院有限公司。

□U455.49

□C

□1008-3197（2016）05-53-03

□2016-07-27

□馬軍秋/男，1985年出生，工程師，中鐵隧道勘測設計院有限公司，從事隧道及地下工程設計工作。