冉 海 軍

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009)

隧道穿越斷層破碎帶設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探討

冉 海 軍

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009)

以南廣鐵路北嶺山隧道穿越葫蘆田區(qū)域斷層處理為例，結(jié)合其具體工程概況，探討了隧道工程穿越斷層破碎帶設(shè)計(jì)、施工過程中的處理措施和方法，為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

隧道，斷層破碎帶，預(yù)注漿，CRD工法

1 工程概況

南廣鐵路北嶺山隧道位于肇慶市市區(qū)北部，穿北嶺山、雞籠山與鼎湖山；隧道起訖里程為D3K384+082～I(xiàn)DK396+520，全長12 438 m，最大埋深約750 m。全隧設(shè)2座斜井，1號(hào)斜井與正線相交于里程D3K388+100處，長1 395.5 m；2號(hào)斜井與正線相接于里程D3K392+300處，長1 059.4 m。

2 葫蘆田斷層揭示與確定

2.1 葫蘆田斷層揭示

北嶺山隧道2號(hào)斜井進(jìn)正洞大里程方向開挖至D3K392+813里程時(shí)，掌子面揭示巖性為泥夾碎石，且有股狀涌水，見圖1。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)

為探明北嶺山隧道2號(hào)斜井向出口方向D3K392+813掌子面前方地質(zhì)情況，分別采用TSP、紅外探水、超前水平超長鉆孔等手段進(jìn)行了超前探測，具體探測情況如下：

1)TSP探測情況。

TSP探測D3K392+813～D3K392+855段巖體破碎，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育；D3K392+855～D3K392+887.7段較破碎～破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育。

2)紅外探測情況。

紅外探測顯示D3K392+813～D3K392+843段巖體極破碎，地下水較發(fā)育。

3)超前探孔情況。

在D3K392+813掌子面共布設(shè)5個(gè)超前地質(zhì)探孔(孔位布置及參數(shù)詳見圖2，表1)，設(shè)計(jì)總進(jìn)尺400 m。

表1 探孔布置參數(shù)表

因掌子面前方為泥夾碎石，進(jìn)行超前地質(zhì)鉆孔時(shí)出現(xiàn)塌孔、卡鉆，無法鉆進(jìn)，為確保超前鉆孔質(zhì)量，主要采取以下措施：

a.對(duì)掌子面前方10 m范圍進(jìn)行預(yù)注漿，以加固和穩(wěn)定掌子面；b.鉆進(jìn)過程中采用前進(jìn)式注漿方式，每5 m一個(gè)段，邊注漿邊鉆進(jìn)。

根據(jù)鉆孔揭示，D3K392+813～D3K392+862段為斷層破碎帶，斷層破碎帶內(nèi)物質(zhì)主要為斷層泥及斷層角礫，鉆孔過程中有碎石、角礫沖出，并伴有黃泥流出，卡鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆進(jìn)后塌孔，地下水發(fā)育，水質(zhì)渾濁。D3K392+862～D3K392+893為斷層影響帶，地層巖性為石英砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)、巖屑充填，地下水較發(fā)育，有滲水。

2.3 葫蘆田斷層的確定

通過對(duì)TSP、紅外探測、超前鉆孔等預(yù)報(bào)手段成果資料的分析，進(jìn)一步證明掌子面前方D3K392+813為一斷層破碎帶，破碎帶內(nèi)主要為斷層泥及斷層角礫，地下水發(fā)育。

掌子面D3K392+813出露的斷層，其性質(zhì)與產(chǎn)狀與葫蘆田斷層較為吻合，同時(shí)設(shè)計(jì)單位對(duì)設(shè)計(jì)地質(zhì)資料進(jìn)行復(fù)查，確定D3K392+813前方為葫蘆田斷層。

3 主要設(shè)計(jì)措施

2011年2月20日，建設(shè)單位組織路內(nèi)知名專家組成專家組，對(duì)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)方案進(jìn)行專家論證。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料和專家會(huì)意見，確定設(shè)計(jì)措施：

1)D3K392+813～+D3K392+853段采用Vc型復(fù)合式襯砌。

2)輔助施工措施：

a.對(duì)掌子面后方10 m(D3K392+803～D3K392+813)進(jìn)行全環(huán)徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)加固；b.D3K392+813～D3K392+853采用全斷面預(yù)注漿，加固圈6 m，保留5 m止?jié){巖盤；c.D3K392+813～D3K392+853在拱部180°范圍內(nèi)施作φ108×6 mm超前大管棚，環(huán)向間距30 cm。第一環(huán)長度15 m，搭接5 m，施作第一環(huán)超前大管棚管體適當(dāng)向上傾斜，開挖過程中漸變挑高斷面形成管棚工作室，再施作第二環(huán)超前水平大管棚，第二環(huán)長度30 m；d.在拱墻范圍內(nèi)打設(shè)φ50×3.5 mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長5 m，拱部(180°)環(huán)向間距30 cm，邊墻環(huán)向間距50 cm;e.開挖工法采用CRD工法，現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況施作，仰拱及時(shí)封閉、二襯緊跟；f.在帷幕注漿前，掌子面拱部打3個(gè)超前鉆孔，長度超過開挖輪廓線外6 m，以泄水降壓；g.加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)，開挖過程中采用加長炮孔，長短結(jié)合方式進(jìn)行超前探測，開挖至D3K392+848，暫停開挖，施作3個(gè)超前水平鉆孔，長度不小于50 m。

4 施工方案

4.1 掌子面應(yīng)急處理措施

1)掌子面打設(shè)錨桿、鋪掛鋼筋網(wǎng)，噴射C25混凝土進(jìn)行封閉，噴混凝土厚度不小于20 cm。在掌子面施作止?jié){墻(里程段：D3K392+815～D3K392+813)，厚度為2 m，采用C20混凝土，下部預(yù)留了3個(gè)泄水孔；2)對(duì)掌子面后方10 m即D3K392+803～D3K392+813段進(jìn)行小導(dǎo)管徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)加固，縱向間距2.6 m，環(huán)向間距1.8 m，梅花形布置，加固圈3 m。

4.2 預(yù)注漿

北嶺山隧道D3K392+813～D3K392+853采用預(yù)注漿，加固圈6 m。在帷幕注漿前，掌子面拱部打3個(gè)超前鉆孔，長度超過開挖輪廓線外6 m，以泄水降壓。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況，隧道掌子面已不適合二次開挖成全斷面施工，因此在上臺(tái)階施作止?jié){墻并進(jìn)行預(yù)注漿施工。

4.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用介質(zhì)阻擋放電管作為系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),其中,介質(zhì)阻擋放電管實(shí)物圖如圖8所示,采用同軸圓筒電極結(jié)構(gòu)。其中,控制系統(tǒng)大致包括電流電壓溫度等采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、DSP28335最小系統(tǒng)、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、故障報(bào)警與保護(hù)電路等。如圖7 所示,首先設(shè)置輸出電壓為8 kV,檢驗(yàn)電極長度5 cm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8～圖10所示。最后將輸出電壓調(diào)至16 kV,檢驗(yàn)電極長度5 cm時(shí)的電源穩(wěn)定性及放電狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11～圖13所示。

注漿設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表2，圖3，圖4。

4.2.2 預(yù)注漿施工方法

1)施作止?jié){墻。

止?jié){墻采用C20素混凝土，施作位置緊挨掌子面，止?jié){墻厚度為2 m，在周邊安裝徑向錨桿，以確保止?jié){墻的穩(wěn)定。

止?jié){墻施工時(shí)，可在周邊及拱部預(yù)埋注漿管，在正式注漿前，首先注漿填充空隙，以防止漏漿、跑漿。待止?jié){墻混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上時(shí)方可進(jìn)行鉆孔注漿施工。

2)安裝孔口管。

注漿孔孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的熱壓無縫鋼管，管長3 m，孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){措施。孔口管的安裝可在施作止?jié){墻時(shí)預(yù)埋，也可在止?jié){墻混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后再鉆孔埋設(shè)。

當(dāng)掌子面水量大、水壓高時(shí)，應(yīng)設(shè)置帶閘閥的孔口管，當(dāng)出現(xiàn)大量涌水時(shí)，拔出機(jī)具，關(guān)閉孔口管上的閘閥，再進(jìn)行注漿。在安裝孔口管時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制其位置、角度和方向。

3)鉆孔。

鉆機(jī)可選用回轉(zhuǎn)式、沖擊式鉆機(jī)等，鉆孔機(jī)具應(yīng)滿足注漿段長的要求。注漿孔終孔直徑應(yīng)不小于91 mm。鉆機(jī)安裝應(yīng)平整穩(wěn)固，保證鉆桿中心線與設(shè)計(jì)注漿孔中心線相吻合，在鉆孔過程中要經(jīng)常檢查校正鉆桿方向。注漿孔的孔底偏差應(yīng)不大于孔深的1/40。

鉆孔順序應(yīng)為由外圈向內(nèi)圈，在同一圈內(nèi)隔孔施工。在鉆進(jìn)過程中遇涌水或因巖層破碎造成卡鉆時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿掃孔后再行鉆進(jìn)。

在鉆孔過程中應(yīng)詳細(xì)做好記錄，主要內(nèi)容有：孔號(hào)、進(jìn)尺、起始時(shí)間、巖石裂隙發(fā)育情況、出現(xiàn)涌水位置、涌水量、涌水壓力等。

表2 超前帷幕注漿參數(shù)表

4)注漿。

注漿前應(yīng)檢查選定的注漿材料、注漿機(jī)具，并應(yīng)按照選定的施工配合比準(zhǔn)確計(jì)量，嚴(yán)格按順序加料，拌合后的漿液必須經(jīng)篩網(wǎng)過濾后方可進(jìn)入注漿機(jī)。注水泥漿時(shí)，宜采用單液注漿泵或泥漿泵，注雙漿液時(shí)應(yīng)采用雙液注漿泵。在注漿前，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用前進(jìn)式注漿，注漿順序?yàn)橄韧夂髢?nèi)，同一圈孔間隔注漿。分段注漿時(shí)，應(yīng)設(shè)置止?jié){塞，止?jié){塞可選用橡膠止?jié){塞，要能承受注漿終壓的要求，也可采用孔口止?jié){的方式進(jìn)行。

在注漿過程中應(yīng)根據(jù)漿液的擴(kuò)散情況、注漿量、注漿壓力等參數(shù)調(diào)整注漿材料和配合比。在注漿過程中應(yīng)做好施工記錄，包括孔位、孔徑、孔深、漿液配合比、注漿壓力、注漿量、跑漿、串漿等。

5)注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

a.單孔結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力逐步升高至設(shè)計(jì)終壓，則繼續(xù)注漿10 min以上；進(jìn)漿量小于初始進(jìn)漿量的1/4；檢查孔涌水量小于0.2 L/min。

b.全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均符合單孔結(jié)束條件，注漿后隧道涌水量小于1 m3/(d·m)。

在注漿完成后應(yīng)在2環(huán)、3環(huán)中選取7個(gè)～13個(gè)孔作為檢查孔，注漿結(jié)束后單孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，隧道開挖后容許滲水量應(yīng)小于2.5 L/(min·m)，當(dāng)注漿完畢未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注漿。

全段注漿結(jié)束后，經(jīng)檢查確認(rèn)漿液固結(jié)體達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度后方可進(jìn)行隧道開挖。

4.3 超前大管棚施工

管棚(鋼管、鋼花管)采用直徑108 mm、壁厚為6 mm的無縫鋼管加工。鋼花管應(yīng)在管壁上鉆孔，孔徑為10 mm～16 mm，間距15 cm，梅花形布置，尾部留110 cm不鉆孔作為止?jié){段，管棚前端10 cm應(yīng)加工成尖狀。鋼花管管棚每節(jié)長5 m，鋼管每節(jié)長4 m，以確保在同一截面的接頭數(shù)不超過管數(shù)的50%為準(zhǔn)，且相鄰鋼管的接頭錯(cuò)開至少1 m。

管棚安裝完成后進(jìn)行注漿，漿液采用水灰比為1∶1(重量比)的水泥漿液。注漿時(shí)先對(duì)鋼花管進(jìn)行單液注漿，注漿壓力取0.5 MPa～2.0 MPa，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿參數(shù)，注漿結(jié)束后采用M7.5水泥砂漿充填鋼管。

注漿時(shí)先注鋼花管，待鋼花管注漿完成后再鉆鋼管孔位并安裝鋼管注漿，以便檢查鋼花管注漿質(zhì)量。在注漿過程中應(yīng)做好注漿記錄，以便分析注漿效果。

4.4 超前小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管采用外徑50 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管制成。小導(dǎo)管前端做成尖錐狀長20 cm，尾部焊上φ6箍筋，距后端100 cm范圍內(nèi)不鉆孔作為止?jié){段。剩余部分管身鉆注漿孔，孔徑10 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置。

小導(dǎo)管安裝完成后進(jìn)行注漿，漿液采用水灰比為0.5～1.0(重量比)的水泥砂漿。注漿壓力為0.5 MPa～2.0 MPa，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿參數(shù)。注漿順序?yàn)橛上轮辽?，漿液先稀后稠，注漿量先大后小，注漿壓力由小到大。當(dāng)出現(xiàn)有串孔和漏漿現(xiàn)象時(shí)，可采用間隔一段時(shí)間后再行補(bǔ)注的方式進(jìn)行。為加快注漿速度、發(fā)揮設(shè)備效率，可采用群管注漿(每次3根～5根)。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿終壓并穩(wěn)定10 min～15 min，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上時(shí)，可結(jié)束該孔注漿。在注漿過程中應(yīng)做好注漿記錄，以便分析注漿效果。

4.5 初期支護(hù)及開挖

該段初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，支護(hù)類型采用Vc, 初期支護(hù)采用Ⅰ22a型鋼拱架，間距0.5 m/榀，全環(huán)設(shè)置；拱墻采用Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；噴射C25混凝土，厚度28 cm。二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，厚度55 cm。

開挖工法采用CRD工法，見圖5。

各部開挖及支護(hù)自上而下進(jìn)行，開挖采用人工開挖為主，弱爆破解除孤石，機(jī)械配合人工出渣，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)、中隔墻及臨時(shí)仰拱，步步成環(huán)，每次開挖1榀鋼架。

同一層左右兩部開挖工作面相距不宜大于15 m，上、下層開挖工作面相距宜保持3 m～4 m，盡量縮短各部開挖工作面的間距，使初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，且等噴混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后開挖相鄰部位。根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，中隔墻及臨時(shí)仰拱在仰拱澆筑前逐段拆除，每段拆除長度不大于15 m。

5 監(jiān)控量測及實(shí)施效果

5.1 實(shí)施過程

2010年12月掌子面D3K392+813揭示斷層，經(jīng)過應(yīng)急處理封閉掌子面，實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)等，經(jīng)多次現(xiàn)場討論和專家會(huì)審，葫蘆田斷層處理方案得以通過。2011年2月正式實(shí)施，2011年3月完成第一環(huán)預(yù)注漿和管棚施工，并經(jīng)打設(shè)驗(yàn)證孔，注漿效果良好，本月恢復(fù)正洞開挖，經(jīng)過三個(gè)循環(huán)的預(yù)注漿和超前大管棚施工，嚴(yán)格按照上述施工方案于2011年5月底順利通過葫蘆田斷層開挖至D3K392+893。

5.2 監(jiān)控量測

針對(duì)葫蘆田斷層，采取的主要監(jiān)控量測項(xiàng)目有洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉及周邊收斂。拱頂沉降值最大為55 mm，D3K392+833拱頂下沉情況如圖6所示。

6 結(jié)語

1)根據(jù)葫蘆田斷層的揭示和確認(rèn)過程，應(yīng)在原設(shè)計(jì)斷層前后一定范圍內(nèi)，斷層兩側(cè)不少于100 m提高施工應(yīng)急級(jí)別，采用與斷層破碎帶一樣的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)方法；

2)斷層破碎帶及其影響帶初期支護(hù)應(yīng)采取加強(qiáng)措施，建議采用型鋼拱架，拱架型號(hào)不小于Ⅰ20，每個(gè)拱架節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)置4根鎖腳錨管，并嚴(yán)格焊接和注漿工藝；

3)為避免出現(xiàn)突發(fā)涌水，每循環(huán)開挖過程中，必須進(jìn)行加長炮孔探測；

4)斷層破碎帶處理，預(yù)注漿加固圍巖是關(guān)鍵，按照制定好的工藝進(jìn)行注漿，在過程中根據(jù)注漿效果及地質(zhì)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，必須達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，方可停止注漿。

[1] 龔成明.隧道穿越斷層破碎帶的安全施工技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(5)：45- 48，100.

[2] 鐵建設(shè)[2010]241號(hào)，高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

[3] TB 10753-2010，高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

Discussion on the design and construction technology of tunnels through the fault fracture zone

RAN Hai-jun

(ChinaRailwayTunnelGroupLimitedCompany,Luoyang471009,China)

Taking the Nanning-Guangzhou railway Beiling mountain through gourd fields regional fault treatment for example, combining with the specific engineering situation, discussed the treatment measures and methods of tunnel engineering hrough the fault fracture zone, construction process, provided reference for similar project design and construction.

tunnel, fault fracture zone, pre grouting, CRD method

1009-6825(2014)34-0174-03

2014-09-26

冉海軍(1975- )，男，工程師

U455

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