斷層破碎帶裹含富水陶瓷土的施工方案

摘要：小逕凹隧道斷層破碎帶裹含陶瓷土施工，采用洞內(nèi)大管棚+劈裂注漿固結(jié)相結(jié)合的施工方案通過不良地質(zhì)段的施工技術(shù)。通過對斷層破碎帶的超前加固，對節(jié)理發(fā)育的圍巖進行注漿固結(jié)，對富水陶瓷土水的防與排，使破碎圍巖形成系統(tǒng)地、穩(wěn)固的“蛋殼”。

關(guān)鍵詞：隧道 斷層破碎帶 富水 陶瓷土 施工技術(shù)

1 工程概況

小逕凹隧道進出口分別位于廣州市增城市派潭鎮(zhèn)和從化市江浦鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道洞身處于大金嶺西南、小逕村以西，橫穿小逕凹山體。隧道最大埋深約160m，設(shè)計為上下行分離式公路隧道。左線隧道起訖樁號為： ZK6+880～ZK7+785，全長905m；右線隧道起訖樁號為： YK6+875～YK7+785，全長910m。左洞：平面線形進口為直線，出口為圓曲線，曲線半徑R=1800m；縱面線形為+1.3%和-2.5%的人字坡。右洞：平面線形進口為直線，出口為圓曲線，曲線半徑R=2000m；縱面線形為+1.3%和-2.5%的人字坡。洞口以“早進晚出”為設(shè)計原則，最大限度降低洞口邊仰坡的開挖高度，以保證山體的穩(wěn)定，減小對自然景觀的破壞。隧道左線進口采用削竹式洞門，明洞10m+洞門10m，出口采用削竹式洞門，明洞7m+洞門10m；右線入口采用削竹式洞門，明洞3m+洞門10m，出口采用削竹式洞門，明洞3m+洞門10m。小逕凹隧道地處低山地區(qū)，隧道北側(cè)大金嶺山頂標(biāo)高340.1m，隧址內(nèi)小逕凹最高標(biāo)高為257.7m，隧道洞身地面標(biāo)高最大255.6m，隧道洞口標(biāo)高92.08m，相對高差最大165.62m。山體走向基本與線路垂直，山坡植被主要為灌木、喬木和果樹，洼地農(nóng)作物以水稻為主，居民稀少。

工程場地屬于華南準(zhǔn)地臺南嶺構(gòu)造體系佛岡——豐良緯向構(gòu)造亞帶清遠——安流緯向斷裂帶南緣、增城隆起北緣，從化復(fù)式向斜為介于其間的次一級緯向構(gòu)造，新華夏構(gòu)造體系復(fù)合交接地帶。路線區(qū)位于從化復(fù)式向斜的南翼。廣州——從化斷裂帶的東側(cè)，構(gòu)造以緯向構(gòu)造體系東西向壓性斷裂為主，其次為新華夏構(gòu)造體系北東向壓扭矩性斷裂。該隧道施工區(qū)內(nèi)未見較大斷裂發(fā)育。

隧道圍巖屬于第四系坡積層粉質(zhì)粘土及寒武系全風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，粉質(zhì)粘土以褐黃色為主，硬塑，稍濕，局部含少量石英質(zhì)礫石；上部0.3～0.5m多含植物根系，局部見有機質(zhì)。全風(fēng)化粉質(zhì)泥巖呈褐黃色，褐紅色、灰黃色、灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)和粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀和片狀構(gòu)造，巖石已全部風(fēng)化，巖芯呈土質(zhì)、堅硬土狀和散碎狀。其中BZK19孔14.9m～15.4m，15.6m～15.9m，18.6m～19m為破碎硅質(zhì)巖碎塊，22.6m以下粉砂質(zhì)含量較高。見于BZK19、SZK103和SZK105，揭露厚度19.6m～25.2m，頂面埋深1.1m～5.6m，頂面高程105.34m～123.81m。地下水主要為強風(fēng)化～中風(fēng)化層中的裂隙水，局部為松散層中的孔隙水，富水性弱，透水性較弱～中等，地下水主要接受大氣降水補給和相鄰含水層的補給，含水層在地形切割強烈處以散點狀泉水形式出露，或向相鄰含水層排泄。隧道洞口段設(shè)計采用40m長管棚進行超前預(yù)支護。隧道洞身涌水量：據(jù)廣東水文工程地質(zhì)一大隊1：200000水文地質(zhì)普查資料，泉流量一般為0.05～3.12升/秒，地下逕流模數(shù)6.657～9.33升/秒.平方公里。地下含水量為中等。

本區(qū)地處南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候帶，氣溫受偏南季候風(fēng)影響，夏長冬短，炎熱多雨。多年平均氣溫21.6℃，平均最低氣溫12.1℃，平均最高氣溫28.5℃。年平均降水量約1680.5mm，日最大降水量284.9mm，時最大降水量101.1mm。4～6月多季風(fēng)，占全年降雨量的46.7%，5～9月份多臺風(fēng)暴雨。年內(nèi)降雨量分布不均勻，春旱、夏澇、高溫、冷害、暴雨、臺風(fēng)、雷電等惡劣天氣交替出現(xiàn)；主導(dǎo)風(fēng)為夏季偏南鳳，冬季偏北風(fēng)，其余月份為東南、東北風(fēng)。施工過程中可能遭到臺風(fēng)暴雨的影響和破壞。

2 斷層破碎帶地質(zhì)簡介

小逕凹隧道右洞YK7+010-YK7+055、左洞ZK7+

025-ZK7+075存在斷層破碎帶，圍巖主要為松散構(gòu)造角礫夾粉質(zhì)粘土組成，中間包裹白色陶瓷土，圍巖強度低，穩(wěn)定性極差。該段地表埋深約42米，同時該斷層破碎帶還富含地下水，裂隙水較豐富，線狀滲流為主。另外斷層破碎帶接受相鄰含水層側(cè)向或垂向補給，可能出現(xiàn)涌水、突水、現(xiàn)象。

3 斷層破碎帶處理方案

隧洞穿過斷層地段，施工難度取決于斷層的性質(zhì)、斷層破碎帶的寬度、填充物、含水性和斷層活動性以及隧洞軸線和斷層構(gòu)造線方向的組合關(guān)系（正交、斜交或平行）。此外，與施工過程中采取的施工方法、對圍巖的破壞程度、工序銜接的快慢、施工技術(shù)措施是否得當(dāng)?shù)龋泻艽蟮年P(guān)系。當(dāng)隧洞軸線接近于垂直構(gòu)造線方向時，斷層規(guī)模較小，破碎帶不寬，且含水量較小時，條件比較有利，可隨挖隨撐。但當(dāng)隧洞軸線斜交或者平行于構(gòu)造方向時，則隧洞穿過破碎帶的長度增大，并有強大側(cè)壓力，應(yīng)加強拱墻襯砌，及時封閉。根據(jù)設(shè)計地質(zhì)圍巖的破碎程度及涌水情況，極易發(fā)生塌方，所以洞內(nèi)穿越破碎帶采用洞內(nèi)管棚+加強防排水措施方案通過。

3.1 合理選擇施工工藝

3.1.1 采用TSP203地質(zhì)超前探測儀和SIR-2000地質(zhì)雷達預(yù)報系統(tǒng)以及超前水平探孔等綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，提前預(yù)測開挖工作面前方存在斷層、涌水的情況，TSP203地質(zhì)超前探測儀和SIR-2000地質(zhì)雷達預(yù)報系統(tǒng)實施由專業(yè)機構(gòu)進行。TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)洞內(nèi)爆炸的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的邊墻上，一般情況下，它是一個接收器孔和24個爆破孔組成。接收器距掌子面約55m，最后一個爆破孔距掌子面約0.5m。爆破孔間距1.4m，孔深1.4m，孔徑19～45mm，孔口距隧底約1.0m，向掌子面方向傾斜約10°，向下傾斜10～20°；接收器與第一個爆破孔間距20m，接收器孔深2.4m，孔徑32～45mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向傾斜約10°，向下傾斜10～20°。附“TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)量測方法示意圖”。

作為TSP203超前地質(zhì)預(yù)報的補充，在TSP203預(yù)報的異常點，在確定異常體的規(guī)模、性質(zhì)危害性判斷有困難時采用地質(zhì)雷達作補充手段，短距離進一步探測前方30m內(nèi)的地質(zhì)情況。地質(zhì)雷達能發(fā)現(xiàn)掌子面前方地層的變化，對斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力。根據(jù)斷層破碎帶前后圍巖確定利用TSP203地質(zhì)超前探測儀還是SIR-2000地質(zhì)雷達預(yù)報系統(tǒng)。

3.1.2 斷層帶內(nèi)充填軟塑狀的斷層泥或特別松散的顆粒時，比照松散地層中的超前支護，采用先拱后墻法；如斷層帶特別破碎，則可采用馬口開挖。

3.1.3 如斷層地段出現(xiàn)大量涌水，則宜采取排堵結(jié)合的治理措施。同時根據(jù)排水量的預(yù)測，提前做好各項排水準(zhǔn)備。

3.2 破碎帶與富水陶瓷土的處理方法 針對復(fù)雜多巖性的破碎帶，通過多次方案論證，同時考慮到陶瓷土遇水極其軟弱的問題，為了防止因陶瓷土幾乎沒有任何承載力極易發(fā)生塌方的情況下，方案最終選擇采用洞內(nèi)大管棚+劈裂注漿固結(jié)相結(jié)合的施工方案通過裹含陶瓷土破碎帶的施工技術(shù)。通過對斷層破碎帶的超前加固，對節(jié)理發(fā)育的圍巖進行注漿固結(jié)，對富水陶瓷土四周水的防與排，使破碎圍巖、陶瓷土形成系統(tǒng)地、穩(wěn)固的“蛋殼”。

3.2.1 首先進行大管棚施工，施工之前必須將掌子面進行噴漿封閉。若在管棚鉆進過程中出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，不必封堵，必須進行引排，否則水在內(nèi)部形成“蝸居”，浸泡陶瓷土，就很容易引起坍塌。

3.2.2 開挖必須選擇“弧形導(dǎo)坑”開挖方式。將核心土預(yù)留足夠大，只沿著上導(dǎo)坑鋼拱架輪廓線進行進行弧形開挖，使本身就軟弱的陶瓷土外輪廓形成“拱弧”，最大限度地起到受力保護作用。

3.2.3 凌空面不宜過大，以50cm為宜，且每次開挖支立鋼拱架前必須對掌子面噴漿封閉。初支混凝土本身放熱，而陶瓷土性能遇熱會變硬，對開挖及施工人員具有一定程度的保護。

3.3 施工中注意事項

3.3.1 根據(jù)量測所反饋的信息及時調(diào)整初期支護的參數(shù)，緊跟開挖面進行現(xiàn)場監(jiān)控量測，要掌握二次襯砌的最佳時間。

3.3.2 堅持“寧強勿弱”的原則，加強支護，在斷層陶瓷土地帶開挖后應(yīng)立即進行初噴砼。

3.3.3 為減少圍巖的暴露、松動和地壓增大，盡快全封閉襯砌，通過斷層帶的各施工工序之間的距離應(yīng)盡量縮短。

3.3.4 準(zhǔn)備足夠的抽水設(shè)備，并安排適當(dāng)?shù)募樱S工作面的掘進挖好排水溝。

3.3.5 應(yīng)在地表設(shè)置截排系統(tǒng)引排，對斷層承壓水，如斷層地下水是由地表水補給時，應(yīng)在每個掘進循環(huán)中，深度宜在4米以上，以探明地下水的情況，向隧洞前進方向鉆鑿不少于2個超前鉆孔。

4 破碎帶內(nèi)大量滲水處理方案

①滲水量不大時，采用堵排結(jié)合的方法，即加強拱墻襯砌結(jié)構(gòu)，在拱部襯砌厚度外設(shè)透水軟管與邊墻盲溝接通，引水至隧洞兩側(cè)溝水；在拱墻襯砌工作縫設(shè)縱橫向止水條。②為防止發(fā)生大量滲水甚至涌水等異常情況，擬采用成熟工藝劈裂注漿為基礎(chǔ)的綜合整治施工技術(shù)，即劈裂注漿固結(jié)法施工。

工藝流程劈裂注漿固結(jié)法施工工藝流程如下：

4.1 施工準(zhǔn)備 ①安裝并調(diào)試鉆孔和注漿機械設(shè)備。②準(zhǔn)備注漿材料，測定性能。③鉆孔注漿和隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。④通過地質(zhì)超前鉆孔資料，分析斷層地質(zhì)情況。

4.2 施工方法 ①圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎時應(yīng)設(shè)置2～5m的止?jié){墻，并將墻身嵌入圍巖0.3～0.5m。②鉆孔埋設(shè)孔口管：開孔直徑為Φ146mm，長度為2m，用CS（水泥、水玻璃）砂漿埋設(shè)Φ127mm孔口管，在管口安裝Φ127mm球形閘閥，作為封閉鉆孔中可能會出現(xiàn)的涌水。③直徑采用Φ108mm，在鉆至后半部時，鉆孔直徑改為Φ89mm，鉆孔機械選用XU-3002A地質(zhì)鉆機和YGZ-100導(dǎo)軌式獨立回轉(zhuǎn)鑿巖機。④掃孔鉆進時，觀察分析回水巖芯或棄碴狀態(tài)，用以判斷注漿質(zhì)量和調(diào)整注漿參數(shù)。

4.3 注水試驗 ①成孔后注水?dāng)?shù)分鐘（注水量由小到大），測定吸水量，并清洗巖層裂隙。②投放連通試驗材料，加水壓注，作為連通試驗。

4.4 注漿方法 ①雙液注漿。②分段注漿法根據(jù)鉆孔的地質(zhì)情況，可采用全孔一次注漿和前進式、后退式分段注漿方法。在施工過程中，若遇斷層發(fā)育可能發(fā)生涌水時，采用前進式分段鉆注漿，逐步向前推進封墻。③鉆孔及注漿原則鉆孔及注漿原則為先外后內(nèi)、先疏后密、外密內(nèi)疏、反復(fù)鉆注、開孔誘導(dǎo)。④注漿類型注漿類型分為水泥漿和水泥-水玻璃雙液，根據(jù)注漿設(shè)計、注水試驗及清孔情況、泵送能力在注漿過程中進漿情況確定用單液還是雙液。⑤注漿完成按要求達到規(guī)定的注漿壓力值，并應(yīng)穩(wěn)壓達30分鐘。⑥開挖與襯砌當(dāng)注漿段注漿完成8小時后，可以進行隧洞開挖。拱墻襯砌采用先墻后拱法或采用連續(xù)灌注法進行。

4.5 質(zhì)量控制 ①在實施注漿過程中的異常情況進行分析和制定處理措施。②測定注漿滲透狀態(tài)和固結(jié)狀態(tài)。③檢查孔注水試驗，即注漿前后注水量比較。④檢測固結(jié)體抗壓強度，漿脈滲透狀況和固結(jié)質(zhì)量，檢查孔應(yīng)進行取樣檢查。

4.6 安全生產(chǎn) ①加強統(tǒng)一指揮，相互協(xié)調(diào)，確保安全生產(chǎn)。②鉆孔中若發(fā)生涌水，應(yīng)集中全力采取措施，及時注漿封堵。③抽換鉆桿時，注意被高壓泥水沖出孔口傷人。④機電設(shè)備應(yīng)設(shè)安全防護罩和漏電保護器。⑤應(yīng)立即用清水或生理鹽水徹底沖洗，當(dāng)眼睛、臉部或皮膚接觸漿液時，嚴重時送醫(yī)院治療。⑥如口罩、眼鏡、橡膠手套和長手套，注漿作業(yè)人員需配備勞動保護用品。

5 結(jié)束語

目前，小逕凹隧道右洞按洞內(nèi)管棚+劈裂注解固結(jié)方案已經(jīng)順利通過斷層破碎帶，效果非常明顯。不但在施工過程中確保了人員施工的安全，也為單位帶來了一定的經(jīng)濟效益，同時也為左洞的斷層破碎帶施工提供了有力的技術(shù)保障。

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作者簡介：楊大林（1973-）男，滿族，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，研究方向：地鐵施工技術(shù)。