隧道穿越斷層破碎帶設計與施工技術探討

冉 海 軍

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

隧道穿越斷層破碎帶設計與施工技術探討

冉 海 軍

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

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

隧道，斷層破碎帶，預注漿，CRD工法

1 工程概況

南廣鐵路北嶺山隧道位于肇慶市市區北部，穿北嶺山、雞籠山與鼎湖山；隧道起訖里程為D3K384+082～IDK396+520，全長12 438 m，最大埋深約750 m。全隧設2座斜井，1號斜井與正線相交于里程D3K388+100處，長1 395.5 m；2號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號斜井進正洞大里程方向開挖至D3K392+813里程時，掌子面揭示巖性為泥夾碎石，且有股狀涌水，見圖1。

2.2 超前地質預測預報

為探明北嶺山隧道2號斜井向出口方向D3K392+813掌子面前方地質情況，分別采用TSP、紅外探水、超前水平超長鉆孔等手段進行了超前探測，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，巖質較軟，節理裂隙發育，地下水發育；D3K392+855～D3K392+887.7段較破碎～破碎，巖質較硬，節理裂隙發育，地下水較發育。

2)紅外探測情況。

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

3)超前探孔情況。

在D3K392+813掌子面共布設5個超前地質探孔(孔位布置及參數詳見圖2，表1)，設計總進尺400 m。

表1 探孔布置參數表

因掌子面前方為泥夾碎石，進行超前地質鉆孔時出現塌孔、卡鉆，無法鉆進，為確保超前鉆孔質量，主要采取以下措施：

a.對掌子面前方10 m范圍進行預注漿，以加固和穩定掌子面；b.鉆進過程中采用前進式注漿方式，每5 m一個段，邊注漿邊鉆進。

根據鉆孔揭示，D3K392+813～D3K392+862段為斷層破碎帶，斷層破碎帶內物質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，卡鉆現象嚴重，鉆進后塌孔，地下水發育，水質渾濁。D3K392+862～D3K392+893為斷層影響帶，地層巖性為石英砂巖，強風化，巖體較破碎，節理裂隙發育，泥質、巖屑充填，地下水較發育，有滲水。

2.3 葫蘆田斷層的確定

通過對TSP、紅外探測、超前鉆孔等預報手段成果資料的分析，進一步證明掌子面前方D3K392+813為一斷層破碎帶，破碎帶內主要為斷層泥及斷層角礫，地下水發育。

掌子面D3K392+813出露的斷層，其性質與產狀與葫蘆田斷層較為吻合，同時設計單位對設計地質資料進行復查，確定D3K392+813前方為葫蘆田斷層。

3 主要設計措施

2011年2月20日，建設單位組織路內知名專家組成專家組，對設計、施工技術方案進行專家論證。根據超前地質預報資料和專家會意見，確定設計措施：

1)D3K392+813～+D3K392+853段采用Vc型復合式襯砌。

2)輔助施工措施：

a.對掌子面后方10 m(D3K392+803～D3K392+813)進行全環徑向注漿補強加固；b.D3K392+813～D3K392+853采用全斷面預注漿，加固圈6 m，保留5 m止漿巖盤；c.D3K392+813～D3K392+853在拱部180°范圍內施作φ108×6 mm超前大管棚，環向間距30 cm。第一環長度15 m，搭接5 m，施作第一環超前大管棚管體適當向上傾斜，開挖過程中漸變挑高斷面形成管棚工作室，再施作第二環超前水平大管棚，第二環長度30 m；d.在拱墻范圍內打設φ50×3.5 mm超前小導管，小導管長5 m，拱部(180°)環向間距30 cm，邊墻環向間距50 cm;e.開挖工法采用CRD工法，現場根據實際情況施作，仰拱及時封閉、二襯緊跟；f.在帷幕注漿前，掌子面拱部打3個超前鉆孔，長度超過開挖輪廓線外6 m，以泄水降壓；g.加強超前地質預測預報，開挖過程中采用加長炮孔，長短結合方式進行超前探測，開挖至D3K392+848，暫停開挖，施作3個超前水平鉆孔，長度不小于50 m。

4 施工方案

4.1 掌子面應急處理措施

1)掌子面打設錨桿、鋪掛鋼筋網，噴射C25混凝土進行封閉，噴混凝土厚度不小于20 cm。在掌子面施作止漿墻(里程段：D3K392+815～D3K392+813)，厚度為2 m，采用C20混凝土，下部預留了3個泄水孔；2)對掌子面后方10 m即D3K392+803～D3K392+813段進行小導管徑向注漿補強加固，縱向間距2.6 m，環向間距1.8 m，梅花形布置，加固圈3 m。

4.2 預注漿

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

根據現場實際地質情況，隧道掌子面已不適合二次開挖成全斷面施工，因此在上臺階施作止漿墻并進行預注漿施工。

4.2.1 設計參數

實驗采用介質阻擋放電管作為系統負載進行了實驗,其中,介質阻擋放電管實物圖如圖8所示,采用同軸圓筒電極結構。其中,控制系統大致包括電流電壓溫度等采集電路、信號調理電路、DSP28335最小系統、開關管驅動電路、故障報警與保護電路等。如圖7 所示,首先設置輸出電壓為8 kV,檢驗電極長度5 cm,實驗結果如圖8～圖10所示。最后將輸出電壓調至16 kV,檢驗電極長度5 cm時的電源穩定性及放電狀態,實驗結果如圖11～圖13所示。

注漿設計參數詳見表2，圖3，圖4。

4.2.2 預注漿施工方法

1)施作止漿墻。

止漿墻采用C20素混凝土，施作位置緊挨掌子面，止漿墻厚度為2 m，在周邊安裝徑向錨桿，以確保止漿墻的穩定。

止漿墻施工時，可在周邊及拱部預埋注漿管，在正式注漿前，首先注漿填充空隙，以防止漏漿、跑漿。待止漿墻混凝土強度達到設計強度的75%以上時方可進行鉆孔注漿施工。

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，孔口管應埋設牢固，并有良好的止漿措施。孔口管的安裝可在施作止漿墻時預埋，也可在止漿墻混凝土強度達到要求后再鉆孔埋設。

當掌子面水量大、水壓高時，應設置帶閘閥的孔口管，當出現大量涌水時，拔出機具，關閉孔口管上的閘閥，再進行注漿。在安裝孔口管時，應嚴格控制其位置、角度和方向。

3)鉆孔。

鉆機可選用回轉式、沖擊式鉆機等，鉆孔機具應滿足注漿段長的要求。注漿孔終孔直徑應不小于91 mm。鉆機安裝應平整穩固，保證鉆桿中心線與設計注漿孔中心線相吻合，在鉆孔過程中要經常檢查校正鉆桿方向。注漿孔的孔底偏差應不大于孔深的1/40。

鉆孔順序應為由外圈向內圈，在同一圈內隔孔施工。在鉆進過程中遇涌水或因巖層破碎造成卡鉆時，應停止鉆進，進行注漿掃孔后再行鉆進。

在鉆孔過程中應詳細做好記錄，主要內容有：孔號、進尺、起始時間、巖石裂隙發育情況、出現涌水位置、涌水量、涌水壓力等。

表2 超前帷幕注漿參數表

4)注漿。

注漿前應檢查選定的注漿材料、注漿機具，并應按照選定的施工配合比準確計量，嚴格按順序加料，拌合后的漿液必須經篩網過濾后方可進入注漿機。注水泥漿時，宜采用單液注漿泵或泥漿泵，注雙漿液時應采用雙液注漿泵。在注漿前，應根據實際情況選用前進式注漿，注漿順序為先外后內，同一圈孔間隔注漿。分段注漿時，應設置止漿塞，止漿塞可選用橡膠止漿塞，要能承受注漿終壓的要求，也可采用孔口止漿的方式進行。

在注漿過程中應根據漿液的擴散情況、注漿量、注漿壓力等參數調整注漿材料和配合比。在注漿過程中應做好施工記錄，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)注漿結束的標準。

a.單孔結束的標準：注漿壓力逐步升高至設計終壓，則繼續注漿10 min以上；進漿量小于初始進漿量的1/4；檢查孔涌水量小于0.2 L/min。

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

在注漿完成后應在2環、3環中選取7個～13個孔作為檢查孔，注漿結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小于2.5 L/(min·m)，當注漿完畢未達到設計要求時，應進行補注漿。

全段注漿結束后，經檢查確認漿液固結體達到設計規定的強度后方可進行隧道開挖。

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不鉆孔作為止漿段，管棚前端10 cm應加工成尖狀。鋼花管管棚每節長5 m，鋼管每節長4 m，以確保在同一截面的接頭數不超過管數的50%為準，且相鄰鋼管的接頭錯開至少1 m。

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

注漿時先注鋼花管，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量。在注漿過程中應做好注漿記錄，以便分析注漿效果。

4.4 超前小導管施工

超前小導管采用外徑50 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管制成。小導管前端做成尖錐狀長20 cm，尾部焊上φ6箍筋，距后端100 cm范圍內不鉆孔作為止漿段。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。

小導管安裝完成后進行注漿，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，并根據實際情況調整注漿參數。注漿順序為由下至上，漿液先稀后稠，注漿量先大后小，注漿壓力由小到大。當出現有串孔和漏漿現象時，可采用間隔一段時間后再行補注的方式進行。為加快注漿速度、發揮設備效率，可采用群管注漿(每次3根～5根)。當壓力達到設計注漿終壓并穩定10 min～15 min，注漿量達到設計注漿量的80%以上時，可結束該孔注漿。在注漿過程中應做好注漿記錄，以便分析注漿效果。

4.5 初期支護及開挖

該段初期支護進行加強，支護類型采用Vc, 初期支護采用Ⅰ22a型鋼拱架，間距0.5 m/榀，全環設置；拱墻采用Φ8鋼筋網，網格間距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。

各部開挖及支護自上而下進行，開挖采用人工開挖為主，弱爆破解除孤石，機械配合人工出渣，開挖后及時施作初期支護、中隔墻及臨時仰拱，步步成環，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，使初期支護盡早封閉成環，且等噴混凝土強度達到設計強度的75%后開挖相鄰部位。根據監控量測結果，中隔墻及臨時仰拱在仰拱澆筑前逐段拆除，每段拆除長度不大于15 m。

5 監控量測及實施效果

5.1 實施過程

2010年12月掌子面D3K392+813揭示斷層，經過應急處理封閉掌子面，實施超前地質預測預報等，經多次現場討論和專家會審，葫蘆田斷層處理方案得以通過。2011年2月正式實施，2011年3月完成第一環預注漿和管棚施工，并經打設驗證孔，注漿效果良好，本月恢復正洞開挖，經過三個循環的預注漿和超前大管棚施工，嚴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 監控量測

針對葫蘆田斷層，采取的主要監控量測項目有洞內外觀察、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 結語

1)根據葫蘆田斷層的揭示和確認過程，應在原設計斷層前后一定范圍內，斷層兩側不少于100 m提高施工應急級別，采用與斷層破碎帶一樣的超前地質預測預報方法；

2)斷層破碎帶及其影響帶初期支護應采取加強措施，建議采用型鋼拱架，拱架型號不小于Ⅰ20，每個拱架節點位置應設置4根鎖腳錨管，并嚴格焊接和注漿工藝；

3)為避免出現突發涌水，每循環開挖過程中，必須進行加長炮孔探測；

4)斷層破碎帶處理，預注漿加固圍巖是關鍵，按照制定好的工藝進行注漿，在過程中根據注漿效果及地質情況進行動態控制，必須達到注漿結束標準后，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[J].鐵道工程學報，2012(5)：45- 48，100.

[2] 鐵建設[2010]241號，高速鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[3] TB 10753-2010，高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準[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

A