斷層影響帶隧道坍方處理技術

劉海濤

(中鐵二局三公司，四川成都610031)

1 工程概況

打錫山2#隧道位于貴廣鐵路貴陽到賀州段，地處貴定縣昌明鎮境內，全長2 066 m。為雙線鐵路隧道，列車的設計行車速度為250 Km/h，最大開挖尺寸為14.6 m。隧道自出口向進口掘進時，當隧道掘進至D3K79+033時，發現D3K79+033～+055段、D3K79+060～+110段拱部出現了開裂并使鋼支撐發生變形，立即停止施工。次日，D3K79+033～D3K79+048的初支全部坍塌，掌子面不斷向外涌出頁巖泥漿，坍方體呈半流質狀，拱頂初支開裂及局部噴射砼塊剝落一直延伸到D3K79+065附近。坍塌段原設計為Ⅲ級復合式襯砌。

超前地質預報探明：坍塌處基巖以石英砂巖為主，夾砂巖、頁巖，中厚層夾薄層狀，總體軟硬相間，巖層產狀較平緩。區域性大斷層魚洞山正斷層在線路左側200 m附近與線路相伴而行，打錫山逆斷層在線路右側120 m外大致與線路平行，白巖逆斷層與洞身相交。巖體受構造影響極嚴重，巖體較破碎，節理裂隙發育。加之巖層中夾軟弱層、巖層產狀較平緩、基巖裂隙水較發育，施工開挖極易發生坍方、掉塊、剝落等現象，圍巖穩定性差。根據TSP探測結果見表1。

表1 TSP探測結果

2 坍方處理

由于坍體流動性較大，因此在坍體穩定后，先對坍方體快速網噴砼封閉，并在坍體腳周邊用砂袋碼砌護腳。封堵完成后，對臨近坍體的段落初期支付按掘進方向由外往里分段注漿進行加固，并對初支實施監測。當變形穩定后，將二次襯砌往前施作至初支暴露段不大于10 m。待封堵墻、初支及二襯砼達到設計強度后，在坍體上部拱部144°角的范圍設置80 cm厚的鋼筋砼封堵墻，沿封堵墻頂部初支外輪廓線以上40 cm處設置φ108的超前大管棚，并根據坍腔情況，自管棚內對前方圍巖及坍體間隔性進行注漿加固或注入細石砼，固結掌子面前方坍落體及堵塞坍腔。當加固漿液超過7 d后，對前方掌子面采用CRD法進行開挖掘進，超前小導管設置在管棚之間，同時緊跟二次襯砌。

2.1 設置封堵墻

坍方體穩定后，在整個坍體表面自下而上快速噴射厚度為20 cm的C25砼封閉整個坍體，然后在坍體腳周圍堆碼2 m厚、3 m高的砂袋反壓保護坍體，砂袋頂平面同時可作為實施管棚操作支架的平臺；坍體封閉前，在坍體上預留間距為2 m2 m的φ42的鋼管作為引排坍體內的水。在坍體上部拱部144°角的范圍設置80 cm厚的砼封堵墻，便于對掌子面前方坍方進行注漿和泵送砼，同時作為管棚施工的導向墻。封堵墻采用C30混凝土，其基礎嵌入坍體1 m，在封堵墻上預留20 cm×20 cm的觀察窗口，用于觀察坍腔內砼填塞情況。

2.2 臨近坍方段初支加固

受坍方影響，臨近掌子面初支有不同層度的變形，其中D3K79+060～+110段變形較少，D3K79+060～+048變形較大。具體處理如下：(1)在D3K79+060～+110段設置臨時支撐，臨時支撐采用Ⅰ20b工字鋼，工字鋼底墊方木(20 cm×20 cm)，從而增大接觸面。在拱部開裂處輔以兩根工字鋼加強支撐，并用φ22鋼筋縱向連接工字鋼，臨時支撐的工字鋼縱向間距1 m，如圖1所示。臨時支撐施作完畢后，對該段周邊襯支進行加固。在每榀鋼架的拱腳和拱腰處施作鎖腳錨桿，鎖腳錨桿單根長3.5 m，每榀每側4根，鎖腳錨桿與鋼架焊接牢固。在拱部144°范圍內施作φ42的徑向小導管注漿加固，單根長4.0 m，間距1.0 m×1.0 m梅花型布置，小導管注1∶1∶0.4(水泥∶砂∶水)的水泥砂漿，注漿壓力0.6～1.5 MPa，根據現場注漿壓力與吸漿量進行控制。(2)對D3K79+110～+048段變形及侵界的初支進行換拱及注漿加固。換拱時，上一榀處理完成后，再進行下一榀換拱加固，且分節分側換拱加固。(3)進二次襯砌與仰拱施工。

圖1 臨時支撐示意

2.3 大管棚工作室施工

在掌子面D3K79+048處施作φ108的超前大管棚，管長30 m，貫通坍方段，并伸入未坍地段5 m。施作大管棚前首先對施作大管棚的工作室進行加固，具體如下：(1)開挖工作室。在原初支基礎上由線路左側逐漸向右側推進每間隔1.5～2.5 m作為一個環向長度進行刻槽加密鋼支撐，鋼支撐安裝時設置徑向臨時支撐。刻槽完成后，在槽內施作Ⅰ20的工字鋼和徑向注漿小導管進行工作室周邊的加固(小導管單根長3.5 m，間距1.2×1.2 m,梅花布置)，并將小導管末端與工字鋼焊接牢固，同時掛網(鋼筋網格0.2 m×0.2 m)及噴射12 cm厚的混凝土進行防護，從而確保工作室的穩定性。(2)所開工作室的結構尺寸：工作室深度0.5～0.8 m，縱向長度為5 m。

2.4 施作大管棚

2.4.1 管棚鋼管截面強度驗算及剛度計算

2.4.1.1 坍方體土壓力的確定

根據隧道坍方調查資料統計分析，目前隧道所采用的圍巖豎向均布壓力的計算式為：

q=0.45×26-sγω

式中：q為圍巖豎向均布壓力，kN/m2；γ為圍巖重度，kN/m3；s為圍巖級別，如屬Ⅴ級，s=5；ω為寬度影響系數，ω=1+i(B-5),其中，B為隧道寬度，單位：m,i為以B=5 m為基準，B每增減1 m時的圍巖壓力增減率。當B<5 m，取i=0.2，B>5 m，取i=0.1。

坍方后，經過重新勘察設計，設計院將此處的圍巖等級由原來設計的Ⅲ級變更為Ⅴ級Ⅱ型。按照變更后的Ⅴ級Ⅱ型，圍巖重度取為18.5 kN/m3。圍巖豎向均不壓力為q=32.63 kN/m2。

2.4.1.2 作用在一根鋼管長度范圍內的線荷載

作用在一根鋼管長度范圍內的線荷載強度的計算式為：

P=q×t

式中：t為管棚鋼管中心間距，考慮到鋼管的打入角度等，采用t=40 cm。

計算得：P=32.63×0.4=13.05 kN/m

2.4.1.3 鋼管應力計算

在超前長管棚支護下，隧道施工工序為：開挖→初噴→架設鋼支架→掛鋼筋網→復噴。隨著開挖，長管棚支護逐漸形成若干段短跨的簡支梁結構。隧道開挖后每榀鋼架的間距為0.6 m，鋼管的計算跨度L取為0.6 m；鋼管斷面積A=π(D2-d2)/4=22.8 cm2；鋼管模量慣矩W=πD3[1-(d/D)4]/16=131.792 cm3；計算得最大彎曲M=PL2/8=4.7 kN·m；最大剪力R=PL/2=3.92 kN；鋼管容許彎曲應力：[σ]=240 MPa；鋼管容許剪應力[τ]=145 MPa

最大彎曲正應力計算公式為：σ=M/(γ×W)；最大剪應力計算公式為：τ=R/A。

本工程計算得：σmax=M/(γ×W)=31.0 MPa<[σ]=240 MPa

τmax=R/A=17.2 MPa<[τ]=145 MPa

可見設計的鋼管強度滿足要求

2.4.2 跟管鉆進長管棚施工

根據對地質結構的分析與計算，可以得出拱部以上的整個斷層影響帶形成的土柱壓力較大，達到32.63 kN/m2，且坍方巖體為粉細顆粒的松散體。受斷層影響帶的作用，松散體的范圍較寬。因此，先成孔后送管棚，十分困難。松散體極易堵塞孔洞。針對此問題，我們采用跟管鉆進的施工工藝。材料上采用較大強度和剛度的大口徑(127 mm)鋼管超前支護，即一次性跨過坍方體。同時為了增加φ127鋼管連接處的強度，在施作完φ127的鋼管以后，送入φ108的大管棚，在φ108的大管棚中再布置鋼筋籠，以保證結構的強度與剛度，如圖2所示。

圖2 管棚布置圖(單位：mm)

2.4.2.1 管棚的結構設計參數

管棚布設在拱部144°范圍的外輪廓線以上40 cm處，共布設38根，單根長度為25 m。鋼管中心間距40 cm，管內設鋼筋籠，并灌注漿液。鋼套管直徑×壁厚=127 mm×6 mm，鋼管套分節長度為1.5 m。兩節套管間設置連接管套，連接管套長度為13 cm，采用6 cm的長絲扣與鋼套管連接。內鋼管直徑×壁厚=φ108 mm×6 mm，單節長度6～7 m，兩節之間采用坡口焊焊接。

2.4.2.2 鉆機設備參數

本工程坍方處理采用“鉆神”ZSL-40型錨固鉆機，該轉機電力驅動力頭式鉆機，可靠、輕便、性能穩定、使用壽命長，其結構可拆性好，搬遷、安裝迅速方便，一次搬遷可完成多孔施工，并且可遠離孔口操作。鉆神ZSL-40型鉆機的技術參數：鉆孔直徑90～130 mm，鉆孔深度20～40 m，鉆桿直徑76 mm、89 mm，鉆孔傾角度0°～90°，動力頭額定輸出扭拒1 700 N·m，動力頭最大起拔力25 kN，動力頭最大的進給力15 kN，總電動機功率10.75 kW，鉆機重量550 kg，最大部件重量200 kg，主機外形尺寸3 200 mm×1 000 mm×1 200 mm。

2.4.2.3 鉆進系統工作原理

鉆進時鉆機帶動鉆桿回鉆，將回鉆扭矩傳給潛孔沖擊器，當壓縮空氣從鉆桿送入潛孔沖擊器使之工作后，由潛孔沖擊器通過花鍵帶動沖擊導正器轉動。沖擊導正器上有偏心軸，上面安裝著偏心鉆頭，由于偏心軸上的摩擦力小于孔底圍巖對偏心鉆頭的摩擦力。沖擊導正器轉動時，偏心鉆頭張開，并在開啟到設計位置后被限位鍵限住，隨著導正器回轉，沖擊器活塞沖擊導正器將沖擊波和鉆壓傳遞給偏心鉆頭，對孔底巖石進行破碎。由于偏心鉆頭鉆出的孔徑大于鋼管套的外徑，當導正器上的臺肩與套管靴上的臺肩接觸時，導正器將鉆壓和沖擊波部分施加給套管靴，再加上鉆壓的作用，迫使套管靴帶動整個剛套管與鉆具同步跟進，保護已鉆孔段的孔壁。

當鉆進作業告一段落，需將鉆具后退時，慢速反轉鉆具，偏心鉆頭依靠慣性力和孔底摩擦力收縮返回，整套鉆具的外徑小于鋼管套內徑，即可將鉆具退回到進行配接鉆桿和鋼管套的位置，鉆具退至孔外，鋼管套留在孔內。

2.4.2.4 施工流程

施工步驟如圖3所示，具體步驟為：(1)組裝鉆具，安裝第一根套管，如圖3(a)；(2)推送鉆具及鋼套管至導向墻面后停鉆，如圖3(b)；(3)解開動力頭后退，然后接桿連接動力頭，開孔跟鉆，如圖3(c)；(4)繼續跟管鉆進，直至套管尾端距離導向墻30 cm，如圖3(d)；(5)解開動力頭后退，安裝第二根鋼套管，連接動力頭，如圖3(e)；(6)連接鋼套管，如圖3(f)；(7)繼續跟管鉆進，以下部序重復圖3(d)～圖3(f)所示步驟，直到鉆入到設計長度，如圖3(g)；(8)反鉆鉆具，卸除所有鉆桿和鉆具，如圖3(h)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

鉆進具體操作：(1)搭建鉆機平臺。鉆機平臺采用腳手架搭設，平臺頂離拱頂2 m。考慮到在松散巖體內，長管棚施工，鉆頭易往下掉的情形。一般將管棚入射仰角垂直向上調到3°～5°，水平偏角置0。因此在搭設鉆機平臺時，必須要保證鉆機的安設角度。(2)開孔。在架設好鉆機、調整好孔位的水平偏角及仰角后，采用直徑130 mm的合金鉆頭成孔，成孔2～3 m后，換用偏心鉆頭，進行鉆進。(3)鉆進。用直徑130 mm的合金鉆頭成孔2～3 m后，換上偏心鉆頭。將第一節帶有套管靴的鋼套管套入鉆具，使偏心鉆頭露出到套管外，檢查扶正器、導正器、鉆桿三者是否同軸，以避免在鉆進中鋼套管歪斜，導致發生孔斜或加不進鉆桿和鋼套管的現象出現。將鉆桿連接在鉆機的動力頭上，反轉并推送鉆具進至距孔底50 cm處，開風后向孔內供風，繼續發轉鉆具幾轉，使其慢慢下到孔底，聽到沖擊器沖擊聲后立即停止供風，此時正向回轉鉆具幾轉，使偏心鉆頭張開，然后退鉆10～20 cm后送風，鉆機加壓時進入正常鉆進作業。(4)加接鉆桿和鋼套管。當跟管鉆進到鋼套管尾端，距離臨時導向墻孔口約30 cm時停鉆，然后鉆機反轉退鉆、卸桿，動力頭后退至尾端加接鉆桿或鋼套管，此時應先擰緊鉆桿，然后在擰緊連接套管。(5)退鉆。沖擊器后退10～20 cm后進行吹孔。吹孔的時間長短根據孔的深度而定，目的是將環狀空間的巖屑吹出，防止停氣時巖屑沉積卡鉆。沖擊器后退吹孔反轉鉆具1～2轉，慢慢退鉆，看能否退出1 m而無阻力。若退鉆順利，則說明偏心鉆頭已經進入套管。這時可關掉送風閘，按普通方法將鉆桿退出。

2.5 注漿

為加固圍巖，增強圍巖的自身強度、承載能力、自穩能力，提高圍巖的密實性和抗滲能力，減少地下水的滲透量，減輕初期支護噴射混凝土層承受的外荷載，需要對坍方段進行注漿處理。本工程坍方段先用C30細骨料砼從導向墻的觀察窗口對較大的坍腔泵送堵塞，然后通過大管棚采用注入水泥砂漿充填坍體縫隙，當壓力到2 MPa后，再注入水泥—水玻璃漿液。

2.5.1 注漿設備

本次注漿的主要施工設備包括：3SNS高壓注漿泵2臺，YJ-150型雙層攪拌桶2臺，ZJ-400型高速制漿機1臺。

3SNS注漿泵由電機通過偏心輪帶動柱塞往復運動，引起密閉的容積周期性改變，從形成腔的室內外壓力差變化，以吸入和排出液流輸送流體，實現能量轉換。具有以下特點：(1)泵的流量是可調的，能滿足注漿或鉆探工藝的要求。(2)泵每運轉周期流量波動值小。其單位時間總排量基本上是恒定的，排出壓力的變化對其影響較小。(3)用調節螺母來限壓，操作方便，并起保護作用。(4)泵在工況運轉時，無外部運動件，以利安全生產。(5)各密封件均采用耐磨材料制成，使用壽命長。(6)裝拆方便，體積小，重量輕，移動靈活。其主要技術參數：轉速117 r/min，理論排量100 L/min，水泥漿壓力10 MPa，砂漿壓力8 MPa，水∶灰∶砂=0.5∶1∶1.2，進道口徑64 mm，排道口徑32 mm，功率18.5 kW，整機重量930 kg，外形尺寸1 800 mm×945 mm×705 mm。

YJ-150型雙層攪拌桶的技術參數：公稱容積150 L，攪拌轉速51 r/min，出口直徑38 mm功率1.5 kW，重量340 kg，外形尺寸1 900 mm×850 mm×850 mm。

ZJ-400型高速制漿機將水泥、膨潤土等與水泥及其添加劑混合并快速制成漿液，該機采用渦流制漿與一般葉片攪拌機相比，具有制漿速度快，漿液攪拌均勻等特點。技術參數：容量400 L，制漿時間3 min，功率7.5 kW，重量450 kg，外形尺寸1 350 mm×50 mm×1 460 mm。

2.5.2 注漿控制

2.5.2.1 注漿擴散半徑

在注漿過程中，漿液的擴散半徑與巖石裂隙大小、漿液黏度、凝固時間、注漿速度和壓力、壓注量等因素有關。施工中對壓力、漿液濃度和壓入量等參數進行人為控制與調整。表2給出了水玻璃漿液在不同巖層中的有效擴散半徑。本隧道坍方體以淤泥與粘土為主，因此將水玻璃的擴散半徑定為0.5 m。

表2 水玻璃漿液在不同巖層中的有效擴散半徑 m

2.5.2.2 注漿壓力

注漿壓力大小決定于涌水壓力、裂隙大小和粗超度、漿液的性質和濃度、要求的擴散半徑等。合理的注漿壓力既能避免壓力過高造成的不利影響，又能保證漿液的結石強度和不透水性，有利于形成良好的隔水帷幕。通常采用以靜水壓力為依據的經驗公式確定注漿壓力，即只考慮靜水壓力，而對其他因數均不考慮。根據本隧道的實際情況，首先采用注入水泥砂漿，用于填充坍腔等空洞，當注漿壓力達到1.0 MPa左右，停止水泥砂漿的注入，改用水泥-水玻璃漿液，水泥-水玻璃漿液的注漿壓力達到3.0 MPa，且吸漿量較小時，停止注漿。

注漿過程中，嚴格地選擇與控制注漿壓力，選用合適的漿液，適當的變換漿液配合比，是保證注漿質量的重要因素。針對本隧道巖層透水性大，難以很快達到規定壓力值等情況，采用了分級升壓法進行注漿。注入雙液漿時，應當注意控制兩種漿液的壓力表值基本相等，防止其中一種漿液發生返漿的情況出現；并且保證兩者的流量相等，從而保證施工配合比。

2.5.2.3 注漿結束控制

注漿量可根據擴散半徑及巖層裂隙率進行粗略估算。注漿在達到設計壓力(即終壓)時的持續時間或進漿速度小于規定值時結束，即在注漿壓力達到設計終壓，或雙液(水泥-水玻璃漿液)吸漿率為18～35 L/min，單液漿為7～20 L/min，可結束。在正常情況下，當注漿壓力達到或接近設計終壓時，注漿結束；當壓力接近終壓或達到終壓的80 %時，如出現大的跑漿，經間歇注漿后達到或接近終壓，也可結束注漿。

2.5.3 注漿效果檢查

在注漿結束3 d后，進行探孔取樣，進行注漿效果的檢測。從而準確的判斷出注漿效果，以便下一步更好的進行開挖。

2.6 開挖

注漿結束后，待漿液強度達到28 d后采用CRD法分步開挖。為了穩妥，在開挖前先通過超前鉆孔探測前方漿體凝結情況，若在鉆孔時退出的鉆渣成粉末狀，表明坍體內漿液凝固良好，可以進行開挖，反之，則應分析原因，考慮是否重新注漿或采用其他加固措施。開挖時，根據本隧道坍方實際，盡量先不擾動坍方時未被破壞的圍巖，先CRD法人工開挖坍體一側，開挖進尺不大于1 m，做到隨挖隨護，減少圍巖暴露時間，局部地方巖石需要爆破時，先將需要爆破周邊支撐好后，對需要爆破位置采取單孔淺眼起爆，裝藥量不超過 150g。開挖過程中全程跟蹤監控量測，監測圍巖變化動向，發現有異常，停止施工，拆離人員，分析原因。

3 結束語

通過上述對隧道坍方處理措施，順利通過了隧道坍方地段。在斷層影響帶的坍方處理中，首先要探明前方地質圍巖狀況，再采取有效的加固措施。通過本工程的處理，可以看出，及時封閉坍方體，穩定坍方體后方的支護是基礎，有效地施作長大管棚和保證注漿質量是關鍵，少擾動、強支護的開挖措施是手段，核心問題是要通過處理，提高圍巖的自身穩定能力，從而順利的通過坍方段。

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