分析隧道斷層破碎條件下隧道開挖的支護方法

王少凡 張傳寶 程 宏 李東陽

(中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450000)

在我國鐵路和高等級公路這類國民經濟的建設之中，經常需要修建隧道，遇到一些斷層破碎條件下的項目工程時，修建隧道成為控制整個工程項目投資及工期的一個決定性因素。所以，研究及改進斷層破碎條件下隧道開挖的的支護方法，在隧道施工的指導、工程質量的提升、施工進度的加快、工程費用的降低等各個方面都具有至關重要的意義。

1 隧道斷層破碎的工程地質特點

軟弱破碎隧道巖石有兩個特點。強度較低；抗擾動能力差。在項目施工過程中，如果隧道支護方式不當或施工錯誤等，容易造成掌子面坍塌甚至隧道崩塌。斷層破碎帶更是一個容易變形、透水性較大及抗水性能差的軟弱帶，斷層破碎帶與兩側巖體在力學特性上的差異，對施工挖掘相當不利，經常造成突發性安全事故，因此，依據隧道的工程特性合理選擇挖掘和支護方式是一項十分必要的工作，支護方式的選擇更是隧道施工的安全保障。

為防止斷層破碎軟弱帶巖石崩塌，保證施工時安全通過軟弱地層帶，穩定好隧道掌子面和地表，選擇支護方式尤其重要。

2 隧道斷層開挖的施工方法(圖1)

項目施工的一大難題就是隧道掘進過程中遇到存在涌水、涌泥及大規模坍塌危險的斷層及破碎帶，為使隧道順利通過斷層破碎帶，最大程度上降低地質災害引發的風險，在施工前應做好地質預報，根據預報結果選用正確的施工方式。

圖1 隧道開挖方式示意圖

2.1 隧道施工前地質預報

在施工前對前方地質巖石進行探測有利于施工的順利進行，依據預報結果和地勘及其他材料對前方100m左右范圍內的巖石進行地質判斷。假如施工現場達不到預報所得出的施工條件，則必須采用地質雷達探測前方25m范圍內的巖石地質，依據多種探測手段得出的結論對前方巖石進行裁定。

2.2 隧道注漿堵水加固

在項目施工過程中常會遇到大量涌水突水等情況發生，這時應結合超前地質預報的結果、地質素描等資料綜合分析，查明掌子面前的地下水分布，采取“防、排、堵、引”相結合的措施。針對不同情況，采用全斷面帷幕灌漿、全斷面周邊灌漿、局部灌漿等方法，盡可能地封堵地下水，并通過隧道二次襯砌排水系統排出隧道外，確保隧道施工和結構安全。

第一，全斷面幕墻灌漿，用于堵水。隧道穿過厚度較大(不小于30m)的軟塑性斷層破裂帶時，會形成一個大的喀斯特溶洞的軟塑性充填體。當水量大于10m3時，應采用全斷面帷幕灌漿堵水。注漿范圍為開挖輪廓之外的6m，長度為31m。灌漿段分為三環。第一環有22個注漿孔，深度為15m；第二環有22個注漿孔，深度為22m；第三環有61個灌漿孔，深度為31m，整個部分有105個注漿孔。

第二，通過在整個斷面周圍進行預灌漿來堵水。隧道穿過巖溶地層與非巖溶地層的界面，斷層破裂帶厚度較小(小于30m)，固溶裂縫，任何探測孔的流量均大于2m3，水量小于10m3時，應在整段周圍灌漿以堵水。注漿范圍在開挖輪廓外6m，長度一般為31m，分為三環，第一環有22個注漿孔，孔深15m；第二環有22個注漿孔，孔深22m；第三環為50個灌漿孔，孔深31m，整個斷面94個孔。

第三，通過局部斷面注水堵水。當通過石灰巖區域并發生涌水或突水時，灌漿會阻塞水，注漿范圍在開挖輪廓之外6m，灌漿段的長度一般為31m，分為三環。 第一環有10個注漿孔，深度為15m；第二環有10個灌漿孔，深度為22m；第三環有14個灌漿孔，深度為31m，整個部分有34個孔。

第四，部分斷面排水。如果開挖面只有1～2處涌水或是突水，流量不特別大時，應用30m深的80mm鉆頭鉆成孔排水。先將涌水暫時排出，再與二次襯砌防水排水系統結合排出孔內。

2.3 隧道開挖支護和二次襯砌施工

在隧道開挖施工過程中，應嚴格按照原則組織施工。管進，短管，弱爆破，強支護，勤測等。在初期支護完成之后，應加強對倒面和第二襯砌面的階梯控制，并及時對其進行施工，合理安排第二襯砌封閉，盡快成環，以確保施工安全。在開挖過程中，施工方應嚴格進行監測測量工作，及時分析監測數據，并在真實有效的數據的指導下，根據實際情況及時調整施工參數，避免結果突然改變。

3 隧道斷層破碎條件下的支護方式

洞身超前支護方式和超前小導管注漿加強支護是斷層施工經常使用的方式。管棚超前支護技術作為隧道開挖的輔助方法，在預防隧道坍塌，抑制地層位移，控制地面沉降起到了重要作用。

3.1 地下項目工程超前支護技術

先期支護技術是指在隧道開挖前，通過對掌子面前層注漿、冷凍、鋼管、鋼板插入、錨固等措施，在隧道斷面上形成拱形連續體，加固開挖面前層，同時維持前層土體不變，減少地表沉降量的技術手段。結果表明，注漿可以提高其強度和變形模量，并從根本上改善圍巖變形規律。數據表明，注漿后砂巖的強度可以提高50%～70%，粉砂巖和泥質巖的強度提高2～4倍，巖石強度的提高可以降低2/3～4/5。

工程實踐證明，超前支護系統能有效地限制地面沉降，使天然地層保持完全穩定。研究發現，先期支護對地面沉降具有30%～35%的抑制作用，對隧道頂上地層(拱頂)沉降具有40%的抑制作用。先期支護技術作為加固地層，穩定拱掌面，減少地表沉降的一種輔助方法，已被廣泛應用于地下工程施工中。

3.2 管棚灌漿支持

顧名思義，將一組鋼管沿開挖輪廓中鉆出的孔注入地下，并與鋼管拱結合形成強大的腳手架預支撐和加固系統，支撐來自管棚上部的荷載，通過鋼管的梅花形注漿孔加壓到地面，加固提高地面的穩定性。管棚灌漿具有長距離，高剛度的特點。適用于不能自我穩定，含水的地層，對控制地面沉降，防止滲水，止水具有良好的效果。例如，管棚灌漿和小管補灌漿的結合可以防止管棚下面的三角形土體塌陷。

管棚支架的主要功能和優點。(1)梁拱效應 管棚以面和后支撐為支點，形成梁結構，兩者形成圍繞隧道輪廓的殼結構，可有效防止松動和圍巖倒塌。(2)加固效果 將注漿液通過管壁孔壓入圍巖裂縫，使疏松巖體膠結固結，增強自身支撐能力，達到增強鋼管周圍弱圍巖的目的。(3)環形槽效應 管頂棚的致密環形槽反射，吸收或衍射了爆炸沖擊波的傳播和爆炸性氣體的擴散，大大減小了由其引起的圍巖的破壞程度和擾動范圍反向張力波。(4)保證施工安全 棚架支撐的剛度較大，若在施工過程中發生塌方，也會落在棚架上部的碎石上，起到緩沖作用，即使管棚不穩定，損壞也會很緩慢。

管棚支架適用范圍：根據國內外的實踐，結合管式支護在我國地下工程中的實際應用情況，可以將管式支護應用于軟砂土層，砂礫石層，膨脹軟流塑性層，硬土層，塑料粉質黏土地層，裂隙巖體，泥石涌入段，斷層破碎帶，塌陷段，碎土樁段，淺埋偏心壓力等地質和地下水條件豐富的地質地下構造施工支護以及開挖支護隧道出入口段，還用于城市的地下工程開挖的預支護等，可作為現有建筑物，公路，鐵路和地下結構下隧道施工的輔助方法；它既可以用作隧道洞口段和大斷面隧道施工的輔助方法，又可以作為其他輔助方法，還經常用于支撐淺而不合適的開挖斷面或淺層隧道以及隧道的施工。地面建筑物，靠近中型結構的隧道或隧道，以及其他對沉降有特殊要求的項目。

4 結 語

先進的管棚注漿支護和小管注漿支護加上超前的支護技術可以固結斷層斷裂帶中松動的破碎巖體，從而改善巖層的力學性能，形成固結整體，提高固結整體性，更好在斷層破碎帶的支護施工過程中發揮高級支持的作用。管棚和小管道注漿以及超前支護技術措施是斷層破碎帶隧道建設工程中的靈魂技術，具有重要地位。結合先進的地質預測技術及灌漿技術，采取合理的開挖方法，可以很好地抵抗地質坍塌，保護施工人員安全，有利于我國國民經濟基礎建設穩步發展。