隧道掘進斷層破碎帶施工方法及工程實例

1、.隧道掘進斷層破碎帶施工方法及工程實例-13級土木6班劉志明1308230231摘要：隨著社會和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，隧道這種通過大山大河的方式被廣泛的采用。遇到斷層破碎帶是隧道掘進的很大的問題，本文整理歸納了常見的斷層處理技術(shù)并進行了相關(guān)的工程實例分析。關(guān)鍵詞：隧道；斷層；施工0 引言隧道圍巖穩(wěn)定是隧道掘進過程中非常重要的問題，尤其是在斷層破碎帶區(qū)段圍巖穩(wěn)定性特別需要重視。本文簡單分析了斷層破碎帶對圍巖穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)國內(nèi)幾個不同的隧道斷層施工實例的分析總結(jié)了隧道斷層施工幾種工藝。1斷層破碎帶對圍巖穩(wěn)定性的影響研究結(jié)果顯示, 斷層交會和斷層歸并復(fù)合很容易引起圍巖失穩(wěn), 斷層的其他要素如風(fēng)化

2、程度、斷層走向與隧道中線走向的夾角對圍巖穩(wěn)定性影響也很大【1】。斷層交會對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響最大, 因為其與單一式斷層相比, 明顯擴大了斷層的規(guī)模, 增加了斷層的裂隙、空隙的密度,增大了裂隙、空隙, 從而降低了破碎巖石、角礫的膠結(jié)程度和黏著力。另外, 由于斷層交會復(fù)合為不同走向斷層相交, 所以其對圍巖穩(wěn)定性的影響程度比斷層歸并復(fù)合還要大很多。2 斷層施工技術(shù)在隧道開挖施工過程中，斷層及其破碎帶的難度特別大，是非常容易出事故的地段。在高速公路、鐵路隧道等大量施工中經(jīng)常面臨斷層的處理問題。在隧道掘進的過程中要進行超前地質(zhì)預(yù)報，準確定位斷層破碎帶的位置，提前采取措施，解決或降低斷層破碎段的不良影響

3、。主要措施有:通過超前帷幕注漿固結(jié)巖體，并封堵地下水通道;施做超前小導(dǎo)管和超前大管棚等超前預(yù)支護措施，加固圍巖;采用短進尺、短臺階的開挖方法，并預(yù)留變形量;增強初期支護的強度，并及時封閉成環(huán);二次襯砌加強。 在施工技術(shù)上，我們需要注意幾點要求： 1 超前小管棚施工    在破碎的松散的巖體中超前鉆孔，打入小導(dǎo)管，這個小導(dǎo)管采用的是每根4m的長度,一端加工成尖錐形，而另一端要設(shè)置4排孔眼，這有利于小導(dǎo)管將漿液推進和滲入破碎巖體。為了防止?jié){液從其它的孔眼中溢出來，注漿前要把那些孔眼都安裝止?jié){塞，順序是先從兩側(cè)拱腳向拱頂。而且注漿時要把孔眼之間相隔開，不可以連

4、續(xù)的注漿，從而達到固結(jié)效果，又能控制注漿量。    2 隧道的開挖    隧道開挖技術(shù)是斷層破碎帶施工過程中必須注意的關(guān)鍵技術(shù)，洞口開挖可以選擇機械施工，而對于洞身開挖可以選擇簡易自拼裝臺車鉆眼，配以多段毫秒雷管，并在周邊眼選擇專用導(dǎo)爆管，以提高光面爆破效果。對于隧道出碴，可以選擇裝載機，配以自卸汽車，而二次襯砌混凝土澆筑選擇12米長大模板臺車，混凝土集中在混凝土拌和站拌制，由混凝土運輸車專門運輸，并泵送入模。另外，對于邊側(cè)溝施工，可以選擇組合鋼模板。在隧道開挖時，由于需要考慮多方面的因素，合理選擇適當?shù)拈_挖方法，主要的開挖

5、方法有以下幾種：    第一，全斷面開挖法。這是指將整個隧道開挖斷面一次鉆孔、一次爆破成型、一次初期支護到位的隧道開挖法。全斷面法實用于1到3級硬巖地層和2級軟巖地層。   第二，臺階法施工。是將結(jié)構(gòu)斷面分成兩個或幾個部分具有上下斷面兩個工作面或多個工作面，分布開挖。它的特點是靈活多變、適用性強，有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度，能較早地使支護閉合，有利于開挖面的穩(wěn)定性和控制其結(jié)構(gòu)變形及由此引發(fā)的地面沉降。它分為正臺階上下兩部分步開挖法；正臺階分步開挖留核心土法，適用于較差的地層；中隔墻臺階法開挖，一般用于工作面地層自穩(wěn)能力較差，上臺階開挖后拱

6、腳支撐在未開挖巖體上的自穩(wěn)時間較短且開挖斷面跨度較大時。    第三，臺階開挖法。臺階開挖時要注意臺階長度要適當。要根據(jù)初期支護形成閉合斷面的時間要求，圍巖穩(wěn)定性愈差，閉合時間要求愈短，及上班斷面施工時開挖、支護、出渣等機械設(shè)備所需的空間大小的要求來確定選用長臺階、短臺階或是微臺階。還要注意解決好上下半斷面作業(yè)的相互干擾問題，尤其是短臺階干擾較大，要注意作業(yè)組織，對于長度較短的隧道，可將上半斷面貫通后，在進行下半斷面施工。   第四，側(cè)壁導(dǎo)坑法。它分為單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。單側(cè)壁導(dǎo)坑法是指在隧道斷面一側(cè)先開挖一導(dǎo)坑，并始終超前一定距離，再

7、開挖隧道斷面剩余部分，變大跨斷面為小跨斷面的隧道開挖方法。適用于地層較差、斷面較大的隧道。為了穩(wěn)定工作面，須采用超前大管棚、超前錨桿等輔助施工措施進行超前加固。一般采用人工開挖法、人工和機械配合開挖法的等。   第五，臺階七步法。跟臺階法相似，這是在洞身開挖時使用的，是指在隧道開挖過程中，分七個開挖面，然后分部同時支護，形成支護整體，縮短作業(yè)循環(huán)時間，形成開挖及施作初期支護，混凝土仰拱緊跟下臺階及時施作構(gòu)成穩(wěn)固的初期支護體系。    3 錨噴初期的支護    在選擇系統(tǒng)錨桿時，必須選擇一定規(guī)格的，不論是縱

8、向還是環(huán)向，其間距都應(yīng)控制在100cm左右，采用梅花形布置，并對拱墻設(shè)置鋼格欄。   4 監(jiān)控量測    在初期的支護完成后，對于隧道的拱頂、拱腳及周圍的邊墻的內(nèi)軌頂面要進行水平收斂量測和進行拱頂下沉。3 具體施工案例 隧道破碎帶施工方法很復(fù)雜，但不同的工程中又有相同的地方。在此僅較詳細地介紹兩個案例，其他的僅就其不同點進行分析。3.1 靠椅山隧道工程3.1.1工程概況靠椅山隧道位于京珠高速公路粵北甘塘至翁源段,設(shè)計為分離式雙向六車道隧道,隧道橫穿靠椅山東北段,右線長2949m,設(shè)計最大開挖凈寬為17. 4m,最大開挖高度12. 24

9、m,最大開挖面積165. 45m2。為國內(nèi)跨度最大的公路隧道之一。靠椅山隧道出口右線YK147+ 230 YK147+ 156段設(shè)計中,隧道經(jīng)過的地層巖石主要為弱風(fēng)化和微風(fēng)化變質(zhì)砂巖,厚層夾薄層塊狀結(jié)構(gòu),為軟弱結(jié)構(gòu)層,局部碎裂,易沿層理分離,完整性及穩(wěn)定性較差,基巖裂隙水發(fā)育。洞頂有二條溪流通過,常年流水,小溪地表水可全部滲入洞內(nèi)。開挖中,局部呈褶皺壓碎鑲嵌結(jié)構(gòu),斷層屬正斷層,其間夾強風(fēng)化泥質(zhì)頁巖,遇水軟化,巖體穩(wěn)定性差。拱部左半部為黃褐色不規(guī)則體,鉆孔探測,有黃泥水成股涌出,判斷為破碎帶。地下水大量滲入洞內(nèi),日涌水量1440m3 /d左右。3.1.2 施工方案參考國內(nèi)外類似大跨度隧道工程實例

10、,針對靠椅山隧道斷裂破碎帶的特點及工期要求,在施工中,采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固拱部軟弱體的多臺階、全斷面開挖施工。上半斷面在支護環(huán)的保護下,領(lǐng)先開挖,形成傘形結(jié)構(gòu)。在超前小導(dǎo)管注漿支護下,形成預(yù)先堵水加固圍巖,達到止水并在工作面周圍形成一個承載殼 地層自然拱。3.1.2.1小導(dǎo)管超前支護預(yù)注漿【2】 ( 1)超前小導(dǎo)管采用外徑42mm,壁厚3. 5mm熱扎無縫空心鋼管,鋼管前端呈堅錐狀(尾部穿過工字鋼腹板開孔孔口)管壁四周鉆6mm壓漿孔,尾部1m不設(shè)壓漿孔,單根管長3. 8m。 ( 2)超前小導(dǎo)管的布置及參數(shù): 其尾部穿過初支中采用腹板開孔的I18# 工字鋼,縱向間距1. 0m,環(huán)向間距40c

11、m,以14°外傾角布設(shè)于拱部150°范圍內(nèi)。 ( 3)注漿參數(shù)及壓漿方案的確定。綜合考慮到凝膠時間,結(jié)合巖體圍巖松散程度與抗壓強度、工程成本、施工操作,以往驗證及現(xiàn)場實驗,注漿決定采用水泥、水玻璃雙液漿; 水泥與水玻璃體積比1: 0. 5,水泥漿水灰比1:1,水玻璃濃度控制為35Be,模數(shù)取2. 4;單孔注漿量由漿液擴散半徑及圍巖的孔隙率確定。 ( 4)止?jié){盤設(shè)計: 在洞內(nèi)掌子面施作超前小導(dǎo)管的周圍1. 5m范圍內(nèi)噴C20混凝土25cm厚,做止?jié){盤。采用麻絲膠泥孔口止?jié){。 ( 5)主要材料及機具設(shè)備: 主要材料為425# 普通硅酸鹽水泥,水玻璃,磷酸氫二鈉; 主要機具為注漿

12、泵( ZTGZ-60 /50型雙液注漿泵) ,立式灰漿攪拌機,孔口混合器及其它設(shè)備(自制) ,孔口管及注漿管。3.1.2.2施工效果 由量測結(jié)果知,圍巖在開挖后即產(chǎn)生變形,隨著掘進的推進,位移逐漸增大,在整個斷面開挖后,曲線逐漸出現(xiàn)緩和,慢慢趨于穩(wěn)定。拱頂下沉最大29mm,周邊位移最大21mm。從變形情況可以看出,施工方案合理、科學(xué),支護參數(shù)及時有效。 3.2 洞子崖隧道3.2.1 工程概況 包西鐵路洞子崖隧道位于陜西省澄城縣洞子崖村東南側(cè), 西延至鐵路洞子崖車站左前方。隧道為DK683 +062 DK684 +385段, 全長1323m, 為雙線鐵路隧道, 全隧道位于直線地段, 洞內(nèi)線路為5

13、.4的單面下坡, 開挖最大高度為12.1m, 最大寬度為14.7m, 最大開挖斷面積為143.65m2。洞子崖隧道DK683 +938 DK684 +076段屬杜康溝斷層破碎帶, 其中DK683 +938 DK684 +004段為淺埋段, 隧道埋深淺、圍巖較破碎, 施工中易出現(xiàn)拱頂下沉、水平收斂、坍塌等現(xiàn)象。全隧道采用一個工作面由出口向進口方向掘進。3.2.2施工方案 洞子崖隧道杜康溝斷層地段多為斷層泥礫, 巖體呈角礫松散結(jié)構(gòu), 屬級圍巖, 該斷層帶最小埋深為18m, 施工中易出現(xiàn)拱頂下沉、水平收斂、坍塌等現(xiàn)象。施工時嚴格按照“新奧法”原理, 遵循“管超前、弱爆破、短進尺、少擾動、強支護、早封

14、閉、勤量測、緊襯砌”的原則制定施工方案, 防止在斷層破碎帶淺埋段施工時出現(xiàn)拱頂下沉、水平收斂等現(xiàn)象。3.2.2.1雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序說明如下。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工藝和施工順序詳見施工工序示意圖(圖2)。圖1雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖第一步:(a)利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道側(cè)壁導(dǎo)坑超前支護;(b)弱爆破開挖部;(c)噴8cm厚混凝土封閉掌子面;(d)施做部導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護, 即初噴4cm厚混凝土, 架立20b型鋼鋼架和18臨時鋼架, 并設(shè)鎖腳錨管;(e)導(dǎo)坑底部噴18cm厚混凝土, 施做部臨時仰拱, 安設(shè)18橫撐;(f)鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第二步:(

15、a)在滯后部4 6m后, 弱爆破開挖部;(b)噴8cm厚混凝土封閉掌子面;(c)施做部導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護, 即初噴4cm厚混凝土, 接長20b型鋼鋼架和18 臨時鋼架, 并設(shè)鎖腳錨管;(d)導(dǎo)坑底部噴18cm混凝土, 施做部臨時仰拱, 安設(shè)18橫撐;(e)鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第三步:在滯后部4 6m后, 弱爆破開挖部并施做導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護, 步驟及工序同第一步。第四步:在滯后部4 6m后, 弱爆破開挖部并施做導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護, 步驟及工序同第二步。第五步:(a)在滯后部4 6m后, 弱爆破開挖部;(b)施做部導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護, 即初

16、噴4cm厚混凝土, 接長20b型鋼鋼架和18臨時鋼架;(c)隧底周邊部分噴混凝土至設(shè)計厚度。第六步:在滯后部4 6m后, 弱爆破開挖部并施做導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護, 步驟及工序同第五步。第七步:(a)利用上一循環(huán)架立的型鋼鋼架施做超前支護;(b)開挖部;(c)噴8cm厚混凝土封閉掌子面;(d)拱部噴4cm厚混凝土安設(shè)型鋼鋼架,鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第八步:(a)滯后部4 6m后開挖部;(b)噴8cm厚混凝土封閉掌子面。第九步:(a)滯后部4 6m后開挖部;(b)噴8cm厚混凝土封閉掌子面。第十步:(a)開挖部;(b)導(dǎo)坑底部初噴4cm厚混凝土, 安設(shè)型鋼鋼架使鋼架封閉成環(huán),

17、 復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第十一步:(a)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析, 待初期支護收斂后, 拆除18 臨時鋼架和臨時橫撐;(b)灌注(11)部邊墻基礎(chǔ)與仰拱及隧底填充混凝土。第十二步:利用襯砌模板臺車一次性澆注襯砌混凝土(12)(拱墻襯砌一次施工)。3.2.2.2雙層超前小導(dǎo)管施工在破碎松散巖體中超前鉆孔, 打入小導(dǎo)管并壓注具有膠凝性質(zhì)的漿液, 漿液在注漿壓力的作用下呈脈狀快速滲入破碎松散巖體中, 并將其中的空氣、水分排出, 使松散破碎體膠結(jié)、膠化, 形成具有一定強度和抗?jié)B阻水能力的固結(jié)體, 從而提高圍巖的整體性、抗?jié)B性和穩(wěn)定性;使超前小導(dǎo)管與固結(jié)體形成一個具有一定強度、一定厚度的殼體, 在殼體的保護

18、下進行開挖支護施工, 開挖進尺控制在1 1.5m范圍內(nèi)。3圖2雙層小導(dǎo)管布置及固定示意圖3.2.2.3施工效果 洞子崖隧道的施工證明, 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法配合其他的沉降控制措施的施工技術(shù), 可以順利的通過斷層破碎帶淺埋段, 并能夠有效地控制隧道洞內(nèi)周邊位移, 保證了工程質(zhì)量和施工安全。同時對在斷層破碎帶淺埋段隧道中施工的其他工程提供一定的借鑒意義。3.3 六盤山隧道局部富水破碎圍巖注漿治理工程3.3.1注漿堵水施工方法【4】 六盤山隧道圍巖級別為IV 級，裂隙較少，洞內(nèi)涌水主要以圍巖裂隙滲水為主，有少量風(fēng)化裂隙水，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)涌水部位比較集中，且涌水量相對較小，注漿堵水應(yīng)該兼顧功能性、可實施性、

19、經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性等原則，選用單液水泥注漿，注漿材料選用普通硅酸鹽水泥，水泥型號選用P·O42. 5，漿液水灰比為0. 8，采取小導(dǎo)管注漿，從下往上，間隔跳孔，先圈外后內(nèi)圈的順序進行，堵水流程如圖3所示。注漿段長不宜過長也不宜過短。太長容易塌孔、卡鉆，且注漿效果難以保證; 太短則會導(dǎo)致止水盤厚度與注漿段長之比增大，使鉆孔重疊過多而影響注漿效率。圖3 小導(dǎo)管注漿堵水流程3.4永連公路分水嶺隧道斷層破碎帶3.4.1溶洞處理方法5因溶洞處在隧道左墻腳, 且規(guī)模不大, 為保證施工質(zhì)量, 經(jīng)多方案比較, 確定采用C15片石混凝土回填。為保證施工安全, 施工采取了一定的保護措施,先用噴錨加固不穩(wěn)定地段, 搭好安全防護平臺, 防止落石傷人。3.4.2大變形段處理方法6因k2