隧道掘進(jìn)斷層破碎帶施工方法及工程實(shí)例

1、隧道掘進(jìn)斷層破碎帶施工方法及工程實(shí)例-13級(jí)土木6班劉志明1308230231摘要：隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道這種通過(guò)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(jìn)的很大的問(wèn)題， 本文整理歸納了常見的斷層處 理技術(shù)并進(jìn)行了相關(guān)的工程實(shí)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(jìn)過(guò)程中非常重要的問(wèn)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(jiǎn)單分析了斷層破碎帶對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)國(guó)內(nèi)幾個(gè)不同的隧道斷層施工實(shí)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(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響研究結(jié)果顯示，斷層交會(huì)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(duì)圍巖穩(wěn)定性影響也很大。斷層交會(huì)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響最大，因?yàn)槠渑c單一式斷層相比，明顯擴(kuò)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(huì)復(fù)合為不同走向斷層相 交，所以其對(duì)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(guò)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(wèn)題。 TOC o 1-5 h z 在隧道掘進(jìn)的過(guò)程中要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)， 準(zhǔn)確定位斷層破碎帶的位置，提 前采取措施，解決或降

3、低斷層破碎段的不良影響。主要措施有：?通過(guò)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(hù)措施，加固圍巖；?采用短進(jìn)尺、短臺(tái)階的開挖方法，并預(yù)留變形量 ；?增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，并及時(shí)封閉成環(huán) ；?二次襯砌加強(qiáng)。在施工技術(shù)上，我們需要注意幾點(diǎn)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(gè)小導(dǎo)管采用的是每根4m的長(zhǎng)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(jìn)和滲入破碎巖體。為了防止?jié){液從其它的孔眼中溢出來(lái)，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(shí)要把孔眼之間相隔 開，不可以連續(xù)的注漿，

4、從而達(dá)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(guò)程中必須注意的關(guān)鍵技術(shù)，洞口開挖可以選擇機(jī)械施工，而對(duì)于洞身開挖可以選擇簡(jiǎn)易自拼裝臺(tái)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(duì)于隧道出磴，可以選 擇裝載機(jī)，配以自卸汽車，而二次襯砌混凝土澆筑選擇12米長(zhǎng)大模板臺(tái)車，混凝土集中在混凝土拌和站拌制，由混凝土運(yùn)輸車專門運(yùn)輸，并泵送入模。另外，對(duì)于邊側(cè)溝施工，可以選擇組合鋼模板。在隧道開挖時(shí)，由于需要考慮多方面的 因素，合理選擇適當(dāng)?shù)拈_挖方法，主要的開挖方法有以下幾種：第一，全斷面開挖法。這是指將整個(gè)隧道開挖斷面一次鉆孔、一次爆破成型、 一次初期

5、支護(hù)到位的隧道開挖法。全斷面法實(shí)用于1到3級(jí)硬巖地層和2級(jí)軟巖 地層。第二，臺(tái)階法施工。是將結(jié)構(gòu)斷面分成兩個(gè)或幾個(gè)部分具有上下斷面兩個(gè)工 作面或多個(gè)工作面，分布開挖。它的特點(diǎn)是靈活多變、適用性強(qiáng)，有足夠的作業(yè) 空間和較快的施工速度，能較早地使支護(hù)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(tái)階上下兩部分步開挖法；正臺(tái)階分 步開挖留核心土法，適用于較差的地層；中隔墻臺(tái)階法開挖，一般用于工作面地 層自穩(wěn)能力較差，上臺(tái)階開挖后拱腳支撐在未開挖巖體上的自穩(wěn)時(shí)間較短且開挖 斷面跨度較大時(shí)。第三，臺(tái)階開挖法。臺(tái)階開挖時(shí)要注意臺(tái)階長(zhǎng)度要適當(dāng)。要根據(jù)初期支護(hù)形 成閉合斷面的時(shí)間

6、要求，圍巖穩(wěn)定性愈差，閉合時(shí)間要求愈短，及上班斷面施工 時(shí)開挖、支護(hù)、出渣等機(jī)械設(shè)備所需的空間大小的要求來(lái)確定選用長(zhǎng)臺(tái)階、短臺(tái)階或是微臺(tái)階。還要注意解決好上下半斷面作業(yè)的相互干擾問(wèn)題，尤其是短臺(tái)階干擾較大，要注意作業(yè)組織，對(duì)于長(zhǎng)度較短的隧道，可將上半斷面貫通后，在進(jìn) 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(jìn)行超前加固。 一般采用人工開挖法、人工和機(jī)

7、械配合開挖法的等。第五，臺(tái)階七步法。跟臺(tái)階法相似，這是在洞身開挖時(shí)使用的，是指在隧道 開挖過(guò)程中，分七個(gè)開挖面，然后分部同時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體，縮短作業(yè)循環(huán) 時(shí)間，形成開挖及施作初期支護(hù)，混凝土仰拱緊跟下臺(tái)階及時(shí)施作構(gòu)成穩(wěn)固的初 期支護(hù)體系。3錨噴初期的支護(hù)在選擇系統(tǒng)錨桿時(shí)，必須選擇一定規(guī)格的，不論是縱向還是環(huán)向，其間距都 應(yīng)控制在100cm左右，采用梅花形布置，并對(duì)拱墻設(shè)置鋼格欄。4監(jiān)控量測(cè)在初期的支護(hù)完成后，對(duì)于隧道的拱頂、拱腳及周圍的邊墻的內(nèi)軌頂面要進(jìn) 行水平收斂量測(cè)和進(jìn)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(xì)地介紹兩個(gè)案例，其他

8、的僅就其不同點(diǎn)進(jìn)行分析?？恳紊剿淼拦こ坦こ谈艣r靠椅山隧道位于京珠高速公路粵北甘塘至翁源段，設(shè)計(jì)為分離式雙向六車道 隧道，隧道橫穿靠椅山東北段，右線長(zhǎng)2949m,設(shè)計(jì)最大開挖凈寬為17. 4m,最大開 挖高度12. 24m,最大開挖面積165. 45m2。為國(guó)內(nèi)跨度最大的公路隧道之一?？恳紊剿淼莱隹谟揖€YK147+ 230- YK147+ 156g設(shè)計(jì)中，隧道經(jīng)過(guò)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(guò)， 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

9、正斷層，其間夾強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)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(cè)，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。施工方案參考國(guó)內(nèi)外類似大E度隧道工程實(shí)例，針對(duì)靠椅山隧道斷裂破碎帶的特點(diǎn)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(tái)階、全斷面開 挖施工。上半斷面在支護(hù)環(huán)的保護(hù)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(hù)下，形成預(yù)先堵水加固圍巖，達(dá)到止水并在工作面周圍形成一個(gè)承載殼一一 地層自然拱。小導(dǎo)管超前支護(hù)預(yù)注漿 (1)超前小導(dǎo)管采用外徑42mm,壁厚3. 5mm熱扎無(wú)縫空心鋼管，鋼管前端呈 堅(jiān)錐狀(

10、尾部穿過(guò)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(zhǎng)3. 8m。(2)超前小導(dǎo)管的布置及參數(shù)：其尾部穿過(guò)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40cm,以14外傾角布設(shè)于拱部1500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(shí)間，結(jié)合巖體圍巖松散程 度與抗壓強(qiáng)度、工程成本、施工操作，以往驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，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(kuò)散半徑及圍巖的孔隙率確定。(4)止?jié){盤設(shè)計(jì)：在洞內(nèi)掌子面施作超前小導(dǎo)管的周圍1.5

11、m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(jī)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(jī)具為注漿泵(ZTGZ-60 /5卵雙液注漿泵)，立式灰漿攪拌機(jī)，孔口混合 器及其它設(shè)備(自制)，孔口管及注漿管。施工效果由量測(cè)結(jié)果知，圍巖在開挖后即產(chǎn)生變形，隨著掘進(jìn)的推進(jìn)，位移逐漸增大，在 整個(gè)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(hù)參數(shù)及時(shí)有效。洞子崖隧道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。

12、隧道為DK683 +062DK684 +385,全長(zhǎng)1323m,為雙線鐵路 隧道，全隧道位于直線地段，洞內(nèi)線路為5.4%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 +938DK684 +076K屬杜康溝斷層破碎帶，其中DK683 +938DK684 +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(gè)工作面由出口向進(jìn)口方向掘進(jìn)。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V級(jí)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

13、等現(xiàn)象。 施工時(shí)嚴(yán)格按照“新奧法”原理，遵循“管超前、弱爆破、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、強(qiáng) 支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、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(shí)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(shuō)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)。遜但單位：cm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(hù)；(b)弱爆破開挖部；(c)噴8cm厚混凝土封閉學(xué)子面；(d)施做部導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨 時(shí)支護(hù)，即初噴4cm厚混凝土，架立20b型鋼鋼架和18臨時(shí)鋼架，并設(shè)鎖腳錨 管;(e后坑底部噴1

14、8cm厚混凝土，施做部臨時(shí)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(jì)厚度。第二步:(a)在滯后部46m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(hù)和臨時(shí)支護(hù)，即初噴4cm厚混凝土，接 長(zhǎng)20b型鋼鋼架和18臨時(shí)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(shí)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(jì)厚度。第三步:在滯后部46m后，弱爆破開挖部并施做導(dǎo)坑周邊的初期支 護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，步驟及工序同第一步。第四步:在滯后部46m后，弱爆破開挖部并施做導(dǎo)坑周邊的初期支 護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，步驟及工序同第二步。第五步:(a)在

15、滯后部46m后，弱爆破開挖部；(b)施做部導(dǎo)坑周邊的 初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，即初噴4cm厚混凝土，接長(zhǎng)20b型鋼鋼架和18臨時(shí)鋼架;(c) 隧底周邊部分噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。第六步:在滯后部46m后，弱爆破開挖部并施做導(dǎo)坑周邊的初期支 護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，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(hù)；(b)開挖部；(c)噴 8cm厚混凝土封閉學(xué)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(jì)厚度。第八步:(a)滯后部46m后開挖部；(b)噴8cm厚混凝土封閉學(xué)子面。第九步:(a)滯后部46m后開挖部；(b)噴8cm厚混凝土封閉學(xué)子面。第十步:(a

16、)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)，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。第十一步:(a)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂后，拆除18臨時(shí)鋼架 和臨時(shí)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(tái)車一次性澆注襯砌混凝土(12)(拱墻襯砌一次施工)。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(qiáng)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(gè)

17、具有一 定強(qiáng)度、一定厚度的殼體，在殼體的保護(hù)下進(jìn)行開挖支護(hù)施工，開挖進(jìn)尺控制在 11.5m范圍內(nèi)。3圖2雙層小導(dǎo)管布置及固定示意圖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(guò)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(shí)對(duì)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。六盤山隧道局部富水破碎圍巖注漿治理工程注漿堵水施工方法六盤山隧道圍巖級(jí)別為IV級(jí)，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(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)涌水部位比較集中，且涌水量相對(duì)較小， 注漿堵水應(yīng)該兼顧功能性、可實(shí)施性、

18、經(jīng)濟(jì)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(hào)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(jìn) 行，堵水流程如圖3所示。注漿段長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)也不宜過(guò)短。 太長(zhǎng)容易塌孔、卡鉆, 且注漿效果難以保證；太短則會(huì)導(dǎo)致止水盤厚度與注漿段長(zhǎng)之比增大， 使鉆孔重疊過(guò)多而影響注漿效率圖3小導(dǎo)管注漿堵水流程永連公路分水嶺隧道斷層破碎帶溶洞處理方法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(hù)措施，先用 噴錨加固不穩(wěn)定地段，搭好安全防護(hù)平臺(tái)，防止落石傷人。大變形段處理方法6因k25 +200+230段初期支護(hù)變形破壞嚴(yán)重，并