隧道工程穿越断层破碎带施工技术

隧道工程穿越断层破碎带施工技术

帅兴

湖南路桥建设集团有限责任公司 湖南长沙 410004

摘要：断层破碎带对隧道工程的施工有巨大影响。研究与实践证明，在断层破碎带施工，更容易出现涌水、冒顶、塌方等事故，有时还会引起山体滑动，给工程的使用埋下隐患。基于此，文章对隧道工程穿越断层破碎带的施工技术和质量保证措施进行探讨，以此来保证施工的质量。

关键词：高速公路；隧道施工；断层破碎带；施工技术

断层（断裂）及其破碎带是隧道工程施工中遇到的最常见、最为复杂的不良地质体之一，在断层（断裂）及其破碎带中，发生的隧道洞内工程地质问题极为复杂也极为严重，其中不仅包括有断层（断裂）破碎带围岩的失稳坍方、涌水问题，还包括断层带上盘侧过饱水断层及、破碎岩夹黏土坍塌涌泥，以及构造岩失稳坍方和变形问题,严重地威胁隧道的施工和隧道施工人员的人身安全。

1施工工艺流程

高速公路隧道穿越断层破碎带的施工具有一定难度，施工期间容易出现涌水、坍方等事故，因此在施工时必须结合地质勘查资料，根据断层破碎带具体的特征特点制定施工方案，采用针对性措施对断层破碎带进行处理。隧道施工穿越断层时严格按隧道穿越断层施工组织流程施工，穿越断层施工工艺流程见图1。

图1断层破碎带施工工艺流程

2断层破碎带关键施工技术

2.1超前地质预报

施工中，要开展超前地质预报工作，通过超前地质预报对断层破碎带的位置、宽度及岩层发育情况等加以确定，然后提前采取支护、加固等措施，将断层破碎带对隧道施工及公路工程的影响降到最低。在穿越断层断裂带的过程中，要根据隧道的具体地址环境做好测量，掌握地质环境的特点，包括方位、分布方向、轴线方向等。山脉。要全面了解植被分布情况，确定围岩分布水平和地下水含量。在获得足够的数据和信息后，施工人员可以了解并根据实测数据和信息制定施工方案。可以保证施工方案的合理性和施工人员的安全。

2.2隧道开挖技术

公路隧道穿越断层破碎带施工中，必须重视隧道开挖环节。由于断层破碎带整体的稳定性较低，所以在开挖时要采用科学合理的开挖方法，且开挖过程要做到小心谨慎，开挖全程做好安全防护与质量管理。开挖时，对洞口部分可采用机械进行挖开，洞身部分，可选择简易自拼台车钻眼，配以多段毫秒雷管并在周边眼选择专用导爆管，以获得更好的光面爆破效果。隧道出碴，可根据实际情况合理选用自卸汽车、装载机械等进行。

由于断层破碎带的施工比较特殊，所以在施工时要根据工程实际情况多次评审隧道开挖方案与工艺，选出最合适的隧道开挖技术。目前有以下几种开挖技术常被用于隧道工程：全断面开挖法、台阶开挖法、侧壁导坑法及台阶七步法。

应用全断面开挖法时，是将整个隧道开挖断面一次钻孔、一次爆破成型、一次初期支护到位。全断面开挖法适用于1~3级硬岩地层和2级软岩地层。

应用台阶法施工时，先结合工程实际情况将结构断面划分成两个或多个工作面，然后分面开挖，分面施工。台阶法在实际工程中比较灵活方便，且施工速度快，有利于提高高速公路隧道施工进度，在提高进度的同时也保证隧道结构的稳定性，降低沉降事故发生概率，降低断层破碎带对隧道工程的影响。台阶法按照具体的施工方法又分为正台阶上下两部分步开挖法。当通过勘查确定工程所在地外部条件较差，地质环境比较复杂时，建议选用正台阶分步开挖留核心土法。若工作面地层自稳能力较差，就可采用中隔墙台阶法开挖隧道。在应用台阶开挖法时需注意：结合工程实况与设计图纸控制台阶长度，台阶过长会加大施工难度。采取措施解决上下半断面作业相互干扰问题，调整作业顺序或完善作业组织，以保证各项施工活动的顺利进行。如果隧道长度较短，就可先贯通上半断面，然后再开挖下半断面。

2.3超前支护技术

2.3.1工艺选定

超前支护，是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的辅助措施的一种，超前支护的方式主要有管棚、小导管、水平旋喷桩等几种。在将超前支护技术应用于高速公路隧道工程时，需先根据工程勘察资料、调查文件、工程合同等将超前支护工艺确定下来，然后再开展后续施工。具体如当高速公路隧道为复合式衬砌设计时，就可按照新奥法原则组织施工，实施掘进（钻、爆、装、运）、支护（拌、运、、锚、喷）、衬砌（拌、运、灌、捣）三条机械化作业线。施工时，引进信息化技术对整个施工过程进行管理，综合采用超前钻孔、地质调查、全程抵制素描及TSP203预测预报系统对工程地质情况进行勘察分析，掌握工程岩土特质、地下水信息、工程围岩变形情况等，为后续施工打好基础。

2.3.2超前大管棚支护施工

大管棚施工主要采用地质钻机成孔，人工配合机械全套管跟进，随打随注浆的施工工艺。施工时，超前大管棚用于隧道主线进洞段，配合系统锚杆注浆形成S3-Ⅴd型复合式衬砌支护。超前大管棚支护施工顺序如下：

①钻孔。钻孔时采用专业地质钻。为保证整体的施工质量，在钻孔时需做好准备工作。如按照设计图对钻孔角度与方向加以确定，确保一切无误后再行钻进。钻进的过程中，时刻观察钻杆角度，防止倾斜，使用测斜仪进行测量，确保钻孔质量。

②下管。下管前同样需做好各项准备工作，包括钢管编号，钻孔配管等。做好准备工作后开始下管，下管要快、要准，钢管必须送到孔底。

③注浆。注浆时，重点控制好各原材料的配合比例，确保材料质量达标。注浆过程中，对注浆压力、注浆速度等进行检查控制。注浆时，最好是在注浆现先进行注浆试验，通过试验确定好注浆参数。注浆过程中时刻观察，防止出现漏浆现象。在实际注浆量达到设计注浆量后，结束注浆。

2.3.3双层超前小导管支护

工程双排超前小导管施工主要采用钻孔顶入法，随打随注浆的施工工艺。

①钻孔并安设小导管。钻孔前先完成测量与放样工作，并根据设计图纸确定钻孔位置与数量，做好标记，为后续施工提供便利。安设小导管时，要保证钢管直径小于钻孔直径，这样钢管才能顺利地穿入孔洞。安设时，将钢管穿过钢架，用锤击或钻孔顶入，顶入长度保持为钢管长度的90%以上，然后用高压风将管内砂石吹出。内外双排小导管打设均确保各自前后两个循环的小导管搭接的水平投影长度不小于100cm。完成以上工序后，将孔口与周围裂隙用塑胶泥封堵，如果有必要，还可用混凝土对小导管周围进行封堵，确保整个结构的坚固稳定。

②注浆。注浆前先做好准备工作，安排工作人员详细检查注浆机具，及时发现问题并进行调整，防止在正式施工时出现任何问题。注浆前配制好浆液，控制好各原材料的添加比例；注浆过程中控制好注浆压力与注浆参数，并对最终的注浆量进行测算，实际注浆量应与设计值相符。注浆过程中时刻注意是否出现漏浆现象，如果无有漏浆现象且注浆量达到设计注浆量，可结束注浆。注浆过程中，如果各方面条件都允许，就可使用群管注浆法，来提升注浆速度。使用群管注浆法时，注浆顺序为由上到下，由内到外，用2台注浆泵与相应管路配合进行。

在注浆环节，应选择型号参数符合要求的注浆泵，优化注浆配比，水泥-水玻璃双液浆配比是1:0.5；在浆液中加入一定量的活性添加剂，仔细检查注浆管道连接情况，现场注浆试验，确定合理的注浆参数，避免后期出现漏浆和堵塞情况。为了提升注浆效果，浆液黏度、流动度等参数应满足设计要求。此外，水泥注浆加固拱设置期间，需严格控制好加固拱的强度、厚度等参数，增强围岩结构承载力。在确定钢架间距、搭接长度参数后，做好安全防护工作，预留搭接长度为1.3m。

注浆材料选择，结合断层地质条件和施工要求，选择性能和质量符合要求的注浆材料，见表1。

表1 注浆材料性能参数

注浆作业阶段，隧道开挖后及时进行初期喷射，结合断层破碎带实际情况进行质量控制，但由于结构裂隙发育和孔隙大的特点，具有较强渗透性，因此超前预注浆难度大幅度提升。对此，注浆施工中，要选择型号规格合理的注浆泵，依据实际情况分次注浆作业，提升作业效果。初次注浆时，适当降低水灰比，控制注浆压力在0.5~1.2MPa范围内，一旦发现邻近孔眼冒浆时要及时停止注浆。静置5h后，在1.2~2.0MPa压力下二次注浆，直到注浆量达到2L/min后即可停止注浆。如果注浆量不符合压力要求，调整浆液浓度，持续注浆直到浆液符合质量要求，浆液和围岩终凝后形成结构稳定的帷幕才可以停止注浆。

注浆期间配备专人负责监督，记录注浆时间、注浆压力、注浆耗量等参数，监控连通装置运行情况，防止出现压力激增等异常情况。

2.4堵水排水

在隧道穿越断层破碎带施工时，也不可忽视堵水排水作业的开展，其是施工中一项关键的工序。在具体的作业过程中，应遵循堵水排水结合、以排水为主的原则施工，首先在涌水量达到10m³/h时，需要采用局部注浆堵水及全断面超前预注浆的方式进行堵水，采用的是10m左右的前进式小分段超前注浆，注水浆液为水玻璃注水泥双液浆。在完成注浆作业后，由于部分地下水会堵至开挖面之外，因此可有效降低项目施工时出水量，有利于后续支护施工及开挖作业等顺利进行，也有利于抽水作业能快速完成。而抽水工艺需要根据项目抽水距离及排水要求来确定，并根据可能会发生的情况及问题设置相应的抽水应急管道。另外需要配置足够备用的抽水机器设备，也要配备专业的人员进行设备的维护检修，及时维修更换破坏的设备，保证抽水设备能够正常工作，从而保证抽水作业的可靠性和连续性。

3施工质量控制措施

①隧道开挖施工前做好测量放线工作。根据现场总平面布置及测绘院提供的测量基准点，将施工区域的平面控制网建立起来，一共建立三级控制网，三级控制网按整体控制局部，高精度控制低精度的原则布置与工作。在进行灌注桩施工之前，运用全站仪精准测量出桩位中心点，并做好标识。隧道开挖施工中，对比较危险的或特殊的部位，组织人员人工开挖，严格控制开挖深度，每次进尺不能超过1m。开挖时采用边开挖边加固的方法，开挖过去后就及时浇筑浇筑15cm厚的C20砼护壁。开挖到发现碎块状强风化花岗岩时，改人工开挖为机械钻进。

②隧道支护施工中，需按照测放孔位，间隔破除格栅喷射混凝土，一次破除孔位不得超过10个。破除混凝土遇到拱架时可略微调整孔位。施工过程中，使用靠尺对钢管的垂直度进行检测调整，确保钢管管身顺直。在注浆工序中，按照设计参数对注浆压力、注浆速度、注浆量等进行监测与控制，确保实际的注浆终压与设计压力相符。注浆过程中应保持压力稳定，浆液的渗透范围在合理范围内。注浆过程中加强对隧道结构及地面建筑物、地下建筑物等的观测，及时发现构筑物倾斜、变形等异常现象并调整注浆工艺。具体如调整注浆压力，改变注浆方法，使用间隙注浆，对注浆材料进行调整，将浆液凝胶时间缩短等，通过这些措施确保施工安全。注浆过程中密切观察是否出现出现串浆现象，一旦发现有串浆现象，就立即使用多台注浆机堵塞注浆孔，防止串浆问题更加严重。注浆顺序需合理，注浆时可先从外围进行，逐渐向中间注浆。注浆时把握场地内地下水流动方向，避免浆液大量流失。处理时先对地下水下流岩溶地段进行处理，之后再处理上游地点，这样能获得更好的处理效果。压力注浆过程中，对浆液的配比进行控制与优化，对注浆压力做合理调整，以免压力过大造成冲击力过大，导致浆液与骨料大量流出加固范围，造成不必要的损失。

③施工期间做好施工监测。施工过程中做好结构的沉降位移监测，当发现监测指标超过预警值时，及时向甲方和设计院汇报。土方开挖的同时，加强对基坑支撑体系水平位移、坑底回弹和隆起量、支撑体系裂缝变形、支护桩移位的监测，同时注意岩体的实时监测与保护，确保周边环境的稳定与安全。开展监测工作时可采用地质雷达进行探测，并根据探测结果制定相应保护措施。

4结语

综上所述，在断层破碎带施工时，需注意防范由复杂环境引起的涌水、塌方等问题，要采用科学先进的施工技术保障隧道施工安全与施工质量。在断层破碎带施工，最关键的是选好隧道开挖技术与支护技术，并在施工过程中做好工艺控制与施工要素管理，确保工程施工质量达标。

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