隧道穿越断层破碎带设计与施工技术探讨

冉 海 军

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

隧道穿越断层破碎带设计与施工技术探讨

冉 海 军

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

以南广铁路北岭山隧道穿越葫芦田区域断层处理为例，结合其具体工程概况，探讨了隧道工程穿越断层破碎带设计、施工过程中的处理措施和方法，为类似工程设计和施工提供参考依据。

隧道，断层破碎带，预注浆，CRD工法

1 工程概况

南广铁路北岭山隧道位于肇庆市市区北部，穿北岭山、鸡笼山与鼎湖山；隧道起讫里程为D3K384+082～IDK396+520，全长12 438 m，最大埋深约750 m。全隧设2座斜井，1号斜井与正线相交于里程D3K388+100处，长1 395.5 m；2号斜井与正线相接于里程D3K392+300处，长1 059.4 m。

2 葫芦田断层揭示与确定

2.1 葫芦田断层揭示

北岭山隧道2号斜井进正洞大里程方向开挖至D3K392+813里程时，掌子面揭示岩性为泥夹碎石，且有股状涌水，见图1。

2.2 超前地质预测预报

为探明北岭山隧道2号斜井向出口方向D3K392+813掌子面前方地质情况，分别采用TSP、红外探水、超前水平超长钻孔等手段进行了超前探测，具体探测情况如下：

1)TSP探测情况。

TSP探测D3K392+813～D3K392+855段岩体破碎，岩质较软，节理裂隙发育，地下水发育；D3K392+855～D3K392+887.7段较破碎～破碎，岩质较硬，节理裂隙发育，地下水较发育。

2)红外探测情况。

红外探测显示D3K392+813～D3K392+843段岩体极破碎，地下水较发育。

3)超前探孔情况。

在D3K392+813掌子面共布设5个超前地质探孔(孔位布置及参数详见图2，表1)，设计总进尺400 m。

表1 探孔布置参数表

因掌子面前方为泥夹碎石，进行超前地质钻孔时出现塌孔、卡钻，无法钻进，为确保超前钻孔质量，主要采取以下措施：

a.对掌子面前方10 m范围进行预注浆，以加固和稳定掌子面；b.钻进过程中采用前进式注浆方式，每5 m一个段，边注浆边钻进。

根据钻孔揭示，D3K392+813～D3K392+862段为断层破碎带，断层破碎带内物质主要为断层泥及断层角砾，钻孔过程中有碎石、角砾冲出，并伴有黄泥流出，卡钻现象严重，钻进后塌孔，地下水发育，水质浑浊。D3K392+862～D3K392+893为断层影响带，地层岩性为石英砂岩，强风化，岩体较破碎，节理裂隙发育，泥质、岩屑充填，地下水较发育，有渗水。

2.3 葫芦田断层的确定

通过对TSP、红外探测、超前钻孔等预报手段成果资料的分析，进一步证明掌子面前方D3K392+813为一断层破碎带，破碎带内主要为断层泥及断层角砾，地下水发育。

掌子面D3K392+813出露的断层，其性质与产状与葫芦田断层较为吻合，同时设计单位对设计地质资料进行复查，确定D3K392+813前方为葫芦田断层。

3 主要设计措施

2011年2月20日，建设单位组织路内知名专家组成专家组，对设计、施工技术方案进行专家论证。根据超前地质预报资料和专家会意见，确定设计措施：

1)D3K392+813～+D3K392+853段采用Vc型复合式衬砌。

2)辅助施工措施：

a.对掌子面后方10 m(D3K392+803～D3K392+813)进行全环径向注浆补强加固；b.D3K392+813～D3K392+853采用全断面预注浆，加固圈6 m，保留5 m止浆岩盘；c.D3K392+813～D3K392+853在拱部180°范围内施作φ108×6 mm超前大管棚，环向间距30 cm。第一环长度15 m，搭接5 m，施作第一环超前大管棚管体适当向上倾斜，开挖过程中渐变挑高断面形成管棚工作室，再施作第二环超前水平大管棚，第二环长度30 m；d.在拱墙范围内打设φ50×3.5 mm超前小导管，小导管长5 m，拱部(180°)环向间距30 cm，边墙环向间距50 cm;e.开挖工法采用CRD工法，现场根据实际情况施作，仰拱及时封闭、二衬紧跟；f.在帷幕注浆前，掌子面拱部打3个超前钻孔，长度超过开挖轮廓线外6 m，以泄水降压；g.加强超前地质预测预报，开挖过程中采用加长炮孔，长短结合方式进行超前探测，开挖至D3K392+848，暂停开挖，施作3个超前水平钻孔，长度不小于50 m。

4 施工方案

4.1 掌子面应急处理措施

1)掌子面打设锚杆、铺挂钢筋网，喷射C25混凝土进行封闭，喷混凝土厚度不小于20 cm。在掌子面施作止浆墙(里程段：D3K392+815～D3K392+813)，厚度为2 m，采用C20混凝土，下部预留了3个泄水孔；2)对掌子面后方10 m即D3K392+803～D3K392+813段进行小导管径向注浆补强加固，纵向间距2.6 m，环向间距1.8 m，梅花形布置，加固圈3 m。

4.2 预注浆

北岭山隧道D3K392+813～D3K392+853采用预注浆，加固圈6 m。在帷幕注浆前，掌子面拱部打3个超前钻孔，长度超过开挖轮廓线外6 m，以泄水降压。

根据现场实际地质情况，隧道掌子面已不适合二次开挖成全断面施工，因此在上台阶施作止浆墙并进行预注浆施工。

4.2.1 设计参数

实验采用介质阻挡放电管作为系统负载进行了实验,其中,介质阻挡放电管实物图如图8所示,采用同轴圆筒电极结构。其中,控制系统大致包括电流电压温度等采集电路、信号调理电路、DSP28335最小系统、开关管驱动电路、故障报警与保护电路等。如图7 所示,首先设置输出电压为8 kV,检验电极长度5 cm,实验结果如图8～图10所示。最后将输出电压调至16 kV,检验电极长度5 cm时的电源稳定性及放电状态,实验结果如图11～图13所示。

注浆设计参数详见表2，图3，图4。

4.2.2 预注浆施工方法

1)施作止浆墙。

止浆墙采用C20素混凝土，施作位置紧挨掌子面，止浆墙厚度为2 m，在周边安装径向锚杆，以确保止浆墙的稳定。

止浆墙施工时，可在周边及拱部预埋注浆管，在正式注浆前，首先注浆填充空隙，以防止漏浆、跑浆。待止浆墙混凝土强度达到设计强度的75%以上时方可进行钻孔注浆施工。

2)安装孔口管。

注浆孔孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的热压无缝钢管，管长3 m，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。孔口管的安装可在施作止浆墙时预埋，也可在止浆墙混凝土强度达到要求后再钻孔埋设。

当掌子面水量大、水压高时，应设置带闸阀的孔口管，当出现大量涌水时，拔出机具，关闭孔口管上的闸阀，再进行注浆。在安装孔口管时，应严格控制其位置、角度和方向。

3)钻孔。

钻机可选用回转式、冲击式钻机等，钻孔机具应满足注浆段长的要求。注浆孔终孔直径应不小于91 mm。钻机安装应平整稳固，保证钻杆中心线与设计注浆孔中心线相吻合，在钻孔过程中要经常检查校正钻杆方向。注浆孔的孔底偏差应不大于孔深的1/40。

钻孔顺序应为由外圈向内圈，在同一圈内隔孔施工。在钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆扫孔后再行钻进。

在钻孔过程中应详细做好记录，主要内容有：孔号、进尺、起始时间、岩石裂隙发育情况、出现涌水位置、涌水量、涌水压力等。

表2 超前帷幕注浆参数表

4)注浆。

注浆前应检查选定的注浆材料、注浆机具，并应按照选定的施工配合比准确计量，严格按顺序加料，拌合后的浆液必须经筛网过滤后方可进入注浆机。注水泥浆时，宜采用单液注浆泵或泥浆泵，注双浆液时应采用双液注浆泵。在注浆前，应根据实际情况选用前进式注浆，注浆顺序为先外后内，同一圈孔间隔注浆。分段注浆时，应设置止浆塞，止浆塞可选用橡胶止浆塞，要能承受注浆终压的要求，也可采用孔口止浆的方式进行。

在注浆过程中应根据浆液的扩散情况、注浆量、注浆压力等参数调整注浆材料和配合比。在注浆过程中应做好施工记录，包括孔位、孔径、孔深、浆液配合比、注浆压力、注浆量、跑浆、串浆等。

5)注浆结束的标准。

a.单孔结束的标准：注浆压力逐步升高至设计终压，则继续注浆10 min以上；进浆量小于初始进浆量的1/4；检查孔涌水量小于0.2 L/min。

b.全段注浆结束标准：所有注浆孔均符合单孔结束条件，注浆后隧道涌水量小于1 m3/(d·m)。

在注浆完成后应在2环、3环中选取7个～13个孔作为检查孔，注浆结束后单孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，隧道开挖后容许渗水量应小于2.5 L/(min·m)，当注浆完毕未达到设计要求时，应进行补注浆。

全段注浆结束后，经检查确认浆液固结体达到设计规定的强度后方可进行隧道开挖。

4.3 超前大管棚施工

管棚(钢管、钢花管)采用直径108 mm、壁厚为6 mm的无缝钢管加工。钢花管应在管壁上钻孔，孔径为10 mm～16 mm，间距15 cm，梅花形布置，尾部留110 cm不钻孔作为止浆段，管棚前端10 cm应加工成尖状。钢花管管棚每节长5 m，钢管每节长4 m，以确保在同一截面的接头数不超过管数的50%为准，且相邻钢管的接头错开至少1 m。

管棚安装完成后进行注浆，浆液采用水灰比为1∶1(重量比)的水泥浆液。注浆时先对钢花管进行单液注浆，注浆压力取0.5 MPa～2.0 MPa，并根据实际情况调整注浆参数，注浆结束后采用M7.5水泥砂浆充填钢管。

注浆时先注钢花管，待钢花管注浆完成后再钻钢管孔位并安装钢管注浆，以便检查钢花管注浆质量。在注浆过程中应做好注浆记录，以便分析注浆效果。

4.4 超前小导管施工

超前小导管采用外径50 mm、壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管制成。小导管前端做成尖锥状长20 cm，尾部焊上φ6箍筋，距后端100 cm范围内不钻孔作为止浆段。剩余部分管身钻注浆孔，孔径10 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置。

小导管安装完成后进行注浆，浆液采用水灰比为0.5～1.0(重量比)的水泥砂浆。注浆压力为0.5 MPa～2.0 MPa，并根据实际情况调整注浆参数。注浆顺序为由下至上，浆液先稀后稠，注浆量先大后小，注浆压力由小到大。当出现有串孔和漏浆现象时，可采用间隔一段时间后再行补注的方式进行。为加快注浆速度、发挥设备效率，可采用群管注浆(每次3根～5根)。当压力达到设计注浆终压并稳定10 min～15 min，注浆量达到设计注浆量的80%以上时，可结束该孔注浆。在注浆过程中应做好注浆记录，以便分析注浆效果。

4.5 初期支护及开挖

该段初期支护进行加强，支护类型采用Vc, 初期支护采用Ⅰ22a型钢拱架，间距0.5 m/榀，全环设置；拱墙采用Φ8钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；喷射C25混凝土，厚度28 cm。二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚度55 cm。

开挖工法采用CRD工法，见图5。

各部开挖及支护自上而下进行，开挖采用人工开挖为主，弱爆破解除孤石，机械配合人工出渣，开挖后及时施作初期支护、中隔墙及临时仰拱，步步成环，每次开挖1榀钢架。

同一层左右两部开挖工作面相距不宜大于15 m，上、下层开挖工作面相距宜保持3 m～4 m，尽量缩短各部开挖工作面的间距，使初期支护尽早封闭成环，且等喷混凝土强度达到设计强度的75%后开挖相邻部位。根据监控量测结果，中隔墙及临时仰拱在仰拱浇筑前逐段拆除，每段拆除长度不大于15 m。

5 监控量测及实施效果

5.1 实施过程

2010年12月掌子面D3K392+813揭示断层，经过应急处理封闭掌子面，实施超前地质预测预报等，经多次现场讨论和专家会审，葫芦田断层处理方案得以通过。2011年2月正式实施，2011年3月完成第一环预注浆和管棚施工，并经打设验证孔，注浆效果良好，本月恢复正洞开挖，经过三个循环的预注浆和超前大管棚施工，严格按照上述施工方案于2011年5月底顺利通过葫芦田断层开挖至D3K392+893。

5.2 监控量测

针对葫芦田断层，采取的主要监控量测项目有洞内外观察、拱顶下沉及周边收敛。拱顶沉降值最大为55 mm，D3K392+833拱顶下沉情况如图6所示。

6 结语

1)根据葫芦田断层的揭示和确认过程，应在原设计断层前后一定范围内，断层两侧不少于100 m提高施工应急级别，采用与断层破碎带一样的超前地质预测预报方法；

2)断层破碎带及其影响带初期支护应采取加强措施，建议采用型钢拱架，拱架型号不小于Ⅰ20，每个拱架节点位置应设置4根锁脚锚管，并严格焊接和注浆工艺；

3)为避免出现突发涌水，每循环开挖过程中，必须进行加长炮孔探测；

4)断层破碎带处理，预注浆加固围岩是关键，按照制定好的工艺进行注浆，在过程中根据注浆效果及地质情况进行动态控制，必须达到注浆结束标准后，方可停止注浆。

[1] 龚成明.隧道穿越断层破碎带的安全施工技术[J].铁道工程学报，2012(5)：45- 48，100.

[2] 铁建设[2010]241号，高速铁路隧道工程施工技术指南[S].

[3] TB 10753-2010，高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].

Discussion on the design and construction technology of tunnels through the fault fracture zone

RAN Hai-jun

(ChinaRailwayTunnelGroupLimitedCompany,Luoyang471009,China)

Taking the Nanning-Guangzhou railway Beiling mountain through gourd fields regional fault treatment for example, combining with the specific engineering situation, discussed the treatment measures and methods of tunnel engineering hrough the fault fracture zone, construction process, provided reference for similar project design and construction.

tunnel, fault fracture zone, pre grouting, CRD method

1009-6825(2014)34-0174-03

2014-09-26

冉海军(1975- )，男，工程师

U455

A