断层影响带隧道坍方处理技术

刘海涛

(中铁二局三公司，四川成都610031)

1 工程概况

打锡山2#隧道位于贵广铁路贵阳到贺州段，地处贵定县昌明镇境内，全长2 066 m。为双线铁路隧道，列车的设计行车速度为250 Km/h，最大开挖尺寸为14.6 m。隧道自出口向进口掘进时，当隧道掘进至D3K79+033时，发现D3K79+033～+055段、D3K79+060～+110段拱部出现了开裂并使钢支撑发生变形，立即停止施工。次日，D3K79+033～D3K79+048的初支全部坍塌，掌子面不断向外涌出页岩泥浆，坍方体呈半流质状，拱顶初支开裂及局部喷射砼块剥落一直延伸到D3K79+065附近。坍塌段原设计为Ⅲ级复合式衬砌。

超前地质预报探明：坍塌处基岩以石英砂岩为主，夹砂岩、页岩，中厚层夹薄层状，总体软硬相间，岩层产状较平缓。区域性大断层鱼洞山正断层在线路左侧200 m附近与线路相伴而行，打锡山逆断层在线路右侧120 m外大致与线路平行，白岩逆断层与洞身相交。岩体受构造影响极严重，岩体较破碎，节理裂隙发育。加之岩层中夹软弱层、岩层产状较平缓、基岩裂隙水较发育，施工开挖极易发生坍方、掉块、剥落等现象，围岩稳定性差。根据TSP探测结果见表1。

表1 TSP探测结果

2 坍方处理

由于坍体流动性较大，因此在坍体稳定后，先对坍方体快速网喷砼封闭，并在坍体脚周边用砂袋码砌护脚。封堵完成后，对临近坍体的段落初期支付按掘进方向由外往里分段注浆进行加固，并对初支实施监测。当变形稳定后，将二次衬砌往前施作至初支暴露段不大于10 m。待封堵墙、初支及二衬砼达到设计强度后，在坍体上部拱部144°角的范围设置80 cm厚的钢筋砼封堵墙，沿封堵墙顶部初支外轮廓线以上40 cm处设置φ108的超前大管棚，并根据坍腔情况，自管棚内对前方围岩及坍体间隔性进行注浆加固或注入细石砼，固结掌子面前方坍落体及堵塞坍腔。当加固浆液超过7 d后，对前方掌子面采用CRD法进行开挖掘进，超前小导管设置在管棚之间，同时紧跟二次衬砌。

2.1 设置封堵墙

坍方体稳定后，在整个坍体表面自下而上快速喷射厚度为20 cm的C25砼封闭整个坍体，然后在坍体脚周围堆码2 m厚、3 m高的砂袋反压保护坍体，砂袋顶平面同时可作为实施管棚操作支架的平台；坍体封闭前，在坍体上预留间距为2 m2 m的φ42的钢管作为引排坍体内的水。在坍体上部拱部144°角的范围设置80 cm厚的砼封堵墙，便于对掌子面前方坍方进行注浆和泵送砼，同时作为管棚施工的导向墙。封堵墙采用C30混凝土，其基础嵌入坍体1 m，在封堵墙上预留20 cm×20 cm的观察窗口，用于观察坍腔内砼填塞情况。

2.2 临近坍方段初支加固

受坍方影响，临近掌子面初支有不同层度的变形，其中D3K79+060～+110段变形较少，D3K79+060～+048变形较大。具体处理如下：(1)在D3K79+060～+110段设置临时支撑，临时支撑采用Ⅰ20b工字钢，工字钢底垫方木(20 cm×20 cm)，从而增大接触面。在拱部开裂处辅以两根工字钢加强支撑，并用φ22钢筋纵向连接工字钢，临时支撑的工字钢纵向间距1 m，如图1所示。临时支撑施作完毕后，对该段周边衬支进行加固。在每榀钢架的拱脚和拱腰处施作锁脚锚杆，锁脚锚杆单根长3.5 m，每榀每侧4根，锁脚锚杆与钢架焊接牢固。在拱部144°范围内施作φ42的径向小导管注浆加固，单根长4.0 m，间距1.0 m×1.0 m梅花型布置，小导管注1∶1∶0.4(水泥∶砂∶水)的水泥砂浆，注浆压力0.6～1.5 MPa，根据现场注浆压力与吸浆量进行控制。(2)对D3K79+110～+048段变形及侵界的初支进行换拱及注浆加固。换拱时，上一榀处理完成后，再进行下一榀换拱加固，且分节分侧换拱加固。(3)进二次衬砌与仰拱施工。

图1 临时支撑示意

2.3 大管棚工作室施工

在掌子面D3K79+048处施作φ108的超前大管棚，管长30 m，贯通坍方段，并伸入未坍地段5 m。施作大管棚前首先对施作大管棚的工作室进行加固，具体如下：(1)开挖工作室。在原初支基础上由线路左侧逐渐向右侧推进每间隔1.5～2.5 m作为一个环向长度进行刻槽加密钢支撑，钢支撑安装时设置径向临时支撑。刻槽完成后，在槽内施作Ⅰ20的工字钢和径向注浆小导管进行工作室周边的加固(小导管单根长3.5 m，间距1.2×1.2 m,梅花布置)，并将小导管末端与工字钢焊接牢固，同时挂网(钢筋网格0.2 m×0.2 m)及喷射12 cm厚的混凝土进行防护，从而确保工作室的稳定性。(2)所开工作室的结构尺寸：工作室深度0.5～0.8 m，纵向长度为5 m。

2.4 施作大管棚

2.4.1 管棚钢管截面强度验算及刚度计算

2.4.1.1 坍方体土压力的确定

根据隧道坍方调查资料统计分析，目前隧道所采用的围岩竖向均布压力的计算式为：

q=0.45×26-sγω

式中：q为围岩竖向均布压力，kN/m2；γ为围岩重度，kN/m3；s为围岩级别，如属Ⅴ级，s=5；ω为宽度影响系数，ω=1+i(B-5),其中，B为隧道宽度，单位：m,i为以B=5 m为基准，B每增减1 m时的围岩压力增减率。当B<5 m，取i=0.2，B>5 m，取i=0.1。

坍方后，经过重新勘察设计，设计院将此处的围岩等级由原来设计的Ⅲ级变更为Ⅴ级Ⅱ型。按照变更后的Ⅴ级Ⅱ型，围岩重度取为18.5 kN/m3。围岩竖向均不压力为q=32.63 kN/m2。

2.4.1.2 作用在一根钢管长度范围内的线荷载

作用在一根钢管长度范围内的线荷载强度的计算式为：

P=q×t

式中：t为管棚钢管中心间距，考虑到钢管的打入角度等，采用t=40 cm。

计算得：P=32.63×0.4=13.05 kN/m

2.4.1.3 钢管应力计算

在超前长管棚支护下，隧道施工工序为：开挖→初喷→架设钢支架→挂钢筋网→复喷。随着开挖，长管棚支护逐渐形成若干段短跨的简支梁结构。隧道开挖后每榀钢架的间距为0.6 m，钢管的计算跨度L取为0.6 m；钢管断面积A=π(D2-d2)/4=22.8 cm2；钢管模量惯矩W=πD3[1-(d/D)4]/16=131.792 cm3；计算得最大弯曲M=PL2/8=4.7 kN·m；最大剪力R=PL/2=3.92 kN；钢管容许弯曲应力：[σ]=240 MPa；钢管容许剪应力[τ]=145 MPa

最大弯曲正应力计算公式为：σ=M/(γ×W)；最大剪应力计算公式为：τ=R/A。

本工程计算得：σmax=M/(γ×W)=31.0 MPa<[σ]=240 MPa

τmax=R/A=17.2 MPa<[τ]=145 MPa

可见设计的钢管强度满足要求

2.4.2 跟管钻进长管棚施工

根据对地质结构的分析与计算，可以得出拱部以上的整个断层影响带形成的土柱压力较大，达到32.63 kN/m2，且坍方岩体为粉细颗粒的松散体。受断层影响带的作用，松散体的范围较宽。因此，先成孔后送管棚，十分困难。松散体极易堵塞孔洞。针对此问题，我们采用跟管钻进的施工工艺。材料上采用较大强度和刚度的大口径(127 mm)钢管超前支护，即一次性跨过坍方体。同时为了增加φ127钢管连接处的强度，在施作完φ127的钢管以后，送入φ108的大管棚，在φ108的大管棚中再布置钢筋笼，以保证结构的强度与刚度，如图2所示。

图2 管棚布置图(单位：mm)

2.4.2.1 管棚的结构设计参数

管棚布设在拱部144°范围的外轮廓线以上40 cm处，共布设38根，单根长度为25 m。钢管中心间距40 cm，管内设钢筋笼，并灌注浆液。钢套管直径×壁厚=127 mm×6 mm，钢管套分节长度为1.5 m。两节套管间设置连接管套，连接管套长度为13 cm，采用6 cm的长丝扣与钢套管连接。内钢管直径×壁厚=φ108 mm×6 mm，单节长度6～7 m，两节之间采用坡口焊焊接。

2.4.2.2 钻机设备参数

本工程坍方处理采用“钻神”ZSL-40型锚固钻机，该转机电力驱动力头式钻机，可靠、轻便、性能稳定、使用寿命长，其结构可拆性好，搬迁、安装迅速方便，一次搬迁可完成多孔施工，并且可远离孔口操作。钻神ZSL-40型钻机的技术参数：钻孔直径90～130 mm，钻孔深度20～40 m，钻杆直径76 mm、89 mm，钻孔倾角度0°～90°，动力头额定输出扭拒1 700 N·m，动力头最大起拔力25 kN，动力头最大的进给力15 kN，总电动机功率10.75 kW，钻机重量550 kg，最大部件重量200 kg，主机外形尺寸3 200 mm×1 000 mm×1 200 mm。

2.4.2.3 钻进系统工作原理

钻进时钻机带动钻杆回钻，将回钻扭矩传给潜孔冲击器，当压缩空气从钻杆送入潜孔冲击器使之工作后，由潜孔冲击器通过花键带动冲击导正器转动。冲击导正器上有偏心轴，上面安装着偏心钻头，由于偏心轴上的摩擦力小于孔底围岩对偏心钻头的摩擦力。冲击导正器转动时，偏心钻头张开，并在开启到设计位置后被限位键限住，随着导正器回转，冲击器活塞冲击导正器将冲击波和钻压传递给偏心钻头，对孔底岩石进行破碎。由于偏心钻头钻出的孔径大于钢管套的外径，当导正器上的台肩与套管靴上的台肩接触时，导正器将钻压和冲击波部分施加给套管靴，再加上钻压的作用，迫使套管靴带动整个刚套管与钻具同步跟进，保护已钻孔段的孔壁。

当钻进作业告一段落，需将钻具后退时，慢速反转钻具，偏心钻头依靠惯性力和孔底摩擦力收缩返回，整套钻具的外径小于钢管套内径，即可将钻具退回到进行配接钻杆和钢管套的位置，钻具退至孔外，钢管套留在孔内。

2.4.2.4 施工流程

施工步骤如图3所示，具体步骤为：(1)组装钻具，安装第一根套管，如图3(a)；(2)推送钻具及钢套管至导向墙面后停钻，如图3(b)；(3)解开动力头后退，然后接杆连接动力头，开孔跟钻，如图3(c)；(4)继续跟管钻进，直至套管尾端距离导向墙30 cm，如图3(d)；(5)解开动力头后退，安装第二根钢套管，连接动力头，如图3(e)；(6)连接钢套管，如图3(f)；(7)继续跟管钻进，以下部序重复图3(d)～图3(f)所示步骤，直到钻入到设计长度，如图3(g)；(8)反钻钻具，卸除所有钻杆和钻具，如图3(h)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

钻进具体操作：(1)搭建钻机平台。钻机平台采用脚手架搭设，平台顶离拱顶2 m。考虑到在松散岩体内，长管棚施工，钻头易往下掉的情形。一般将管棚入射仰角垂直向上调到3°～5°，水平偏角置0。因此在搭设钻机平台时，必须要保证钻机的安设角度。(2)开孔。在架设好钻机、调整好孔位的水平偏角及仰角后，采用直径130 mm的合金钻头成孔，成孔2～3 m后，换用偏心钻头，进行钻进。(3)钻进。用直径130 mm的合金钻头成孔2～3 m后，换上偏心钻头。将第一节带有套管靴的钢套管套入钻具，使偏心钻头露出到套管外，检查扶正器、导正器、钻杆三者是否同轴，以避免在钻进中钢套管歪斜，导致发生孔斜或加不进钻杆和钢套管的现象出现。将钻杆连接在钻机的动力头上，反转并推送钻具进至距孔底50 cm处，开风后向孔内供风，继续发转钻具几转，使其慢慢下到孔底，听到冲击器冲击声后立即停止供风，此时正向回转钻具几转，使偏心钻头张开，然后退钻10～20 cm后送风，钻机加压时进入正常钻进作业。(4)加接钻杆和钢套管。当跟管钻进到钢套管尾端，距离临时导向墙孔口约30 cm时停钻，然后钻机反转退钻、卸杆，动力头后退至尾端加接钻杆或钢套管，此时应先拧紧钻杆，然后在拧紧连接套管。(5)退钻。冲击器后退10～20 cm后进行吹孔。吹孔的时间长短根据孔的深度而定，目的是将环状空间的岩屑吹出，防止停气时岩屑沉积卡钻。冲击器后退吹孔反转钻具1～2转，慢慢退钻，看能否退出1 m而无阻力。若退钻顺利，则说明偏心钻头已经进入套管。这时可关掉送风闸，按普通方法将钻杆退出。

2.5 注浆

为加固围岩，增强围岩的自身强度、承载能力、自稳能力，提高围岩的密实性和抗渗能力，减少地下水的渗透量，减轻初期支护喷射混凝土层承受的外荷载，需要对坍方段进行注浆处理。本工程坍方段先用C30细骨料砼从导向墙的观察窗口对较大的坍腔泵送堵塞，然后通过大管棚采用注入水泥砂浆充填坍体缝隙，当压力到2 MPa后，再注入水泥—水玻璃浆液。

2.5.1 注浆设备

本次注浆的主要施工设备包括：3SNS高压注浆泵2台，YJ-150型双层搅拌桶2台，ZJ-400型高速制浆机1台。

3SNS注浆泵由电机通过偏心轮带动柱塞往复运动，引起密闭的容积周期性改变，从形成腔的室内外压力差变化，以吸入和排出液流输送流体，实现能量转换。具有以下特点：(1)泵的流量是可调的，能满足注浆或钻探工艺的要求。(2)泵每运转周期流量波动值小。其单位时间总排量基本上是恒定的，排出压力的变化对其影响较小。(3)用调节螺母来限压，操作方便，并起保护作用。(4)泵在工况运转时，无外部运动件，以利安全生产。(5)各密封件均采用耐磨材料制成，使用寿命长。(6)装拆方便，体积小，重量轻，移动灵活。其主要技术参数：转速117 r/min，理论排量100 L/min，水泥浆压力10 MPa，砂浆压力8 MPa，水∶灰∶砂=0.5∶1∶1.2，进道口径64 mm，排道口径32 mm，功率18.5 kW，整机重量930 kg，外形尺寸1 800 mm×945 mm×705 mm。

YJ-150型双层搅拌桶的技术参数：公称容积150 L，搅拌转速51 r/min，出口直径38 mm功率1.5 kW，重量340 kg，外形尺寸1 900 mm×850 mm×850 mm。

ZJ-400型高速制浆机将水泥、膨润土等与水泥及其添加剂混合并快速制成浆液，该机采用涡流制浆与一般叶片搅拌机相比，具有制浆速度快，浆液搅拌均匀等特点。技术参数：容量400 L，制浆时间3 min，功率7.5 kW，重量450 kg，外形尺寸1 350 mm×50 mm×1 460 mm。

2.5.2 注浆控制

2.5.2.1 注浆扩散半径

在注浆过程中，浆液的扩散半径与岩石裂隙大小、浆液黏度、凝固时间、注浆速度和压力、压注量等因素有关。施工中对压力、浆液浓度和压入量等参数进行人为控制与调整。表2给出了水玻璃浆液在不同岩层中的有效扩散半径。本隧道坍方体以淤泥与粘土为主，因此将水玻璃的扩散半径定为0.5 m。

表2 水玻璃浆液在不同岩层中的有效扩散半径 m

2.5.2.2 注浆压力

注浆压力大小决定于涌水压力、裂隙大小和粗超度、浆液的性质和浓度、要求的扩散半径等。合理的注浆压力既能避免压力过高造成的不利影响，又能保证浆液的结石强度和不透水性，有利于形成良好的隔水帷幕。通常采用以静水压力为依据的经验公式确定注浆压力，即只考虑静水压力，而对其他因数均不考虑。根据本隧道的实际情况，首先采用注入水泥砂浆，用于填充坍腔等空洞，当注浆压力达到1.0 MPa左右，停止水泥砂浆的注入，改用水泥-水玻璃浆液，水泥-水玻璃浆液的注浆压力达到3.0 MPa，且吸浆量较小时，停止注浆。

注浆过程中，严格地选择与控制注浆压力，选用合适的浆液，适当的变换浆液配合比，是保证注浆质量的重要因素。针对本隧道岩层透水性大，难以很快达到规定压力值等情况，采用了分级升压法进行注浆。注入双液浆时，应当注意控制两种浆液的压力表值基本相等，防止其中一种浆液发生返浆的情况出现；并且保证两者的流量相等，从而保证施工配合比。

2.5.2.3 注浆结束控制

注浆量可根据扩散半径及岩层裂隙率进行粗略估算。注浆在达到设计压力(即终压)时的持续时间或进浆速度小于规定值时结束，即在注浆压力达到设计终压，或双液(水泥-水玻璃浆液)吸浆率为18～35 L/min，单液浆为7～20 L/min，可结束。在正常情况下，当注浆压力达到或接近设计终压时，注浆结束；当压力接近终压或达到终压的80 %时，如出现大的跑浆，经间歇注浆后达到或接近终压，也可结束注浆。

2.5.3 注浆效果检查

在注浆结束3 d后，进行探孔取样，进行注浆效果的检测。从而准确的判断出注浆效果，以便下一步更好的进行开挖。

2.6 开挖

注浆结束后，待浆液强度达到28 d后采用CRD法分步开挖。为了稳妥，在开挖前先通过超前钻孔探测前方浆体凝结情况，若在钻孔时退出的钻渣成粉末状，表明坍体内浆液凝固良好，可以进行开挖，反之，则应分析原因，考虑是否重新注浆或采用其他加固措施。开挖时，根据本隧道坍方实际，尽量先不扰动坍方时未被破坏的围岩，先CRD法人工开挖坍体一侧，开挖进尺不大于1 m，做到随挖随护，减少围岩暴露时间，局部地方岩石需要爆破时，先将需要爆破周边支撑好后，对需要爆破位置采取单孔浅眼起爆，装药量不超过 150g。开挖过程中全程跟踪监控量测，监测围岩变化动向，发现有异常，停止施工，拆离人员，分析原因。

3 结束语

通过上述对隧道坍方处理措施，顺利通过了隧道坍方地段。在断层影响带的坍方处理中，首先要探明前方地质围岩状况，再采取有效的加固措施。通过本工程的处理，可以看出，及时封闭坍方体，稳定坍方体后方的支护是基础，有效地施作长大管棚和保证注浆质量是关键，少扰动、强支护的开挖措施是手段，核心问题是要通过处理，提高围岩的自身稳定能力，从而顺利的通过坍方段。

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