隧道破碎带塌方及变形处置技术

郭翊凌

（中交路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400）

1 断层破碎带描述

1.1 工程地质和水文地质

破碎岩体是由多种支系结构、擦痕镜面、断层泥等组成的断层碎岩。大量风化裂隙分布在近地表，无一定产状，属于短小密集的结构，呈现出参差不齐的形态，裂隙发育于断层带，断层带含水层较多时，会形成水源丰富的地下通道。

1.2 断裂构造与隧道塌方

断层为软弱结构面，断层破碎带岩体地下水含量较大，且岩体的强度不高，稳定性不强。如果开挖会造成严重的安全隐患，支护会在围岩压力下失去稳定性，压垮支护，掌子面与岩体会立即崩溃破碎，这时就会出现塌方或涌水等问题，会在很大程度上影响工程项目的建设安全[1]。

1.3 破碎带塌方原因分析

1）岩体会受到岩体节理、裂隙等影响成为危岩体，这些岩体的长期强度小于地层应力时，在岩体的变形下，隧道也会产生变形，进而出现塌方。

2）常见的地表水源有降雨或降雪等，岩体会受到地下水的软化、浸泡等影响，使其稳定性下降，并发生塌落。软硬相间或夹层薄弱的岩体受地下水的影响，强度下降，滑动概率也会大幅度增加，在地下水的长期影响下，会引起塌方。

3）由于地层构造产生的高地应力异常引起塌方。

4）含高岭土，含蒙脱石或伊利岩矿物，可使岩层膨胀性强，隧道施工时易出现塌方现象。

2 塌方处理原则

1）明晰原因：隧道塌方发生后，要组织相关人员进行调查和摸底；了解崩塌的规模、形态、部位、波及范围和塌方体岩性；地下水来源、水量、水压等情况。

2）加固后方：通常在发生大的崩塌时隧道内部被阻塞，初支部分受到损害，局部发生开裂和变形。为了避免垮塌范围继续扩大，要立即加固和监测垮塌对初支造成影响，以避免垮塌持续扩展。加固措施有：重新喷射混凝土，架设临时支撑，架设型钢拱架，径向注浆，径向锚杆等，必要时提早施做二次衬砌。

3）地面处理：发生洞口段塌方和浅埋段的通天塌方时，应立即对地面的塌方裂缝、排水系统进行处理：（1）塌坑回填封闭；（2）地面裂纹以粘土壤填满；（3）塌坑影响范围外施作截水沟；（4）地面布设沉降监测点；（5）必要时对地面进行加固处理。

4）稳定塌体：塌方体发生后，必须保持塌方体的暂时平衡，切不可急于清渣，不然会加速塌方体的扩张。要稳定塌体，必须将掌面封闭，采用小导管浅孔注浆，然后根据塌体的地质、水文状况对塌体进行加固，这样对塌体也有止水的作用。若涌水量较小，可采用网喷混凝土；若涌水量较大，则要采用砂袋+喷射混凝土；如果涌水量很大，应采取临时封闭混凝土的引排措施，并事先采取混凝土止浆墙等措施。

5）超前支护：超前支护和预加固坍塌体，这是应对坍塌的两个非常重要的辅助措施。超前支护，一般有两种形式：小导管和大管棚+小导管[2]。

6）先护后挖：对塌方进行处理，必须在超前支护下进行挖掘工作，开挖需采取“短进尺、强支护、快封闭、勤量测、速反馈、跟二衬”的原则，要求开挖需要符合要求，采取随挖随支的方式，工作面要谨慎向前推进。

3 通过断层带隧道的防坍塌技术

3.1 隧道穿断层防塌方工艺要点

1）断层的探查必须在开挖前完成，要对断层进行综合分析与评价。（1）了解断层范围，确定其宽度等相关参数。（2）明确断层的压性、张性等性质。（3）明确断层与隧道的位置关系，了解断层的倾角等数据。（4）定性断层的上、下盘，分析断层带的状态，判断是否有断层泥。（5）对是否存在漏水、高压水等问题进行分析。（6）判断是否存在崩塌情况。（7）分析浅埋段断层发生地表坍塌的可能性。

2）按照“先护后挖”的基本原则开挖，但压性断层（含水、挤压紧和有胶结）不能采取这种方法。

3）已探明情况的断层范围（含影响带），需要提前做好防坍塌措施，并提前进行开挖支护的转化，采取分部开挖法开挖断面。

4）断层在压力较大时偏压概率会增加，提升支护强度，支护体系必须具备较强的高度及大刚度承重。

5）采取“排”“堵”结合的原则对富水、涌水量大地段进行施工。

6）辅助坑道利用前，对断层进行探查，并对断层处理。

7）遵循“分部开挖、短进尺、强支护、早闭合、早衬砌”的施工原则。

8）监控量测的主要内容有拱顶下沉、周边收敛、钢支撑和锚杆受力量测等。

9）在分析断层时，要求能针对其变化情况做好准备工作，及时处理好各类断层问题。

3.2 隧道通过断层的防坍塌技术措施

在断层前后10～20 m采取断层防坍塌技术措施进行施工。

3.2.1 开挖方式

开挖手段要减少对围岩的扰动及钻爆法的应用，如必须使用可以通过弱爆破的方法进行开挖。还可以采用以下方式开挖：（1）人工开挖、风镐开挖；（2）机械开挖：反铲开挖；（3）预裂爆破或光面层爆破开挖。

3.2.2 开挖方法

1）台阶法开挖，上半环形开挖，对于断面大，高度较高的隧道，宜采用多台阶开挖。

2）开挖可以使用大断面CD法或CRD法开挖。

3）大断层的涌水量大，且宽度在80 m之上时，开挖可以采用的方法为上导坑超前方法，这种方法能确保良好的排水效果，同时能起到预先护顶的作用。在开挖时也可以使用迂回导坑方法，这种方法也能发挥其良好的效果。

3.2.3 禁用的施工方法

禁用的施工方法包括先拱后墙施工方法和全断面开挖方法。

3.2.4 超前预支护、预加固

1）超前预支护。小断层适用超前锚杆、超前注浆小导管，主要是由于小断层的自稳能力较强，且没有水，能对局部坍顶问题起到防控作用。

管棚法：一般采用短管棚，8～12 m。

2）超前预注浆，固结岩层。浅孔超前预注浆。浅孔超前预注浆用于弱富水～一般断层破碎带，主要是在开挖轮廓周边预注浆。全断面预注浆在掌子面不稳定时使用，注水为低压注浆。破碎带孔隙较大时，选注水泥砂浆，如注水泥砂浆发生困难，可采用双液注浆。

深孔超前预注浆。深孔超前预注浆，用于断层宽度大，富水～强富水，涌水，压力大的破碎、松散断层，对于涌水量大，压力高地段可以采用“堵”的相关措施。超前预注浆适用于掌子面尚有自稳能力，但尚未形成掌子面严重坍塌的断层带。对于全断面预注浆涌水量、涌水压力大，掌子面无自稳能力，严重坍塌的断层带，可采用深孔全断面预注浆。

3）掌子面锚杆加固断层带。对于特别松软的破碎岩体，全断面注浆后亦难于稳定掌子面的断层带，采用全断面注浆+掌子面锚杆加固的方法来稳定掌子面能达到可以开挖的程度。

3.2.5 支护措施

1）要使通过断层的支护强度高，刚度大，及时施作，早封闭，必要时可对上半断面利用临时仰拱先行封闭。

2）由于侧压力大，存在偏压的可能，可以采用临时仰拱或在拱脚、墙中加横撑的方法减少墙中弯矩和过大的变形，防止钢支撑失稳而造成坍方。

3）系统锚杆和局部锚杆长度要合理，要求能达到3 m以上，在松软破碎断层使用锚杆时，锚杆长度应达到6 m。成孔有困难时，可以采用自钻式锚杆，提升钻孔效率。

4）采用C30高强度混凝土或C30高强度钢纤维混凝土进行衬砌施工。

5）采用型钢支撑，要求工字钢规格高于I22，H型钢规格高于H200。

3.3 施工参数

3.3.1 开挖

1）分部开挖：循环进尺0.5～1.0 m，挖一榀支一榀，喷锚紧跟。

2）上导坑先进法：一般超前10～30 m；超前宜控制在100 m以内。断面2 m×2 m以内，支护方式为型钢支护，拱部是拱墙钢支撑的组成部分之一。

3.3.2 锚杆

1）系统锚杆和局部锚杆按照梅花形布置，系统锚杆型号为φ22 mm，局部锚杆采用φ25 mm，锚杆长度与间距分别为3.0～6.0 m、100 cm×100 cm。

2）自钻式系统锚杆为φ32 mm，长3.0～6.0 m。

3）锁脚锚杆为φ22 mm、φ25 mm，长度在6 m以上。

4）长于3 m的锚杆，用锚杆钻机打设或采用自钻式锚杆。

5）锚杆材质耐力12～18 t。

3.3.3 喷混凝土

1）高强混凝土C30，厚25 cm；强度3 h＞20 kgf/cm2（1 kgf/cm2=98.066 5 kPa）。

2）高强钢纤维混凝土C30，厚25 cm，强度3 h＞20 kgf/cm2。

3.3.4 钢支撑

1）工字钢：I20、I22，屈服强度＞2 400 kgf/cm2、抗拉强度＞4 000 kgf/cm2、支撑间距需为0.5～1.0 m。

2）H钢H200，材质要求同工字钢。支撑间距0.5～1.0 m。

3.3.5 辅助工法施工参数

1）超前注浆小导管施工参数选择：（1）小钢管、花管分别为φ32 mm、φ42 mm；在起拱线以上拱部布置，仰角为9°～10°，间距为35～40 cm；（2）注浆扩散半径0.5～0.8 m；（3）注浆材料：一般水泥或水泥水玻璃；（4）注浆压力0.3～1.0 MPa。

2）管棚。（1）采用φ89 mm钢管，内布置φ10 mm钢筋束，为增强水泥砂浆的强度与刚度，要分别注入钢管与钢筋束，管棚受到断层破碎带的影响，要求搭设长度不宜超过12 m，搭接长度为管棚长度的1/2，最小不少于3.5 m[3]；（2）钢管打设仰角5°～7°；（3）钢管间距40～45 cm；（4）覆盖范围：起拱线以上全部拱圈范围内。

3）断层破碎涌水带注浆加固设计考虑因素：（1）破碎层空隙率、渗透系数；（2）涌水压力、涌水量；（3）采用深孔与浅孔注浆效果的比较方案；（4）采用周边注浆与全断面注浆效果比较方案；（5）采用泄水孔或排水孔降低水压的可能性。

3.4 量测重点项目

1）掌子面观测。掌子面观测是最直观、最有效的方法，施工中，应做到每个循环都要进行观测、地质描述和记录，推测前方情况。

2）掌子面超前钻孔探查。风钻或凿岩台车液压钻机钻孔每钻进3～10 m，要了解开挖掌子面前方地层与涌水情况。

3）TSP探测。未接触大断层之前，可采用TSP探测，分析预报断层情况。

4）地质钻机超前钻孔探测。对于大断层，必要时采用地质钻机超前钻孔探测。

5）开挖支护量测。开挖支护量测包括拱顶下沉量测和水平收敛量测，必要时还需要做钢支撑应力和轴力量测。

4 结语

隧道破碎带的坍塌处置是非常复杂的工作，与隧道的施工安全息息相关，参建各方必须对其重要性进行足够的理解，严格遵守相关规定和要求，坚持宁强勿弱、稳中求快、稳扎稳打、步步为营、科学决策的基本原则进行施工，不冒险施工。