李桂泉

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隧道富水斷層破碎帶初期支護技術(shù)案例分析

李桂泉

中鐵二十四局福建公司

沿海某高鐵隧道富水斷層破碎帶施工中,按照“管超前、嚴注漿、短開挖、弱爆破、強支護、快封閉、勤測量、速反饋”的施工原則，采用了超前小導管注漿支護、結(jié)合帷幕注漿封堵、鋼拱架加強支護,在高水壓、大水量、巖體極度破碎的條件下,施工安全和質(zhì)量得以保證。該文對設(shè)計參數(shù)的選取、注漿施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)的突破、注漿效果等方面做了較詳細的闡述，以供同行參考。

隧道 富水斷層破碎帶 超前小導管注漿支護

為解決長大隧道常遇富水斷層破碎帶的問題，我們采用超前小導管注漿支護、結(jié)合帷幕注漿封堵、鋼拱架加強支護等措施進行了治理，有效固結(jié)了斷層破碎帶，形成應(yīng)力圈，解決了隧道不良地質(zhì)引起的施工安全和質(zhì)量問題。

1 工程概括

沿海某高鐵隧道全長6852m。其中，Ⅱ級圍巖5769m，Ⅲ級圍巖833m，Ⅳ級圍巖125m，Ⅴ級圍巖125m。隧道主要地質(zhì)斷層構(gòu)造情況如下：

DK145+795～＋825段構(gòu)造節(jié)理密集帶，因巖體破碎，地下水相對較發(fā)育，水位埋深31.8m。根據(jù)抽水試驗成果，該段預(yù)計最大涌水量為1200 m3/d，屬大股狀涌水，洞室開挖時，可能出現(xiàn)局部射流現(xiàn)象。

DK146+100～DK147＋300段地表為剝蝕洼地，燕山期花崗巖和小溪組凝灰熔巖在本段接觸，巖體完整性較差，兩側(cè)山體的基巖裂隙水可以沿節(jié)理、裂隙等構(gòu)造面向此段匯集。根據(jù)抽水試驗成果，該段預(yù)計最大涌水量為2000 m3/d，屬大股狀涌水，洞室開挖時，可能在裂隙較發(fā)育區(qū)出現(xiàn)局部射流現(xiàn)象。

以上兩段斷層破碎帶的圍巖結(jié)構(gòu)松散,本身的支撐能力較差，又具有富水性，使圍巖的穩(wěn)定能力大大降低，若初期支護結(jié)構(gòu)施工不到位，容易產(chǎn)生突泥、突水、圍巖失穩(wěn)，嚴重威脅施工質(zhì)量和安全。

2 施工技術(shù)方案選擇

針對上述地質(zhì)斷層構(gòu)造情況，結(jié)合施工生產(chǎn)要素及施工生產(chǎn)能力，按照“管超前、嚴注漿、短開挖、弱爆破、強支護、快封閉、勤測量、速反饋”的施工原則，在采用帷幕注漿封堵、超前小導管注漿支護、鋼拱架加強支護、加強引排水等措施保護下，采用三部臺階法進行施工。

地質(zhì)預(yù)報方法：采用超前地質(zhì)鉆探等手段，提前了解開挖工作面前方地質(zhì)情況。

輔助工法：帷幕注漿封堵、超前小導管注漿支護、鋼拱架加強支護。

開挖方法：三部臺階法，掘進循環(huán)進尺控制在0.5m～1.0m。

支護方式：采用型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等多種支護手段，構(gòu)成強支護體系。

在開挖和支護過程中要重視加強監(jiān)控量測，根據(jù)支護的位移量測結(jié)果，評價支護的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時調(diào)整支護參數(shù)，確保施工安全。

襯砌施工：開挖后盡早施作仰拱，待圍巖和支護變形基本趨向穩(wěn)定后施作復(fù)合式襯砌，形成封閉襯砌。

3 斷層破碎帶初期支護施工技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

根據(jù)地質(zhì)資料分析，本隧道在斷層破碎帶地段采用TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報，輔以地質(zhì)素描、超前水平鉆孔。目的是超前探測地層巖性、斷層、軟弱層的位置、巖體完整程度、斷裂帶位置、寬度、破碎程度、富水性，為圍巖施工提供依據(jù)；提供施工掌子面前方地質(zhì)信息，進一步確定保證圍巖穩(wěn)定性的工程措施及合理的施工方法；為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，指導施工順利進行，確保施工安全。

TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報工作方法與內(nèi)容：利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。該系統(tǒng)是目前最先進的方式，準確率高，適用范圍廣，適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況，它的預(yù)報原理同負視速度法，只是接收頻率為10～8000Hz，預(yù)報長度為100～200m，不占用工作面，對隧道施工干擾小，TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)野外觀測見圖1。

圖1 TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)示意圖

隧道掘進時，根據(jù)地質(zhì)素描（圖）的內(nèi)容，作出開挖面前方較短距離內(nèi)的巖體穩(wěn)定性分析，通過綜合分析判斷，提出地質(zhì)預(yù)測報告。

3.2 帷幕注漿

當接近斷層破碎帶且水量較大可能發(fā)生突水地段時，為防止出現(xiàn)突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，有必要通過掌子面采用超前帷幕預(yù)注漿封堵圍巖裂隙，形成止水盤封堵地下水流。超前注漿每一循環(huán)形成注漿范圍為襯砌外3m，注漿材料采用水玻璃，注漿壓力1.5～2.0MPa其注漿長度根據(jù)具體情況確定為4m～5m，環(huán)向間距視現(xiàn)場實際情況確定（一般為1m～2m）。

3.3 超前小導管施工

超前小導管施工工藝原理是：在破碎松散巖體中超前鉆孔，打入小導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，形成具有一定強度和抗?jié)B阻水能力的以漿膠為骨架的固結(jié)體，從而提高圍巖的整體性、抗?jié)B性和穩(wěn)定性；使超前小導管與固結(jié)體形成一個具有一定強度的殼體，在殼體的保護下進行開挖支護施工。

3.3.1小導管及注漿設(shè)計

采用4m/根的?42mm小導管布設(shè)在拱部，外插角5°～7°，環(huán)向間距33cm，縱向環(huán)距2.5m，即每施作一排小導管，開挖支護2.5m；壓注1:1水泥漿液，采用525#普通硅酸鹽水泥，漿液中摻水泥用量3%～5%的40Be’水玻璃，以縮短漿液的膠化固結(jié)時間，控制漿液的擴散范圍。

3.3.2施工要點

3.3.2.1 小導管加工。將4m／根的?42mm小鋼管一端加工成尖錐形，距另一端100cm的位置開始至尖錐端之間按梅花型、間距為20cm布設(shè)?6mm的孔眼4排，以利于小導管推進和漿液滲入破碎巖體。

3.3.2.2 小導管安設(shè)。如巖體松軟，采用YT-28型風動鑿巖機直接推送，如遇夾有堅硬巖石處，先用YT-28型風動鑿巖機鉆眼成孔后再推進就位。在施作小導管前應(yīng)注意：第一，噴3～5cm厚混凝土封閉掌子面作為止?jié){墻，為注漿做好準備工作；第二，準確測量隧道中心線和高程，并按設(shè)計標出小導管的位置，誤差±15mm；第三，用線繩定出隧道中心面，隨時用鋼尺檢查鉆孔或推進小導管的方向，以控制外插角達到設(shè)計的標準；第四，施工順序為從兩側(cè)拱腰向拱頂進行，為提前注漿留好作業(yè)空間。

3.3.2.3 注漿。選用UB6型注漿泵注漿，采用漿液攪拌桶制漿，漿液采用單液水泥漿，水灰比1.0:1，施工時由試驗室選定，使用不低于32.5強度的水泥。為防止?jié){液從其他孔眼溢出，注漿前對所有孔眼安裝止?jié){塞，注漿順序從兩側(cè)拱腳向拱頂。由于巖體孔隙不均勻，考慮風鎬環(huán)形開挖的方便，同時要達到固結(jié)破碎松散巖體的目的，保證開挖輪廓線外環(huán)狀巖體的穩(wěn)定，形成有一定強度及密實度的殼體，特別是確保兩側(cè)拱腳的注漿密實度和承載力，采取注漿終壓(0.8～1.2MPa)和注漿量雙控注漿質(zhì)量，拱腳的注漿終壓高于拱腰至拱頂。通過現(xiàn)場試驗確定拱腳終壓為1.2MPa，拱腰范圍為1.0MPa，拱頂為0.8MPa。注漿時相鄰孔眼需間隔開，不能連續(xù)注漿，以確保固結(jié)效果，又達到控制注漿量的目的。小導管注漿見圖2。

圖2 小導管注漿施工示意圖

單孔注漿量和圍巖的孔隙率有關(guān)，可用下式估算:

Q=π·R2·L·n·β

式中: Q—單孔漿液注入量（m3）；R—漿液擴散半徑（m）；L—注漿段長度（m）；n—巖石空隙率，一般取0.1～0.3；β—漿液在巖石孔隙中的有效充填系數(shù)，一般為0.6～0.9。注漿壓力：為0.8～1.2MPa。

止?jié){盤：由于采用低壓加固注漿，止?jié){盤為5～10cm厚噴射混凝土封閉，防止?jié){液跑出。

小導管注漿布置見圖3。

圖3 超前小導管布置示意圖

3.4 開挖

為控制超欠挖及減少對圍巖的擾動，拱部弧形及邊墻周邊均采用風鎬分臺階開挖，核心土及中槽均采用挖掘機開挖，開挖進尺根據(jù)圍巖穩(wěn)定性確定為l～2根鋼格柵的間距，即0.5～1.0m，邊墻按鋼格柵的兩個單元分三個臺階施工，相鄰臺階相距2m，左右邊墻錯開2m。

3.5 錨噴初期支護

系統(tǒng)錨桿采用3m/根的WTD25型中空注漿錨桿，縱向、環(huán)向間距均為100cm，梅花型布置；拱墻設(shè)鋼格柵，間距50cm，鋼格柵每側(cè)拱腳設(shè)4m/根的WTD25型中空注漿鎖口錨桿，按梅花型布置在鋼格柵的兩側(cè)，環(huán)向間距50cm；掛?6雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為15cm×15cm，噴射混凝土厚25cm。

3.6 掛鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)片采用?8圓鋼，除銹處理后按設(shè)計加工成100cm ×200cm的網(wǎng)片；掛設(shè)時網(wǎng)片必須隨受噴面的起伏鋪設(shè)，與受噴面間留3cm作為保護層，網(wǎng)片與系統(tǒng)錨桿焊接牢固，確保噴射混凝土時不移動。

3.7 安設(shè)鋼格柵

鋼筋除銹后按設(shè)計要求分節(jié)加工成型，鋼格柵分節(jié)間通過鋼板用螺栓聯(lián)接。

鋼格柵嚴格按設(shè)計間距架立。為充分發(fā)揮鋼格柵的承載能力，首先要求鋼格柵必須垂直且與線路方向垂直；其次，架立拱部鋼格柵時，嚴格控制左、右拱腳標高，以防拱架偏斜，影響與邊墻鋼格柵架的圓順連接或侵入襯砌厚度。為方便拱部鋼格柵與邊墻鋼格柵的連接，在拱腳連接處鋪不小于20cm厚的粗砂或石屑。邊墻鋼格柵底部必須置于基巖上，以防下沉變形。

鋼拱架施工步驟：施工準備→檢查斷面→鋼架位置測量→鋼架就位→縱向連接筋焊接→噴砼固定。

3.8 監(jiān)控量測

初期支護完成后，在拱頂、拱腳及邊墻的內(nèi)軌頂面標高處埋設(shè)測點進行拱頂下沉和水平收斂量測。測試元件用?12圓鋼加工而成，每根元件長25cm，錨入初期支護體20cm，外露5cm，以防震動影響量測結(jié)果。水平收斂量測采用鐵科院武漢巖體力學研究所研制的收斂儀進行觀測，開始6h觀測1次，然后根據(jù)變形量的減小而減小量測頻率，即12h、24h、48h、72h、168h，根據(jù)量測結(jié)果及時調(diào)整工序及預(yù)留變形量、開挖進尺等，便于指導施工，確保施工安全。量測點每隔5m布設(shè)1組。

4 結(jié)束語

通過對隧道富水斷層破碎帶采取超前小導管注漿支護、結(jié)合帷幕注漿封堵、鋼拱架加強支護等措施進行了治理，有效固結(jié)了斷層破碎帶，解決了隧道圍巖不穩(wěn)定、坍塌的危險，并防止突水、突泥引起的地質(zhì)災(zāi)害，解決了隧道不良地質(zhì)引起施工安全和質(zhì)量問題，為工程工期和安全施工提供了保證。通過工程實踐，有以下幾點體會：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報是隧道圍巖施工的重要依據(jù)，對施工技術(shù)方案的選擇至關(guān)重要，特別是不良地質(zhì)地段。

（2）超前帷幕注漿對解決隧道富水地段因水引起的災(zāi)害有良好的效果。

（3）從施工效果可以看出，超前小導管支護的約束作用保持和加強了圍巖的自穩(wěn)能力。在開挖過程中，通過超前小導管的錨固力和小導管體所具有良好的抗拉、抗剪性能，增大了巖層結(jié)構(gòu)面的摩擦，加強了圍巖的穩(wěn)定，從而有效控制了層理間的滑動破壞，保證了施工安全，具有初期支護效果明顯、施工性好、安全性高的優(yōu)點，再配合相應(yīng)鋼拱架等支護措施，有效解決圍巖支護的穩(wěn)定和安全，確保隧道施工的質(zhì)量。

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[2] 杜永昌.高速與客運專線鐵路施工工藝手冊[M].北京: 科學技術(shù)文獻出版社, 2006(9)：981-984.

[3] 姜笠. 富水斷層帶隧道施工技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010, 8（15）：117-118.