分析隧道斷層破碎條件下隧道開挖的支護方法

王少凡 張傳寶 程 宏 李東陽

(中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450000)

在我國鐵路和高等級公路這類國民經(jīng)濟的建設(shè)之中，經(jīng)常需要修建隧道，遇到一些斷層破碎條件下的項目工程時，修建隧道成為控制整個工程項目投資及工期的一個決定性因素。所以，研究及改進斷層破碎條件下隧道開挖的的支護方法，在隧道施工的指導(dǎo)、工程質(zhì)量的提升、施工進度的加快、工程費用的降低等各個方面都具有至關(guān)重要的意義。

1 隧道斷層破碎的工程地質(zhì)特點

軟弱破碎隧道巖石有兩個特點。強度較低；抗擾動能力差。在項目施工過程中，如果隧道支護方式不當(dāng)或施工錯誤等，容易造成掌子面坍塌甚至隧道崩塌。斷層破碎帶更是一個容易變形、透水性較大及抗水性能差的軟弱帶，斷層破碎帶與兩側(cè)巖體在力學(xué)特性上的差異，對施工挖掘相當(dāng)不利，經(jīng)常造成突發(fā)性安全事故，因此，依據(jù)隧道的工程特性合理選擇挖掘和支護方式是一項十分必要的工作，支護方式的選擇更是隧道施工的安全保障。

為防止斷層破碎軟弱帶巖石崩塌，保證施工時安全通過軟弱地層帶，穩(wěn)定好隧道掌子面和地表，選擇支護方式尤其重要。

2 隧道斷層開挖的施工方法(圖1)

項目施工的一大難題就是隧道掘進過程中遇到存在涌水、涌泥及大規(guī)模坍塌危險的斷層及破碎帶，為使隧道順利通過斷層破碎帶，最大程度上降低地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的風(fēng)險，在施工前應(yīng)做好地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)預(yù)報結(jié)果選用正確的施工方式。

圖1 隧道開挖方式示意圖

2.1 隧道施工前地質(zhì)預(yù)報

在施工前對前方地質(zhì)巖石進行探測有利于施工的順利進行，依據(jù)預(yù)報結(jié)果和地勘及其他材料對前方100m左右范圍內(nèi)的巖石進行地質(zhì)判斷。假如施工現(xiàn)場達不到預(yù)報所得出的施工條件，則必須采用地質(zhì)雷達探測前方25m范圍內(nèi)的巖石地質(zhì)，依據(jù)多種探測手段得出的結(jié)論對前方巖石進行裁定。

2.2 隧道注漿堵水加固

在項目施工過程中常會遇到大量涌水突水等情況發(fā)生，這時應(yīng)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果、地質(zhì)素描等資料綜合分析，查明掌子面前的地下水分布，采取“防、排、堵、引”相結(jié)合的措施。針對不同情況，采用全斷面帷幕灌漿、全斷面周邊灌漿、局部灌漿等方法，盡可能地封堵地下水，并通過隧道二次襯砌排水系統(tǒng)排出隧道外，確保隧道施工和結(jié)構(gòu)安全。

第一，全斷面幕墻灌漿，用于堵水。隧道穿過厚度較大(不小于30m)的軟塑性斷層破裂帶時，會形成一個大的喀斯特溶洞的軟塑性充填體。當(dāng)水量大于10m3時，應(yīng)采用全斷面帷幕灌漿堵水。注漿范圍為開挖輪廓之外的6m，長度為31m。灌漿段分為三環(huán)。第一環(huán)有22個注漿孔，深度為15m；第二環(huán)有22個注漿孔，深度為22m；第三環(huán)有61個灌漿孔，深度為31m，整個部分有105個注漿孔。

第二，通過在整個斷面周圍進行預(yù)灌漿來堵水。隧道穿過巖溶地層與非巖溶地層的界面，斷層破裂帶厚度較小(小于30m)，固溶裂縫，任何探測孔的流量均大于2m3，水量小于10m3時，應(yīng)在整段周圍灌漿以堵水。注漿范圍在開挖輪廓外6m，長度一般為31m，分為三環(huán)，第一環(huán)有22個注漿孔，孔深15m；第二環(huán)有22個注漿孔，孔深22m；第三環(huán)為50個灌漿孔，孔深31m，整個斷面94個孔。

第三，通過局部斷面注水堵水。當(dāng)通過石灰?guī)r區(qū)域并發(fā)生涌水或突水時，灌漿會阻塞水，注漿范圍在開挖輪廓之外6m，灌漿段的長度一般為31m，分為三環(huán)。 第一環(huán)有10個注漿孔，深度為15m；第二環(huán)有10個灌漿孔，深度為22m；第三環(huán)有14個灌漿孔，深度為31m，整個部分有34個孔。

第四，部分?jǐn)嗝媾潘?。如果開挖面只有1～2處涌水或是突水，流量不特別大時，應(yīng)用30m深的80mm鉆頭鉆成孔排水。先將涌水暫時排出，再與二次襯砌防水排水系統(tǒng)結(jié)合排出孔內(nèi)。

2.3 隧道開挖支護和二次襯砌施工

在隧道開挖施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照原則組織施工。管進，短管，弱爆破，強支護，勤測等。在初期支護完成之后，應(yīng)加強對倒面和第二襯砌面的階梯控制，并及時對其進行施工，合理安排第二襯砌封閉，盡快成環(huán)，以確保施工安全。在開挖過程中，施工方應(yīng)嚴(yán)格進行監(jiān)測測量工作，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在真實有效的數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，根據(jù)實際情況及時調(diào)整施工參數(shù)，避免結(jié)果突然改變。

3 隧道斷層破碎條件下的支護方式

洞身超前支護方式和超前小導(dǎo)管注漿加強支護是斷層施工經(jīng)常使用的方式。管棚超前支護技術(shù)作為隧道開挖的輔助方法，在預(yù)防隧道坍塌，抑制地層位移，控制地面沉降起到了重要作用。

3.1 地下項目工程超前支護技術(shù)

先期支護技術(shù)是指在隧道開挖前，通過對掌子面前層注漿、冷凍、鋼管、鋼板插入、錨固等措施，在隧道斷面上形成拱形連續(xù)體，加固開挖面前層，同時維持前層土體不變，減少地表沉降量的技術(shù)手段。結(jié)果表明，注漿可以提高其強度和變形模量，并從根本上改善圍巖變形規(guī)律。數(shù)據(jù)表明，注漿后砂巖的強度可以提高50%～70%，粉砂巖和泥質(zhì)巖的強度提高2～4倍，巖石強度的提高可以降低2/3～4/5。

工程實踐證明，超前支護系統(tǒng)能有效地限制地面沉降，使天然地層保持完全穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，先期支護對地面沉降具有30%～35%的抑制作用，對隧道頂上地層(拱頂)沉降具有40%的抑制作用。先期支護技術(shù)作為加固地層，穩(wěn)定拱掌面，減少地表沉降的一種輔助方法，已被廣泛應(yīng)用于地下工程施工中。

3.2 管棚灌漿支持

顧名思義，將一組鋼管沿開挖輪廓中鉆出的孔注入地下，并與鋼管拱結(jié)合形成強大的腳手架預(yù)支撐和加固系統(tǒng)，支撐來自管棚上部的荷載，通過鋼管的梅花形注漿孔加壓到地面，加固提高地面的穩(wěn)定性。管棚灌漿具有長距離，高剛度的特點。適用于不能自我穩(wěn)定，含水的地層，對控制地面沉降，防止?jié)B水，止水具有良好的效果。例如，管棚灌漿和小管補灌漿的結(jié)合可以防止管棚下面的三角形土體塌陷。

管棚支架的主要功能和優(yōu)點。(1)梁拱效應(yīng) 管棚以面和后支撐為支點，形成梁結(jié)構(gòu)，兩者形成圍繞隧道輪廓的殼結(jié)構(gòu)，可有效防止松動和圍巖倒塌。(2)加固效果 將注漿液通過管壁孔壓入圍巖裂縫，使疏松巖體膠結(jié)固結(jié)，增強自身支撐能力，達到增強鋼管周圍弱圍巖的目的。(3)環(huán)形槽效應(yīng) 管頂棚的致密環(huán)形槽反射，吸收或衍射了爆炸沖擊波的傳播和爆炸性氣體的擴散，大大減小了由其引起的圍巖的破壞程度和擾動范圍反向張力波。(4)保證施工安全 棚架支撐的剛度較大，若在施工過程中發(fā)生塌方，也會落在棚架上部的碎石上，起到緩沖作用，即使管棚不穩(wěn)定，損壞也會很緩慢。

管棚支架適用范圍：根據(jù)國內(nèi)外的實踐，結(jié)合管式支護在我國地下工程中的實際應(yīng)用情況，可以將管式支護應(yīng)用于軟砂土層，砂礫石層，膨脹軟流塑性層，硬土層，塑料粉質(zhì)黏土地層，裂隙巖體，泥石涌入段，斷層破碎帶，塌陷段，碎土樁段，淺埋偏心壓力等地質(zhì)和地下水條件豐富的地質(zhì)地下構(gòu)造施工支護以及開挖支護隧道出入口段，還用于城市的地下工程開挖的預(yù)支護等，可作為現(xiàn)有建筑物，公路，鐵路和地下結(jié)構(gòu)下隧道施工的輔助方法；它既可以用作隧道洞口段和大斷面隧道施工的輔助方法，又可以作為其他輔助方法，還經(jīng)常用于支撐淺而不合適的開挖斷面或淺層隧道以及隧道的施工。地面建筑物，靠近中型結(jié)構(gòu)的隧道或隧道，以及其他對沉降有特殊要求的項目。

4 結(jié) 語

先進的管棚注漿支護和小管注漿支護加上超前的支護技術(shù)可以固結(jié)斷層斷裂帶中松動的破碎巖體，從而改善巖層的力學(xué)性能，形成固結(jié)整體，提高固結(jié)整體性，更好在斷層破碎帶的支護施工過程中發(fā)揮高級支持的作用。管棚和小管道注漿以及超前支護技術(shù)措施是斷層破碎帶隧道建設(shè)工程中的靈魂技術(shù)，具有重要地位。結(jié)合先進的地質(zhì)預(yù)測技術(shù)及灌漿技術(shù)，采取合理的開挖方法，可以很好地抵抗地質(zhì)坍塌，保護施工人員安全，有利于我國國民經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展。