隧道工程中穿越斷層破碎帶開挖施工技術(shù)的應(yīng)用探究

劉知仁

（湖南省有色地質(zhì)勘查局工程地質(zhì)總隊(duì)，長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

我國(guó)屬于多山國(guó)家，尤其是西部地區(qū)，山嶺重重，公路工程與鐵路工程建設(shè)過(guò)程中不可避免地需要穿越山嶺，但這些區(qū)域地形起伏較大，褶皺斷層較多，圍巖裂隙水豐富，軟弱圍巖及破碎地帶占比較大。斷層破碎帶是地質(zhì)構(gòu)造中比較常見的形態(tài)，其大小、規(guī)模不等，長(zhǎng)度從1 m以下到上千米不等，嚴(yán)重破壞了巖層的完整性與連續(xù)性，在這種特殊地質(zhì)條件下，如何確保隧道工程正常施工以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。隧道工程中穿越斷層破碎帶開挖施工，因地質(zhì)因素產(chǎn)生的問(wèn)題眾多，包括巖體失穩(wěn)、地質(zhì)災(zāi)害等，施工過(guò)程中一旦發(fā)生事故，輕則導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)周期延長(zhǎng)，項(xiàng)目成本增加，重則釀成安全事故，造成人員傷亡，而且事故處理難度較大。

2 工程概況

中條山隧道右線起點(diǎn)樁號(hào)為YK5+673.563～YK15+282，隧道入口段為曲線。此處曲線半徑為3000 m，出口也是曲線，此處曲線半徑為3600 m，正洞部分基本上是直線，長(zhǎng)為9609 m，隧道縱坡為1.92%；左線起點(diǎn)樁號(hào)為ZK5+672～ZK15+280.038，隧道入口段是曲線。曲線半徑為3400 m，出口也是曲線，曲線半徑為3290 m。中條山隧道的長(zhǎng)度為9609 m，該處的隧道縱坡1.92%。埋深方面，隧道最大深度為681 m，屬于深埋公路隧道。中條山隧道穿越的大部分巖層主要由頁(yè)巖構(gòu)成，風(fēng)化度較高，整體上處于破碎狀態(tài)，從力學(xué)層面來(lái)說(shuō)，完全不具備受力特性。該隧道橫穿中條山山脈，所處區(qū)域內(nèi)主要為剝蝕性巖層，走向多樣無(wú)規(guī)則，巖石節(jié)理豐富且明顯，尤其表層巖石風(fēng)化最為嚴(yán)重。斷層帶位于隧道K7+200附近，是山前大斷裂產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，斷層埋深超過(guò)80 m，跨度超過(guò)30 m，構(gòu)造裂隙水大致為1460 m3/d，屬于富水軟弱破碎帶。

3 隧道工程中穿越斷層破碎帶施工方案

隧道工程中穿越斷層破碎帶施工多采用三臺(tái)階法與CRD法（交叉中隔壁法），在本項(xiàng)目中僅在局部特定情況下可使用三臺(tái)階法，整體而言CRD法更符合本項(xiàng)目開挖施工要求，因此，擬采用CRD法進(jìn)行施工，其具體施工流程為：（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；（2）測(cè)量放線作業(yè)；（3）隧道左側(cè)以及右側(cè)上部超前支護(hù)；（4）隧道左側(cè)以及右側(cè)上部開挖、出渣、開挖施工初期的支護(hù)以及中隔壁施工，同時(shí)做好隧道圍巖測(cè)量監(jiān)控工作；（5）隧道左側(cè)以及右側(cè)中部開挖、出渣、開挖施工初期的支護(hù)以及中隔壁施工，同時(shí)做好隧道圍巖測(cè)量監(jiān)控工作；（6）隧道左側(cè)以及右側(cè)下部開挖出渣、開挖施工初期的支護(hù)以及中隔壁施工，同時(shí)做好隧道圍巖測(cè)量監(jiān)控工作；（7）拆除仰拱襯砌以及中隔壁；（8）仰拱填充作業(yè)以及二襯施工作業(yè)。

4 隧道工程中穿越斷層破碎帶開挖施工技術(shù)

4.1 注漿施工

4.1.1 注漿方法

根據(jù)中條山隧道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求以及地質(zhì)勘察報(bào)告，注漿方法擬采用全斷面周邊注漿法、局部注漿法以及全斷面帷幕注漿法3種注漿方法。注漿方案設(shè)計(jì)的基本原則是在斷層影響區(qū)域采用全斷面周邊注漿法，在灰?guī)r地帶以及斷面內(nèi)局部突水區(qū)域采用局部注漿法，在穿越斷層帶區(qū)域采用歐冠全斷面帷幕注漿法[1]。

4.1.2 注漿施工技術(shù)

關(guān)于注漿材料的選擇與確定，參照以往相關(guān)工程項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，水泥漿和水玻璃漿液的比例控制在1∶0.8～1∶1，水玻璃漿液濃度控制在657 g/L；水泥漿水灰比控制在0.8∶1。注漿施工流程為：（1）測(cè)量放線，確定并標(biāo)注各鉆孔位置；（2）鉆機(jī)就位并做好固定措施；（3）確定鉆機(jī)鉆進(jìn)方向；（4）鉆直徑為130 mm的鉆孔，深度為3 m；（5）安裝長(zhǎng)度為3 m，直徑為108 mm的孔口管；（6）采用前進(jìn)式分段注漿法進(jìn)行注漿施工；（7）檢查單孔注漿效果，若符合施工標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行下一孔注漿施工；若注漿效果不佳，則繼續(xù)注漿施工；（8）所有鉆孔注漿施工完成后檢查整體注漿效果，若符合施工標(biāo)準(zhǔn)，則注漿施工完成，若注漿效果不佳，則及時(shí)采取補(bǔ)救措施[2]。

注漿施工的目的是對(duì)圍巖進(jìn)行加固，提高洞身圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)控制用水量，從而確保隧道工程施工安全以及后期運(yùn)營(yíng)安全，在注漿施工過(guò)程中具體需要注意以下方面：（1）注漿施工前需要全面掌握灌漿量、泥漿填充率、泥漿率、泥漿膨脹半徑、泥漿凝結(jié)時(shí)間以及壓力等相關(guān)指標(biāo)[3]。（2）注漿施工前需要準(zhǔn)確測(cè)定泥漿材料凝結(jié)時(shí)間，若泥漿凝結(jié)時(shí)間不符合施工要求，一律不予采用。（3）施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備專用的水泥漿儲(chǔ)漿桶，先在攪拌桶中攪拌好水泥漿，然后加入儲(chǔ)漿桶，儲(chǔ)漿桶需要配備攪拌裝置，以免水泥漿凝結(jié)。（4）為避免水泥塊等雜物混入水泥漿導(dǎo)致攪拌桶管路堵塞，應(yīng)在攪拌桶出口與進(jìn)口位置加裝過(guò)濾網(wǎng)。（5）為保障注漿效果，水泥漿在攪拌桶中的攪拌時(shí)間應(yīng)不低于3 min，從制備水泥漿到注漿作業(yè)完成，整個(gè)過(guò)程不超過(guò)4 h[4]。（6）注漿作業(yè)按照由外向內(nèi)的順序進(jìn)行，對(duì)同一個(gè)加固圈的注漿作業(yè)應(yīng)分序進(jìn)行。

4.2 隧道開挖

隧道開挖施工過(guò)程中，為盡可能降低施工對(duì)圍巖的影響，最大限度地控制圍巖變形，在隧道穿越斷層破碎帶區(qū)域采用上部弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土三臺(tái)階法進(jìn)行開挖施工。其中，上部弧形導(dǎo)坑部分均采用人工開挖，開挖工具選擇風(fēng)鎬，施工過(guò)程中若遇到特殊情況，在確保施工安全的前提下可采用弱爆破輔助施工。核心土的長(zhǎng)度與上臺(tái)階保持一致，與拱頂開挖面的距離控制在1.5 m，拱腳到坡腳的距離控制在2.5 m。仰拱和中、下臺(tái)階選擇微震光面爆破法進(jìn)行開挖施工，施工過(guò)程中要注意嚴(yán)格控制裝藥量，確定炮眼以及炮眼深度，最大限度地降低爆破對(duì)圍巖造成的影響[5]，防止圍巖失穩(wěn)，循環(huán)進(jìn)尺控制在1.2 m以下。各部分開挖施工完成后，要及時(shí)噴射混凝土將掌子面封閉，混凝土厚度約控制在5 cm，然后聯(lián)合網(wǎng)噴、鋼架以及錨桿進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。拱架拱腳的下方需要墊槽鋼；上導(dǎo)坑的拱腳位置以及中下導(dǎo)坑的墻角位置需要設(shè)置鎖腳錨管；下臺(tái)階施工完成緊跟仰拱施工，按照4 m一段開挖，注意要及時(shí)施作仰拱混凝土，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)。上、中臺(tái)階挖掘施工完成后，利用挖掘機(jī)將渣土運(yùn)至下臺(tái)階，并在上導(dǎo)坑位置架立鋼架，挖掘機(jī)在中臺(tái)階位置聯(lián)合裝載機(jī)清運(yùn)渣土，渣土車負(fù)責(zé)將渣土運(yùn)輸至指定位置。

4.3 支護(hù)施工

本項(xiàng)目中，支護(hù)施工主要分為兩部分：（1）施工初期支護(hù)，主要包括噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架以及鎖腳錨桿。拱墻區(qū)域噴射C25混凝土，厚度約控制在28 cm；仰拱區(qū)域噴射C25混凝土，厚度約控制在28 cm。鋼筋網(wǎng)設(shè)置在拱墻位置，厚度要求在3 cm以上，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm。鋼架選擇格柵鋼架或者型鋼鋼架，間距控制在0.6～0.8 m。鎖腳錨桿的下插腳控制在45°，錨桿直徑為42 mm，長(zhǎng)度為4 m，位置在拱腳和墻角50 cm以上位置，雙排布置，共計(jì)24根錨桿，每個(gè)墻角和拱腳4根；（2）二次襯砌施工，主要包括拱墻、仰拱以及仰拱填充、踏步板。拱墻施工選擇C35混凝土，厚度控制在50 cm；仰拱施工選擇C35混凝土，厚度控制在60 cm。仰拱填充以及踏步板施工選擇C20混凝土，仰拱中心填充厚度控制在140 cm，踏步板在隧道兩側(cè)分段設(shè)置，每段長(zhǎng)度控制在2 m，縱向間距控制在25 m，內(nèi)部設(shè)置直徑為160 mm的過(guò)水孔。

4.4 超前小導(dǎo)管施工

本項(xiàng)目中，隧道洞口上方位置的巖層屬于弱風(fēng)化巖石，因此，該區(qū)域選擇機(jī)械開挖，施工順序按照自上而下進(jìn)行，分層高度約控制在2 m。清刷邊坡具體根據(jù)坡率確定處理方式，主要采用機(jī)械開挖作業(yè)，部分特殊區(qū)域采用人工開挖方式輔助施工，如坡面區(qū)域，否則會(huì)導(dǎo)致坡面區(qū)域的整體性與完整性遭到破壞，刷坡作業(yè)完成后進(jìn)行支護(hù)施工，選擇錨噴支護(hù)方式，按照從上到下的順序依次進(jìn)行。超前小導(dǎo)管具體施工工藝流程如下：（1）隧道開挖施工，封閉掌子面；（2）制作加工注漿管并做好質(zhì)量檢驗(yàn)工作；（3）鉆孔作業(yè)，安裝注漿管；（4）對(duì)孔口進(jìn)行密封處理；（5）開展管路連接試驗(yàn)；（6）檢修機(jī)具并準(zhǔn)備好注漿原材料；（7）注漿原材料試驗(yàn)以及制備水泥漿；（8）分段進(jìn)行注漿作業(yè)；（9）檢查注漿施工效果。

4.5 掌子面加固處理

在本項(xiàng)目中，隧道掌子面的正前方加固處理采用玻璃纖維注漿錨桿，這種方法相較于傳統(tǒng)注漿加固方法效果更好，掌子面穩(wěn)定性較好，可以充分保障施工安全，同時(shí)便于后續(xù)施工活動(dòng)開展。傳統(tǒng)注漿加固處理采用的是分部開挖的方式，而玻璃纖維注漿錨桿加固處理采用機(jī)械全斷面開挖的方式，不僅施工效率更高，而且加固效果更好[6]。

4.6 中空砂漿錨桿施工

中空砂漿錨桿施工流程如下：（1）制作加工錨桿；（2）施工前準(zhǔn)備工作，包括維護(hù)保養(yǎng)機(jī)械設(shè)備、準(zhǔn)備各項(xiàng)注漿材料，確保注漿設(shè)備到位；（3）測(cè)量放樣作業(yè)，確定錨桿孔位；（4）鉆機(jī)就位并做好固定措施；（5）確定鉆孔角度并定位鉆機(jī)；（6）錨桿鉆孔作業(yè)；（7）清理鉆孔，確保其中無(wú)雜物；（8）檢查錨孔，確保符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；（9）制作砂漿并充分?jǐn)嚢?；?0）注漿施工；（11）插入錨桿；（12）安裝墊板；（13）竣工驗(yàn)收。

4.7 預(yù)留變形量

隧道開挖施工過(guò)程中，在圍巖和隧道襯砌間采用阻尼器維持靜力作用下隧道襯砌的穩(wěn)定。鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)完成后，立刻開始混凝土噴射作業(yè)，注意噴射時(shí)噴頭與受噴面距離應(yīng)控制在60 cm以下。噴射角度根據(jù)作業(yè)面的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，確保鋼筋網(wǎng)的背面和混凝土緊密貼合[7]?；靥钏淼蓝错攨^(qū)域時(shí)，回填材料選擇碎土石，采用對(duì)稱回填的方式進(jìn)行回填，并在回填作業(yè)完成后逐層進(jìn)行夯實(shí)，回填高度根據(jù)隧道洞頂?shù)膶?shí)際情況可適當(dāng)調(diào)整，回填坡度視隧道洞頂具體情況而定。需要注意的是，用于回填的碎土石不能直接作為覆蓋層，而是應(yīng)在回填土石頂部再覆蓋1層厚度約50 cm層面的黏土，主要起到隔水作用，最后再在黏土層上部覆蓋施工區(qū)域的植被土，厚度約控制在30 cm。

4.8 隧道防排水施工

在本項(xiàng)目中，隧道防排水施工應(yīng)遵循“防、排、截、堵，因地制宜，綜合治理”的基本原則。隧道內(nèi)部沿長(zhǎng)度方向在兩側(cè)設(shè)置水溝，距離隧道出口500 m的位置設(shè)置排水溝，水溝形式為暗渠。在首次支護(hù)與二次支護(hù)間設(shè)置防水設(shè)施，防水板連接位置必須要和施工縫分離，距離不低于50 cm。施工縫的材料應(yīng)采用橡膠。變形縫和環(huán)向施工縫要合理配置，盡可能避開裂隙水與地下水較為豐富區(qū)域。進(jìn)行二次襯砌施工前，確定防水措施時(shí)應(yīng)充分考慮到隧道結(jié)構(gòu)本身的防水效果，選用的混凝土抗?jié)B等級(jí)應(yīng)不低于P8[8]?；炷凉嘧⑹┕r(shí)應(yīng)保持連續(xù)性，注意在底板、仰拱以及拱圈位置不能保留縱向施工縫。在墻角縱向以及拱墻環(huán)向應(yīng)設(shè)置盲管，從而和隧道內(nèi)部防水溝以及邊墻位置的進(jìn)水孔共同構(gòu)成一套排水系統(tǒng)。環(huán)向盲管要和縱向盲管相連接，邊墻位置的進(jìn)水孔要和縱向盲管相連接。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件的隧道工程開挖施工難度較大，影響工程施工正常推進(jìn)的因素較多，在施工過(guò)程中要合理設(shè)計(jì)施工方案，選擇合適的施工技術(shù)，以確保工程施工質(zhì)量與安全。