公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶開挖施工技術(shù)

摘 要：隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道工程在穿越復(fù)雜地質(zhì)條件時面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中全風(fēng)化斷層破碎帶的開挖施工尤為關(guān)鍵。這類地質(zhì)條件因其高度的破碎性、不穩(wěn)定性和低承載力，給隧道施工帶來了極大的安全風(fēng)險和技術(shù)難題。因此，探索并優(yōu)化公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶的開挖施工技術(shù)，對于保障施工安全、提高施工效率、控制工程成本具有重要意義。本文旨在詳細探討公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶的開挖施工技術(shù)，從超前支護、開挖方法、注漿加固及施工監(jiān)測等方面進行詳細分析，并提出具體的技術(shù)措施，以確保施工安全與施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：公路隧道 全風(fēng)化 斷層破碎帶 隧道施工

0 引言

公路隧道作為交通建設(shè)的重要組成部分，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到交通網(wǎng)絡(luò)的安全與順暢。然而，在隧道施工過程中，特別是遇到全風(fēng)化斷層破碎帶時，由于巖體破碎、自穩(wěn)能力差、易風(fēng)化及易含水等特點，常常導(dǎo)致塌方、涌水等安全事故，嚴重影響施工進度與人員安全。因此，深入研究全風(fēng)化斷層破碎帶的開挖施工技術(shù)，對于提高隧道施工的安全性與質(zhì)量具有重要意義。

1 全風(fēng)化斷層破碎帶的地質(zhì)特性

1.1 斷層與破碎帶的形成

斷層是地殼內(nèi)部巖石在受到長期而強烈的構(gòu)造應(yīng)力作用下，發(fā)生破裂并沿破裂面有顯著位移的構(gòu)造現(xiàn)象。應(yīng)力通常源自板塊運動、地殼擠壓或拉伸等地質(zhì)過程。當(dāng)巖石層在垂直或水平方向上受到不同方向的應(yīng)力作用時，巖層間會產(chǎn)生剪切力，當(dāng)剪切力超過巖石的強度極限時，巖石便發(fā)生斷裂，形成斷層。斷層兩側(cè)的地塊可能相對上升或下降，形成地塹、地壘等地貌特征。

破碎帶則是斷層活動過程中，巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生破碎、研磨、位移后形成的帶狀區(qū)域。這些區(qū)域內(nèi)，巖石的完整性受到嚴重破壞，形成大小不等、形狀各異的碎塊和裂隙。全風(fēng)化斷層破碎帶則是在此基礎(chǔ)上，由于長期的風(fēng)化作用，使得破碎帶內(nèi)的巖石進一步分解為松散的土狀物質(zhì)，強度和穩(wěn)定性急劇下降，對隧道施工構(gòu)成極大挑戰(zhàn)。

1.2 地質(zhì)危害

由于風(fēng)化巖石的強度極低，壓縮性增大，隧道開挖后，圍巖的自穩(wěn)能力極差，極易發(fā)生坍塌事故，嚴重威脅施工人員的生命安全。破碎帶內(nèi)的巖石破碎且不均一，不同巖性的巖石在外部荷載作用下會產(chǎn)生不均勻的變形和位移，導(dǎo)致隧道支護結(jié)構(gòu)承受不均勻的應(yīng)力，增加了支護結(jié)構(gòu)的破壞風(fēng)險。此外，全風(fēng)化巖石極易吸水膨脹，一旦遇到地下水或雨水滲透，圍巖的穩(wěn)定性將進一步惡化，可能引發(fā)大規(guī)模的塌方和涌水事故，不僅影響施工進度，還可能造成嚴重的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。因此，在隧道穿越全風(fēng)化斷層破碎帶時，必須采取科學(xué)有效的技術(shù)措施，加強超前支護、合理控制開挖進尺、及時注漿加固，并加強施工監(jiān)測與反饋，以確保施工安全與質(zhì)量。

2 全風(fēng)化斷層破碎帶開挖施工技術(shù)

2.1 超前支護技術(shù)

2.1.1 超前小導(dǎo)管注漿

根據(jù)地質(zhì)勘察資料和隧道設(shè)計要求，精確確定小導(dǎo)管的布設(shè)位置、角度和密度。通常，小導(dǎo)管沿隧道拱部120°～150°范圍內(nèi)布置，外插角控制在10°～15°，以確保漿液能夠充分擴散至破碎帶內(nèi)部。小導(dǎo)管的直徑和壁厚需根據(jù)工程實際情況進行選擇，一般采用Φ42毫米熱軋無縫鋼管，壁厚不小于3.5毫米，長度根據(jù)破碎帶的寬度和注漿壓力進行確定。

注漿材料的選擇同樣至關(guān)重要。為了保證注漿效果，通常選用具有良好流動性和膠凝性的水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿。注漿時，需嚴格控制注漿壓力和注漿量，確保漿液能夠充分填充巖層裂隙和破碎帶內(nèi)的空隙，同時避免注漿壓力過大導(dǎo)致圍巖破壞或漿液流失。注漿過程中，還需根據(jù)注漿壓力的變化和注漿量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整注漿參數(shù)，確保注漿質(zhì)量和效果。

此外，超前小導(dǎo)管注漿施工還需注意以下幾點：一是確保小導(dǎo)管打入巖石的深度足夠，以增強注漿的錨固效果；二是注漿過程中應(yīng)加強注漿管路的檢查和維護，防止管路堵塞或漏漿；三是注漿結(jié)束后，應(yīng)及時清理注漿設(shè)備和注漿管路，以便下次使用。

2.1.2 超前大管棚支護

對于全風(fēng)化斷層破碎帶，通常采用直徑較大的鋼管，如Φ108毫米或Φ159毫米，壁厚不小于4毫米，以確保其有足夠的強度和剛度來抵抗圍巖壓力。管棚的長度則根據(jù)斷層破碎帶的寬度和預(yù)測的影響范圍來確定，一般長度為10～40米，足以穿越并加固整個破碎帶區(qū)域。

在施工過程中，管棚鋼管需通過特制的鉆機預(yù)先打設(shè)的孔洞中準確推入，確保每根管棚的位置和角度都符合設(shè)計要求。為防止管棚在推入過程中發(fā)生偏斜或卡住，需嚴格控制鉆孔的精度和垂直度，并在管棚上設(shè)置導(dǎo)向裝置。同時，管棚之間需采用絲扣連接或焊接方式固定，以確保整個管棚支護系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性。注漿材料通常選用具有高強度和良好膠凝性的水泥漿或雙液漿。注漿時，需控制注漿壓力和注漿量，確保漿液能夠充分填充巖層裂隙和破碎帶內(nèi)的空隙，并在壓力作用下擴散至周圍巖體，形成堅固的注漿固結(jié)體。注漿壓力一般控制在0.2～0.6MPa之間，具體值需根據(jù)地質(zhì)條件和注漿效果進行調(diào)整。注漿過程中還需進行實時監(jiān)測，記錄注漿壓力和注漿量的變化，以便及時調(diào)整注漿參數(shù)，確保注漿質(zhì)量和效果。

2.2 開挖技術(shù)

2.2.1 全斷面開挖法

通過鉆探、物探等手段獲取準確的地質(zhì)信息，包括破碎帶的寬度、深度、巖石強度等關(guān)鍵參數(shù)?；谶@些數(shù)據(jù)，制定詳細的施工方案與應(yīng)急預(yù)案，明確開挖進尺、支護措施及監(jiān)測要求。在開挖過程中，嚴格控制開挖進尺是關(guān)鍵。針對全風(fēng)化斷層破碎帶，建議采用短進尺開挖，每循環(huán)進尺不宜超過1.5米，以減少對圍巖的擾動，保持圍巖的穩(wěn)定性。同時，加強開挖面的監(jiān)測，利用全站儀、激光測距儀等設(shè)備實時監(jiān)測開挖面的變形情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即停止開挖并采取加固措施。支護作業(yè)需緊跟開挖面進行，確保開挖后圍巖立即得到有效支撐。在全斷面開挖法中，可采用鋼拱架結(jié)合噴射混凝土的方式進行初期支護。鋼拱架間距應(yīng)根據(jù)圍巖穩(wěn)定性進行調(diào)整，一般不超過0.8米；噴射混凝土厚度需滿足設(shè)計要求，且應(yīng)分層噴射，每層厚度控制在5～10厘米之間，以保證支護結(jié)構(gòu)的整體性和密實性。避免地下水對開挖面和支護結(jié)構(gòu)造成不利影響，可采用管井降水、集水坑排水等方法，將地下水位降至開挖面以下一定深度，確保開挖作業(yè)在干燥環(huán)境中進行。

2.2.2 臺階法施工

首先根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和圍巖穩(wěn)定性分析，合理劃分臺階數(shù)量與高度。一般而言，上臺階高度可控制在3～5米，下臺階高度根據(jù)開挖面整體高度和機械作業(yè)需求確定，確保施工安全與效率。同時，臺階長度需考慮施工機械的作業(yè)半徑和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般不宜超過15米。接著強化超前支護與鎖腳錨桿。在臺階開挖前，采用超前小導(dǎo)管注漿或超前大管棚支護技術(shù)對掌子面前方圍巖進行預(yù)加固。對于下臺階，特別注重鎖腳錨桿的施工，錨桿長度、直徑及傾角需根據(jù)圍巖條件精確設(shè)計，一般錨桿長度不小于3米，直徑不小于22毫米，傾角向下約15°，以有效鎖定臺階腳部，防止臺階滑移。施工中要嚴格控制開挖進度與循環(huán)時間。在臺階法施工中，應(yīng)遵循“短進尺、弱爆破、強支護”的原則，每循環(huán)開挖進尺不宜超過2米，減少爆破對圍巖的擾動。同時，合理安排各工序的銜接，確保支護作業(yè)緊跟開挖面進行，縮短圍巖暴露時間。此外，加強施工監(jiān)測與反饋調(diào)整。利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對開挖面、支護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進行實時監(jiān)測，包括位移、應(yīng)力、滲水量等參數(shù)。一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即停止開挖，分析原因并采取相應(yīng)措施進行調(diào)整，確保施工安全與質(zhì)量。

2.2.3 側(cè)壁導(dǎo)坑法

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和隧道設(shè)計要求，精確確定側(cè)壁導(dǎo)坑的位置，通常位于隧道斷面的兩側(cè)，寬度約為隧道寬度的1/3至1/2，高度則根據(jù)施工機械和支護需求確定。導(dǎo)坑間距需保證中間巖柱的穩(wěn)定性，一般不小于隧道寬度的1/3。導(dǎo)坑開挖采用短進尺、弱爆破的方式，減少對圍巖的擾動。開挖后立即進行初期支護，采用鋼拱架結(jié)合噴射混凝土的方式，確保支護結(jié)構(gòu)的及時性和有效性。鋼拱架間距根據(jù)圍巖穩(wěn)定性確定，一般不大于0.8米，噴射混凝土厚度滿足設(shè)計要求，且需分層噴射，保證支護質(zhì)量。中間巖柱作為側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中的關(guān)鍵部位，其穩(wěn)定性直接影響整個隧道的安全。因此，需對中間巖柱進行特別加固，可采用注漿加固、增設(shè)錨桿等措施。同時，利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對中間巖柱的位移、應(yīng)力等參數(shù)進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取措施進行處理。側(cè)壁導(dǎo)坑法施工需遵循“先挖側(cè)壁、后挖中部”的原則，確保施工順序的合理性。同時，嚴格控制各階段的施工進度，確保支護作業(yè)緊跟開挖面進行，避免圍巖長時間暴露。

2.3 注漿加固技術(shù)

第一，選定注漿材料與配比。針對全風(fēng)化斷層破碎帶的特性，注漿材料需具備良好的滲透性、膠凝性和耐久性。常用的注漿材料包括水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿以及化學(xué)漿液等。在確定注漿材料后，需通過試驗確定最佳配比，確保注漿體既能有效填充巖層裂隙，又能與圍巖形成良好的粘結(jié)，提高圍巖的整體強度。一般情況下，水泥漿的水灰比控制在0.8?1至1?1之間，雙液漿的配合比則根據(jù)具體工程條件進行調(diào)整。

第二，優(yōu)化注漿工藝與參數(shù)。注漿工藝包括注漿方式、注漿壓力、注漿量及注漿速度等。在全風(fēng)化斷層破碎帶中，常采用后退式分段注漿或分段注漿方式，以確保注漿漿液能夠充分擴散至破碎帶內(nèi)部。注漿壓力需根據(jù)圍巖的滲透性、注漿管埋深及注漿材料特性綜合確定，一般控制在0.2MPa至2.0MPa之間。注漿量則根據(jù)注漿壓力的變化和注漿孔周圍的冒漿情況進行控制，確保注漿飽滿且不浪費。注漿速度應(yīng)均勻穩(wěn)定，避免過快導(dǎo)致漿液流失或過慢影響注漿效率。

第三，加強注漿過程中的監(jiān)測與控制。利用注漿壓力監(jiān)測系統(tǒng)和注漿量記錄裝置對注漿過程進行實時監(jiān)測，及時調(diào)整注漿參數(shù)，確保注漿質(zhì)量和效果。同時，注意觀察注漿孔周圍的冒漿情況，如發(fā)現(xiàn)冒漿應(yīng)立即停止注漿并采取措施進行處理。

第四，注重注漿后的效果評估與后續(xù)處理。注漿完成后，需對注漿效果進行評估，包括注漿體的強度、滲透性以及對圍巖穩(wěn)定性的提升效果等。必要時可采用無損檢測技術(shù)對注漿體進行檢測。對于注漿效果不理想的區(qū)域，需進行補充注漿或采取其他加固措施。

3 施工監(jiān)測與反饋

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

位移監(jiān)測：采用高精度全站儀或GPS定位系統(tǒng)，對隧道開挖面、初期支護結(jié)構(gòu)、周邊巖體及地表進行定期位移監(jiān)測。監(jiān)測點布置需密集且合理，確保能夠全面反映圍巖變形情況。同時，利用自動化監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警異常位移。

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測：在隧道關(guān)鍵部位安裝應(yīng)力應(yīng)變計或應(yīng)變片，監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)和圍巖內(nèi)部的應(yīng)力變化。通過數(shù)據(jù)分析，評估支護結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，為調(diào)整施工方案提供依據(jù)。

滲流監(jiān)測：設(shè)置地下水觀測井和滲壓計，監(jiān)測隧道周邊及開挖面的地下水位和滲流情況。特別是在雨季或地下水豐富的地區(qū)，需加強監(jiān)測頻率，防止突發(fā)涌水事故。

爆破振動監(jiān)測：在爆破作業(yè)前后，利用爆破振動監(jiān)測儀對爆破振動波進行監(jiān)測，評估爆破作業(yè)對圍巖穩(wěn)定性的影響。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整爆破參數(shù)，減少爆破振動對圍巖的破壞。

環(huán)境監(jiān)測：關(guān)注隧道施工對周邊環(huán)境的影響，包括地表沉降、植被破壞、水質(zhì)污染等。通過設(shè)立環(huán)境監(jiān)測點，定期采集數(shù)據(jù)，確保施工活動符合環(huán)保要求。

3.2 監(jiān)測方法

引入自動化監(jiān)測設(shè)備，如自動全站儀、GPS監(jiān)測系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，實現(xiàn)全天候、不間斷的數(shù)據(jù)采集，自動記錄并傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，減少人為誤差，提高監(jiān)測效率。建立遠程監(jiān)控中心，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至中心，利用專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)分析與處理。通過數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的異常變化，并預(yù)警潛在的安全風(fēng)險。另外，在自動化監(jiān)測的基礎(chǔ)上，定期進行人工巡查和復(fù)核。巡查人員需攜帶便攜式監(jiān)測儀器，對關(guān)鍵監(jiān)測點進行實地測量與檢查，驗證自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，并補充自動化監(jiān)測可能遺漏的信息。結(jié)合多種監(jiān)測方法和技術(shù)手段，如位移監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、滲流監(jiān)測等，形成綜合監(jiān)測體系。通過多源數(shù)據(jù)的融合與分析，全面評估隧道施工過程中的各種風(fēng)險因素，為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)施工進展和監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整監(jiān)測方案。在關(guān)鍵施工階段或發(fā)現(xiàn)異常情況時，加密監(jiān)測點布置，增加監(jiān)測頻率，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

3.3 反饋調(diào)整

一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異?；虺鲱A(yù)警閾值，立即啟動快速響應(yīng)機制。成立應(yīng)急小組，明確各成員職責(zé)，確保能夠迅速響應(yīng)并采取有效措施。組織專業(yè)技術(shù)人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，結(jié)合地質(zhì)勘察資料、施工記錄等信息，查明異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因。必要時，進行現(xiàn)場勘查，獲取第一手資料。根據(jù)異常原因分析結(jié)果，制定針對性的調(diào)整方案。方案需明確調(diào)整目標、具體措施、實施步驟及責(zé)任分工，確保調(diào)整工作有序進行。按照調(diào)整方案要求，迅速實施調(diào)整措施。同時，加強調(diào)整過程中的監(jiān)測與記錄，及時跟蹤調(diào)整效果。若調(diào)整效果不佳，需重新分析原因并調(diào)整方案。每次反饋調(diào)整后，組織相關(guān)人員進行總結(jié)會議，分析調(diào)整過程中的成功經(jīng)驗和不足之處。將經(jīng)驗教訓(xùn)納入施工管理制度和應(yīng)急預(yù)案中，為后續(xù)施工提供參考和借鑒。

4 結(jié)束語

公路隧道全風(fēng)化斷層破碎帶的開挖施工技術(shù)復(fù)雜且具挑戰(zhàn)性。通過采用超前支護、合理開挖方法及注漿加固等綜合技術(shù)措施，能夠有效提高圍巖穩(wěn)定性與施工安全。在施工過程中，需加強施工監(jiān)測與反饋調(diào)整工作，確保施工方案的科學(xué)性與合理性。未來，隨著施工技術(shù)的不斷進步與工程經(jīng)驗的積累，全風(fēng)化斷層破碎帶的開挖施工技術(shù)將更加成熟與完善。

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