隧道富水断层破碎带初期支护技术案例分析

李桂泉



隧道富水断层破碎带初期支护技术案例分析

李桂泉

中铁二十四局福建公司

沿海某高铁隧道富水断层破碎带施工中,按照“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的施工原则，采用了超前小导管注浆支护、结合帷幕注浆封堵、钢拱架加强支护,在高水压、大水量、岩体极度破碎的条件下,施工安全和质量得以保证。该文对设计参数的选取、注浆施工工艺、关键技术的突破、注浆效果等方面做了较详细的阐述，以供同行参考。

隧道 富水断层破碎带 超前小导管注浆支护

为解决长大隧道常遇富水断层破碎带的问题，我们采用超前小导管注浆支护、结合帷幕注浆封堵、钢拱架加强支护等措施进行了治理，有效固结了断层破碎带，形成应力圈，解决了隧道不良地质引起的施工安全和质量问题。

1 工程概括

沿海某高铁隧道全长6852m。其中，Ⅱ级围岩5769m，Ⅲ级围岩833m，Ⅳ级围岩125m，Ⅴ级围岩125m。隧道主要地质断层构造情况如下：

DK145+795～＋825段构造节理密集带，因岩体破碎，地下水相对较发育，水位埋深31.8m。根据抽水试验成果，该段预计最大涌水量为1200 m3/d，属大股状涌水，洞室开挖时，可能出现局部射流现象。

DK146+100～DK147＋300段地表为剥蚀洼地，燕山期花岗岩和小溪组凝灰熔岩在本段接触，岩体完整性较差，两侧山体的基岩裂隙水可以沿节理、裂隙等构造面向此段汇集。根据抽水试验成果，该段预计最大涌水量为2000 m3/d，属大股状涌水，洞室开挖时，可能在裂隙较发育区出现局部射流现象。

以上两段断层破碎带的围岩结构松散,本身的支撑能力较差，又具有富水性，使围岩的稳定能力大大降低，若初期支护结构施工不到位，容易产生突泥、突水、围岩失稳，严重威胁施工质量和安全。

2 施工技术方案选择

针对上述地质断层构造情况，结合施工生产要素及施工生产能力，按照“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的施工原则，在采用帷幕注浆封堵、超前小导管注浆支护、钢拱架加强支护、加强引排水等措施保护下，采用三部台阶法进行施工。

地质预报方法：采用超前地质钻探等手段，提前了解开挖工作面前方地质情况。

辅助工法：帷幕注浆封堵、超前小导管注浆支护、钢拱架加强支护。

开挖方法：三部台阶法，掘进循环进尺控制在0.5m～1.0m。

支护方式：采用型钢钢架、钢筋网、喷射混凝土等多种支护手段，构成强支护体系。

在开挖和支护过程中要重视加强监控量测，根据支护的位移量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定状态，及时调整支护参数，确保施工安全。

衬砌施工：开挖后尽早施作仰拱，待围岩和支护变形基本趋向稳定后施作复合式衬砌，形成封闭衬砌。

3 断层破碎带初期支护施工技术

3.1 超前地质预报

根据地质资料分析，本隧道在断层破碎带地段采用TSP202超前地质预报系统预报，辅以地质素描、超前水平钻孔。目的是超前探测地层岩性、断层、软弱层的位置、岩体完整程度、断裂带位置、宽度、破碎程度、富水性，为围岩施工提供依据；提供施工掌子面前方地质信息，进一步确定保证围岩稳定性的工程措施及合理的施工方法；为优化施工方案提供依据，指导施工顺利进行，确保施工安全。

TSP202超前地质预报系统预报工作方法与内容：利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该系统是目前最先进的方式，准确率高，适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况，它的预报原理同负视速度法，只是接收频率为10～8000Hz，预报长度为100～200m，不占用工作面，对隧道施工干扰小，TSP202超前地质预报系统野外观测见图1。

图1 TSP202超前地质预报系统示意图

隧道掘进时，根据地质素描（图）的内容，作出开挖面前方较短距离内的岩体稳定性分析，通过综合分析判断，提出地质预测报告。

3.2 帷幕注浆

当接近断层破碎带且水量较大可能发生突水地段时，为防止出现突水、突泥等地质灾害发生，有必要通过掌子面采用超前帷幕预注浆封堵围岩裂隙，形成止水盘封堵地下水流。超前注浆每一循环形成注浆范围为衬砌外3m，注浆材料采用水玻璃，注浆压力1.5～2.0MPa其注浆长度根据具体情况确定为4m～5m，环向间距视现场实际情况确定（一般为1m～2m）。

3.3 超前小导管施工

超前小导管施工工艺原理是：在破碎松散岩体中超前钻孔，打入小导管并压注具有胶凝性质的浆液，浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；使超前小导管与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。

3.3.1小导管及注浆设计

采用4m/根的Ø42mm小导管布设在拱部，外插角5°～7°，环向间距33cm，纵向环距2.5m，即每施作一排小导管，开挖支护2.5m；压注1:1水泥浆液，采用525#普通硅酸盐水泥，浆液中掺水泥用量3%～5%的40Be’水玻璃，以缩短浆液的胶化固结时间，控制浆液的扩散范围。

3.3.2施工要点

3.3.2.1 小导管加工。将4m／根的Ø42mm小钢管一端加工成尖锥形，距另一端100cm的位置开始至尖锥端之间按梅花型、间距为20cm布设Ø6mm的孔眼4排，以利于小导管推进和浆液渗入破碎岩体。

3.3.2.2 小导管安设。如岩体松软，采用YT-28型风动凿岩机直接推送，如遇夹有坚硬岩石处，先用YT-28型风动凿岩机钻眼成孔后再推进就位。在施作小导管前应注意：第一，喷3～5cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙，为注浆做好准备工作；第二，准确测量隧道中心线和高程，并按设计标出小导管的位置，误差±15mm；第三，用线绳定出隧道中心面，随时用钢尺检查钻孔或推进小导管的方向，以控制外插角达到设计的标准；第四，施工顺序为从两侧拱腰向拱顶进行，为提前注浆留好作业空间。

3.3.2.3 注浆。选用UB6型注浆泵注浆，采用浆液搅拌桶制浆，浆液采用单液水泥浆，水灰比1.0:1，施工时由试验室选定，使用不低于32.5强度的水泥。为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序从两侧拱脚向拱顶。由于岩体孔隙不均匀，考虑风镐环形开挖的方便，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力，采取注浆终压(0.8～1.2MPa)和注浆量双控注浆质量，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。通过现场试验确定拱脚终压为1.2MPa，拱腰范围为1.0MPa，拱顶为0.8MPa。注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，又达到控制注浆量的目的。小导管注浆见图2。

图2 小导管注浆施工示意图

单孔注浆量和围岩的孔隙率有关，可用下式估算:

Q=π·R2·L·n·β

式中: Q—单孔浆液注入量（m3）；R—浆液扩散半径（m）；L—注浆段长度（m）；n—岩石空隙率，一般取0.1～0.3；β—浆液在岩石孔隙中的有效充填系数，一般为0.6～0.9。注浆压力：为0.8～1.2MPa。

止浆盘：由于采用低压加固注浆，止浆盘为5～10cm厚喷射混凝土封闭，防止浆液跑出。

小导管注浆布置见图3。

图3 超前小导管布置示意图

3.4 开挖

为控制超欠挖及减少对围岩的扰动，拱部弧形及边墙周边均采用风镐分台阶开挖，核心土及中槽均采用挖掘机开挖，开挖进尺根据围岩稳定性确定为l～2根钢格栅的间距，即0.5～1.0m，边墙按钢格栅的两个单元分三个台阶施工，相邻台阶相距2m，左右边墙错开2m。

3.5 锚喷初期支护

系统锚杆采用3m/根的WTD25型中空注浆锚杆，纵向、环向间距均为100cm，梅花型布置；拱墙设钢格栅，间距50cm，钢格栅每侧拱脚设4m/根的WTD25型中空注浆锁口锚杆，按梅花型布置在钢格栅的两侧，环向间距50cm；挂Ø6双层钢筋网，网格尺寸为15cm×15cm，喷射混凝土厚25cm。

3.6 挂钢筋网

钢筋网片采用Ø8圆钢，除锈处理后按设计加工成100cm ×200cm的网片；挂设时网片必须随受喷面的起伏铺设，与受喷面间留3cm作为保护层，网片与系统锚杆焊接牢固，确保喷射混凝土时不移动。

3.7 安设钢格栅

钢筋除锈后按设计要求分节加工成型，钢格栅分节间通过钢板用螺栓联接。

钢格栅严格按设计间距架立。为充分发挥钢格栅的承载能力，首先要求钢格栅必须垂直且与线路方向垂直；其次，架立拱部钢格栅时，严格控制左、右拱脚标高，以防拱架偏斜，影响与边墙钢格栅架的圆顺连接或侵入衬砌厚度。为方便拱部钢格栅与边墙钢格栅的连接，在拱脚连接处铺不小于20cm厚的粗砂或石屑。边墙钢格栅底部必须置于基岩上，以防下沉变形。

钢拱架施工步骤：施工准备→检查断面→钢架位置测量→钢架就位→纵向连接筋焊接→喷砼固定。

3.8 监控量测

初期支护完成后，在拱顶、拱脚及边墙的内轨顶面标高处埋设测点进行拱顶下沉和水平收敛量测。测试元件用Ø12圆钢加工而成，每根元件长25cm，锚入初期支护体20cm，外露5cm，以防震动影响量测结果。水平收敛量测采用铁科院武汉岩体力学研究所研制的收敛仪进行观测，开始6h观测1次，然后根据变形量的减小而减小量测频率，即12h、24h、48h、72h、168h，根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等，便于指导施工，确保施工安全。量测点每隔5m布设1组。

4 结束语

通过对隧道富水断层破碎带采取超前小导管注浆支护、结合帷幕注浆封堵、钢拱架加强支护等措施进行了治理，有效固结了断层破碎带，解决了隧道围岩不稳定、坍塌的危险，并防止突水、突泥引起的地质灾害，解决了隧道不良地质引起施工安全和质量问题，为工程工期和安全施工提供了保证。通过工程实践，有以下几点体会：

（1）超前地质预报是隧道围岩施工的重要依据，对施工技术方案的选择至关重要，特别是不良地质地段。

（2）超前帷幕注浆对解决隧道富水地段因水引起的灾害有良好的效果。

（3）从施工效果可以看出，超前小导管支护的约束作用保持和加强了围岩的自稳能力。在开挖过程中，通过超前小导管的锚固力和小导管体所具有良好的抗拉、抗剪性能，增大了岩层结构面的摩擦，加强了围岩的稳定，从而有效控制了层理间的滑动破坏，保证了施工安全，具有初期支护效果明显、施工性好、安全性高的优点，再配合相应钢拱架等支护措施，有效解决围岩支护的稳定和安全，确保隧道施工的质量。

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