分析隧道断层破碎条件下隧道开挖的支护方法

王少凡 张传宝 程 宏 李东阳

(中建七局安装工程有限公司，河南 郑州 450000)

在我国铁路和高等级公路这类国民经济的建设之中，经常需要修建隧道，遇到一些断层破碎条件下的项目工程时，修建隧道成为控制整个工程项目投资及工期的一个决定性因素。所以，研究及改进断层破碎条件下隧道开挖的的支护方法，在隧道施工的指导、工程质量的提升、施工进度的加快、工程费用的降低等各个方面都具有至关重要的意义。

1 隧道断层破碎的工程地质特点

软弱破碎隧道岩石有两个特点。强度较低；抗扰动能力差。在项目施工过程中，如果隧道支护方式不当或施工错误等，容易造成掌子面坍塌甚至隧道崩塌。断层破碎带更是一个容易变形、透水性较大及抗水性能差的软弱带，断层破碎带与两侧岩体在力学特性上的差异，对施工挖掘相当不利，经常造成突发性安全事故，因此，依据隧道的工程特性合理选择挖掘和支护方式是一项十分必要的工作，支护方式的选择更是隧道施工的安全保障。

为防止断层破碎软弱带岩石崩塌，保证施工时安全通过软弱地层带，稳定好隧道掌子面和地表，选择支护方式尤其重要。

2 隧道断层开挖的施工方法(图1)

项目施工的一大难题就是隧道掘进过程中遇到存在涌水、涌泥及大规模坍塌危险的断层及破碎带，为使隧道顺利通过断层破碎带，最大程度上降低地质灾害引发的风险，在施工前应做好地质预报，根据预报结果选用正确的施工方式。

图1 隧道开挖方式示意图

2.1 隧道施工前地质预报

在施工前对前方地质岩石进行探测有利于施工的顺利进行，依据预报结果和地勘及其他材料对前方100m左右范围内的岩石进行地质判断。假如施工现场达不到预报所得出的施工条件，则必须采用地质雷达探测前方25m范围内的岩石地质，依据多种探测手段得出的结论对前方岩石进行裁定。

2.2 隧道注浆堵水加固

在项目施工过程中常会遇到大量涌水突水等情况发生，这时应结合超前地质预报的结果、地质素描等资料综合分析，查明掌子面前的地下水分布，采取“防、排、堵、引”相结合的措施。针对不同情况，采用全断面帷幕灌浆、全断面周边灌浆、局部灌浆等方法，尽可能地封堵地下水，并通过隧道二次衬砌排水系统排出隧道外，确保隧道施工和结构安全。

第一，全断面幕墙灌浆，用于堵水。隧道穿过厚度较大(不小于30m)的软塑性断层破裂带时，会形成一个大的喀斯特溶洞的软塑性充填体。当水量大于10m3时，应采用全断面帷幕灌浆堵水。注浆范围为开挖轮廓之外的6m，长度为31m。灌浆段分为三环。第一环有22个注浆孔，深度为15m；第二环有22个注浆孔，深度为22m；第三环有61个灌浆孔，深度为31m，整个部分有105个注浆孔。

第二，通过在整个断面周围进行预灌浆来堵水。隧道穿过岩溶地层与非岩溶地层的界面，断层破裂带厚度较小(小于30m)，固溶裂缝，任何探测孔的流量均大于2m3，水量小于10m3时，应在整段周围灌浆以堵水。注浆范围在开挖轮廓外6m，长度一般为31m，分为三环，第一环有22个注浆孔，孔深15m；第二环有22个注浆孔，孔深22m；第三环为50个灌浆孔，孔深31m，整个断面94个孔。

第三，通过局部断面注水堵水。当通过石灰岩区域并发生涌水或突水时，灌浆会阻塞水，注浆范围在开挖轮廓之外6m，灌浆段的长度一般为31m，分为三环。 第一环有10个注浆孔，深度为15m；第二环有10个灌浆孔，深度为22m；第三环有14个灌浆孔，深度为31m，整个部分有34个孔。

第四，部分断面排水。如果开挖面只有1～2处涌水或是突水，流量不特别大时，应用30m深的80mm钻头钻成孔排水。先将涌水暂时排出，再与二次衬砌防水排水系统结合排出孔内。

2.3 隧道开挖支护和二次衬砌施工

在隧道开挖施工过程中，应严格按照原则组织施工。管进，短管，弱爆破，强支护，勤测等。在初期支护完成之后，应加强对倒面和第二衬砌面的阶梯控制，并及时对其进行施工，合理安排第二衬砌封闭，尽快成环，以确保施工安全。在开挖过程中，施工方应严格进行监测测量工作，及时分析监测数据，并在真实有效的数据的指导下，根据实际情况及时调整施工参数，避免结果突然改变。

3 隧道断层破碎条件下的支护方式

洞身超前支护方式和超前小导管注浆加强支护是断层施工经常使用的方式。管棚超前支护技术作为隧道开挖的辅助方法，在预防隧道坍塌，抑制地层位移，控制地面沉降起到了重要作用。

3.1 地下项目工程超前支护技术

先期支护技术是指在隧道开挖前，通过对掌子面前层注浆、冷冻、钢管、钢板插入、锚固等措施，在隧道断面上形成拱形连续体，加固开挖面前层，同时维持前层土体不变，减少地表沉降量的技术手段。结果表明，注浆可以提高其强度和变形模量，并从根本上改善围岩变形规律。数据表明，注浆后砂岩的强度可以提高50%～70%，粉砂岩和泥质岩的强度提高2～4倍，岩石强度的提高可以降低2/3～4/5。

工程实践证明，超前支护系统能有效地限制地面沉降，使天然地层保持完全稳定。研究发现，先期支护对地面沉降具有30%～35%的抑制作用，对隧道顶上地层(拱顶)沉降具有40%的抑制作用。先期支护技术作为加固地层，稳定拱掌面，减少地表沉降的一种辅助方法，已被广泛应用于地下工程施工中。

3.2 管棚灌浆支持

顾名思义，将一组钢管沿开挖轮廓中钻出的孔注入地下，并与钢管拱结合形成强大的脚手架预支撑和加固系统，支撑来自管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形注浆孔加压到地面，加固提高地面的稳定性。管棚灌浆具有长距离，高刚度的特点。适用于不能自我稳定，含水的地层，对控制地面沉降，防止渗水，止水具有良好的效果。例如，管棚灌浆和小管补灌浆的结合可以防止管棚下面的三角形土体塌陷。

管棚支架的主要功能和优点。(1)梁拱效应 管棚以面和后支撑为支点，形成梁结构，两者形成围绕隧道轮廓的壳结构，可有效防止松动和围岩倒塌。(2)加固效果 将注浆液通过管壁孔压入围岩裂缝，使疏松岩体胶结固结，增强自身支撑能力，达到增强钢管周围弱围岩的目的。(3)环形槽效应 管顶棚的致密环形槽反射，吸收或衍射了爆炸冲击波的传播和爆炸性气体的扩散，大大减小了由其引起的围岩的破坏程度和扰动范围反向张力波。(4)保证施工安全 棚架支撑的刚度较大，若在施工过程中发生塌方，也会落在棚架上部的碎石上，起到缓冲作用，即使管棚不稳定，损坏也会很缓慢。

管棚支架适用范围：根据国内外的实践，结合管式支护在我国地下工程中的实际应用情况，可以将管式支护应用于软砂土层，砂砾石层，膨胀软流塑性层，硬土层，塑料粉质黏土地层，裂隙岩体，泥石涌入段，断层破碎带，塌陷段，碎土桩段，浅埋偏心压力等地质和地下水条件丰富的地质地下构造施工支护以及开挖支护隧道出入口段，还用于城市的地下工程开挖的预支护等，可作为现有建筑物，公路，铁路和地下结构下隧道施工的辅助方法；它既可以用作隧道洞口段和大断面隧道施工的辅助方法，又可以作为其他辅助方法，还经常用于支撑浅而不合适的开挖断面或浅层隧道以及隧道的施工。地面建筑物，靠近中型结构的隧道或隧道，以及其他对沉降有特殊要求的项目。

4 结 语

先进的管棚注浆支护和小管注浆支护加上超前的支护技术可以固结断层断裂带中松动的破碎岩体，从而改善岩层的力学性能，形成固结整体，提高固结整体性，更好在断层破碎带的支护施工过程中发挥高级支持的作用。管棚和小管道注浆以及超前支护技术措施是断层破碎带隧道建设工程中的灵魂技术，具有重要地位。结合先进的地质预测技术及灌浆技术，采取合理的开挖方法，可以很好地抵抗地质坍塌，保护施工人员安全，有利于我国国民经济基础建设稳步发展。