隧道工程中穿越断层破碎带开挖施工技术的应用探究

2023-01-08刘知仁

工程建设与设计 2022年6期

刘知仁

（湖南省有色地质勘查局工程地质总队，长沙 410000）

1 引言

我国属于多山国家，尤其是西部地区，山岭重重，公路工程与铁路工程建设过程中不可避免地需要穿越山岭，但这些区域地形起伏较大，褶皱断层较多，围岩裂隙水丰富，软弱围岩及破碎地带占比较大。断层破碎带是地质构造中比较常见的形态，其大小、规模不等，长度从1 m以下到上千米不等，严重破坏了岩层的完整性与连续性，在这种特殊地质条件下，如何确保隧道工程正常施工以及支护结构稳定是需要重点研究的问题。隧道工程中穿越断层破碎带开挖施工，因地质因素产生的问题众多，包括岩体失稳、地质灾害等，施工过程中一旦发生事故，轻则导致项目建设周期延长，项目成本增加，重则酿成安全事故，造成人员伤亡，而且事故处理难度较大。

2 工程概况

中条山隧道右线起点桩号为YK5+673.563～YK15+282，隧道入口段为曲线。此处曲线半径为3000 m，出口也是曲线，此处曲线半径为3600 m，正洞部分基本上是直线，长为9609 m，隧道纵坡为1.92%；左线起点桩号为ZK5+672～ZK15+280.038，隧道入口段是曲线。曲线半径为3400 m，出口也是曲线，曲线半径为3290 m。中条山隧道的长度为9609 m，该处的隧道纵坡1.92%。埋深方面，隧道最大深度为681 m，属于深埋公路隧道。中条山隧道穿越的大部分岩层主要由页岩构成，风化度较高，整体上处于破碎状态，从力学层面来说，完全不具备受力特性。该隧道横穿中条山山脉，所处区域内主要为剥蚀性岩层，走向多样无规则，岩石节理丰富且明显，尤其表层岩石风化最为严重。断层带位于隧道K7+200附近，是山前大断裂产生的二次结构产物，断层埋深超过80 m，跨度超过30 m，构造裂隙水大致为1460 m3/d，属于富水软弱破碎带。

3 隧道工程中穿越断层破碎带施工方案

隧道工程中穿越断层破碎带施工多采用三台阶法与CRD法（交叉中隔壁法），在本项目中仅在局部特定情况下可使用三台阶法，整体而言CRD法更符合本项目开挖施工要求，因此，拟采用CRD法进行施工，其具体施工流程为：（1）超前地质预报；（2）测量放线作业；（3）隧道左侧以及右侧上部超前支护；（4）隧道左侧以及右侧上部开挖、出渣、开挖施工初期的支护以及中隔壁施工，同时做好隧道围岩测量监控工作；（5）隧道左侧以及右侧中部开挖、出渣、开挖施工初期的支护以及中隔壁施工，同时做好隧道围岩测量监控工作；（6）隧道左侧以及右侧下部开挖出渣、开挖施工初期的支护以及中隔壁施工，同时做好隧道围岩测量监控工作；（7）拆除仰拱衬砌以及中隔壁；（8）仰拱填充作业以及二衬施工作业。

4 隧道工程中穿越断层破碎带开挖施工技术

4.1 注浆施工

4.1.1 注浆方法

根据中条山隧道项目的设计要求以及地质勘察报告，注浆方法拟采用全断面周边注浆法、局部注浆法以及全断面帷幕注浆法3种注浆方法。注浆方案设计的基本原则是在断层影响区域采用全断面周边注浆法，在灰岩地带以及断面内局部突水区域采用局部注浆法，在穿越断层带区域采用欧冠全断面帷幕注浆法[1]。

4.1.2 注浆施工技术

关于注浆材料的选择与确定，参照以往相关工程项目施工经验，水泥浆和水玻璃浆液的比例控制在1∶0.8～1∶1，水玻璃浆液浓度控制在657 g/L；水泥浆水灰比控制在0.8∶1。注浆施工流程为：（1）测量放线，确定并标注各钻孔位置；（2）钻机就位并做好固定措施；（3）确定钻机钻进方向；（4）钻直径为130 mm的钻孔，深度为3 m；（5）安装长度为3 m，直径为108 mm的孔口管；（6）采用前进式分段注浆法进行注浆施工；（7）检查单孔注浆效果，若符合施工标准，则进行下一孔注浆施工；若注浆效果不佳，则继续注浆施工；（8）所有钻孔注浆施工完成后检查整体注浆效果，若符合施工标准，则注浆施工完成，若注浆效果不佳，则及时采取补救措施[2]。

注浆施工的目的是对围岩进行加固，提高洞身围岩稳定性，同时控制用水量，从而确保隧道工程施工安全以及后期运营安全，在注浆施工过程中具体需要注意以下方面：（1）注浆施工前需要全面掌握灌浆量、泥浆填充率、泥浆率、泥浆膨胀半径、泥浆凝结时间以及压力等相关指标[3]。（2）注浆施工前需要准确测定泥浆材料凝结时间，若泥浆凝结时间不符合施工要求，一律不予采用。（3）施工现场应配备专用的水泥浆储浆桶，先在搅拌桶中搅拌好水泥浆，然后加入储浆桶，储浆桶需要配备搅拌装置，以免水泥浆凝结。（4）为避免水泥块等杂物混入水泥浆导致搅拌桶管路堵塞，应在搅拌桶出口与进口位置加装过滤网。（5）为保障注浆效果，水泥浆在搅拌桶中的搅拌时间应不低于3 min，从制备水泥浆到注浆作业完成，整个过程不超过4 h[4]。（6）注浆作业按照由外向内的顺序进行，对同一个加固圈的注浆作业应分序进行。

4.2 隧道开挖

隧道开挖施工过程中，为尽可能降低施工对围岩的影响，最大限度地控制围岩变形，在隧道穿越断层破碎带区域采用上部弧形导坑预留核心土三台阶法进行开挖施工。其中，上部弧形导坑部分均采用人工开挖，开挖工具选择风镐，施工过程中若遇到特殊情况，在确保施工安全的前提下可采用弱爆破辅助施工。核心土的长度与上台阶保持一致，与拱顶开挖面的距离控制在1.5 m，拱脚到坡脚的距离控制在2.5 m。仰拱和中、下台阶选择微震光面爆破法进行开挖施工，施工过程中要注意严格控制装药量，确定炮眼以及炮眼深度，最大限度地降低爆破对围岩造成的影响[5]，防止围岩失稳，循环进尺控制在1.2 m以下。各部分开挖施工完成后，要及时喷射混凝土将掌子面封闭，混凝土厚度约控制在5 cm，然后联合网喷、钢架以及锚杆进行支护作业。拱架拱脚的下方需要垫槽钢；上导坑的拱脚位置以及中下导坑的墙角位置需要设置锁脚锚管；下台阶施工完成紧跟仰拱施工，按照4 m一段开挖，注意要及时施作仰拱混凝土，确保支护结构闭合成环。上、中台阶挖掘施工完成后，利用挖掘机将渣土运至下台阶，并在上导坑位置架立钢架，挖掘机在中台阶位置联合装载机清运渣土，渣土车负责将渣土运输至指定位置。

4.3 支护施工

本项目中，支护施工主要分为两部分：（1）施工初期支护，主要包括喷射混凝土、钢筋网、钢架以及锁脚锚杆。拱墙区域喷射C25混凝土，厚度约控制在28 cm；仰拱区域喷射C25混凝土，厚度约控制在28 cm。钢筋网设置在拱墙位置，厚度要求在3 cm以上，网格间距为20 cm×20 cm。钢架选择格栅钢架或者型钢钢架，间距控制在0.6～0.8 m。锁脚锚杆的下插脚控制在45°，锚杆直径为42 mm，长度为4 m，位置在拱脚和墙角50 cm以上位置，双排布置，共计24根锚杆，每个墙角和拱脚4根；（2）二次衬砌施工，主要包括拱墙、仰拱以及仰拱填充、踏步板。拱墙施工选择C35混凝土，厚度控制在50 cm；仰拱施工选择C35混凝土，厚度控制在60 cm。仰拱填充以及踏步板施工选择C20混凝土，仰拱中心填充厚度控制在140 cm，踏步板在隧道两侧分段设置，每段长度控制在2 m，纵向间距控制在25 m，内部设置直径为160 mm的过水孔。

4.4 超前小导管施工

本项目中，隧道洞口上方位置的岩层属于弱风化岩石，因此，该区域选择机械开挖，施工顺序按照自上而下进行，分层高度约控制在2 m。清刷边坡具体根据坡率确定处理方式，主要采用机械开挖作业，部分特殊区域采用人工开挖方式辅助施工，如坡面区域，否则会导致坡面区域的整体性与完整性遭到破坏，刷坡作业完成后进行支护施工，选择锚喷支护方式，按照从上到下的顺序依次进行。超前小导管具体施工工艺流程如下：（1）隧道开挖施工，封闭掌子面；（2）制作加工注浆管并做好质量检验工作；（3）钻孔作业，安装注浆管；（4）对孔口进行密封处理；（5）开展管路连接试验；（6）检修机具并准备好注浆原材料；（7）注浆原材料试验以及制备水泥浆；（8）分段进行注浆作业；（9）检查注浆施工效果。

4.5 掌子面加固处理

在本项目中，隧道掌子面的正前方加固处理采用玻璃纤维注浆锚杆，这种方法相较于传统注浆加固方法效果更好，掌子面稳定性较好，可以充分保障施工安全，同时便于后续施工活动开展。传统注浆加固处理采用的是分部开挖的方式，而玻璃纤维注浆锚杆加固处理采用机械全断面开挖的方式，不仅施工效率更高，而且加固效果更好[6]。

4.6 中空砂浆锚杆施工

中空砂浆锚杆施工流程如下：（1）制作加工锚杆；（2）施工前准备工作，包括维护保养机械设备、准备各项注浆材料，确保注浆设备到位；（3）测量放样作业，确定锚杆孔位；（4）钻机就位并做好固定措施；（5）确定钻孔角度并定位钻机；（6）锚杆钻孔作业；（7）清理钻孔，确保其中无杂物；（8）检查锚孔，确保符合设计标准；（9）制作砂浆并充分搅拌；（10）注浆施工；（11）插入锚杆；（12）安装垫板；（13）竣工验收。

4.7 预留变形量

隧道开挖施工过程中，在围岩和隧道衬砌间采用阻尼器维持静力作用下隧道衬砌的稳定。钢筋网铺设完成后，立刻开始混凝土喷射作业，注意喷射时喷头与受喷面距离应控制在60 cm以下。喷射角度根据作业面的实际情况进行调整，确保钢筋网的背面和混凝土紧密贴合[7]。回填隧道洞顶区域时，回填材料选择碎土石，采用对称回填的方式进行回填，并在回填作业完成后逐层进行夯实，回填高度根据隧道洞顶的实际情况可适当调整，回填坡度视隧道洞顶具体情况而定。需要注意的是，用于回填的碎土石不能直接作为覆盖层，而是应在回填土石顶部再覆盖1层厚度约50 cm层面的黏土，主要起到隔水作用，最后再在黏土层上部覆盖施工区域的植被土，厚度约控制在30 cm。

4.8 隧道防排水施工

在本项目中，隧道防排水施工应遵循“防、排、截、堵，因地制宜，综合治理”的基本原则。隧道内部沿长度方向在两侧设置水沟，距离隧道出口500 m的位置设置排水沟，水沟形式为暗渠。在首次支护与二次支护间设置防水设施，防水板连接位置必须要和施工缝分离，距离不低于50 cm。施工缝的材料应采用橡胶。变形缝和环向施工缝要合理配置，尽可能避开裂隙水与地下水较为丰富区域。进行二次衬砌施工前，确定防水措施时应充分考虑到隧道结构本身的防水效果，选用的混凝土抗渗等级应不低于P8[8]。混凝土灌注施工时应保持连续性，注意在底板、仰拱以及拱圈位置不能保留纵向施工缝。在墙角纵向以及拱墙环向应设置盲管，从而和隧道内部防水沟以及边墙位置的进水孔共同构成一套排水系统。环向盲管要和纵向盲管相连接，边墙位置的进水孔要和纵向盲管相连接。