公路隧道全风化断层破碎带开挖施工技术

摘 要：随着交通基础设施建设的快速发展，公路隧道工程在穿越复杂地质条件时面临着诸多挑战，其中全风化断层破碎带的开挖施工尤为关键。这类地质条件因其高度的破碎性、不稳定性和低承载力，给隧道施工带来了极大的安全风险和技术难题。因此，探索并优化公路隧道全风化断层破碎带的开挖施工技术，对于保障施工安全、提高施工效率、控制工程成本具有重要意义。本文旨在详细探讨公路隧道全风化断层破碎带的开挖施工技术，从超前支护、开挖方法、注浆加固及施工监测等方面进行详细分析，并提出具体的技术措施，以确保施工安全与施工质量。

关键词：公路隧道 全风化 断层破碎带 隧道施工

0 引言

公路隧道作为交通建设的重要组成部分，其施工质量直接关系到交通网络的安全与顺畅。然而，在隧道施工过程中，特别是遇到全风化断层破碎带时，由于岩体破碎、自稳能力差、易风化及易含水等特点，常常导致塌方、涌水等安全事故，严重影响施工进度与人员安全。因此，深入研究全风化断层破碎带的开挖施工技术，对于提高隧道施工的安全性与质量具有重要意义。

1 全风化断层破碎带的地质特性

1.1 断层与破碎带的形成

断层是地壳内部岩石在受到长期而强烈的构造应力作用下，发生破裂并沿破裂面有显著位移的构造现象。应力通常源自板块运动、地壳挤压或拉伸等地质过程。当岩石层在垂直或水平方向上受到不同方向的应力作用时，岩层间会产生剪切力，当剪切力超过岩石的强度极限时，岩石便发生断裂，形成断层。断层两侧的地块可能相对上升或下降，形成地堑、地垒等地貌特征。

破碎带则是断层活动过程中，岩石在应力作用下发生破碎、研磨、位移后形成的带状区域。这些区域内，岩石的完整性受到严重破坏，形成大小不等、形状各异的碎块和裂隙。全风化断层破碎带则是在此基础上，由于长期的风化作用，使得破碎带内的岩石进一步分解为松散的土状物质，强度和稳定性急剧下降，对隧道施工构成极大挑战。

1.2 地质危害

由于风化岩石的强度极低，压缩性增大，隧道开挖后，围岩的自稳能力极差，极易发生坍塌事故，严重威胁施工人员的生命安全。破碎带内的岩石破碎且不均一，不同岩性的岩石在外部荷载作用下会产生不均匀的变形和位移，导致隧道支护结构承受不均匀的应力，增加了支护结构的破坏风险。此外，全风化岩石极易吸水膨胀，一旦遇到地下水或雨水渗透，围岩的稳定性将进一步恶化，可能引发大规模的塌方和涌水事故，不仅影响施工进度，还可能造成严重的经济损失和环境污染。因此，在隧道穿越全风化断层破碎带时，必须采取科学有效的技术措施，加强超前支护、合理控制开挖进尺、及时注浆加固，并加强施工监测与反馈，以确保施工安全与质量。

2 全风化断层破碎带开挖施工技术

2.1 超前支护技术

2.1.1 超前小导管注浆

根据地质勘察资料和隧道设计要求，精确确定小导管的布设位置、角度和密度。通常，小导管沿隧道拱部120°～150°范围内布置，外插角控制在10°～15°，以确保浆液能够充分扩散至破碎带内部。小导管的直径和壁厚需根据工程实际情况进行选择，一般采用Φ42毫米热轧无缝钢管，壁厚不小于3.5毫米，长度根据破碎带的宽度和注浆压力进行确定。

注浆材料的选择同样至关重要。为了保证注浆效果，通常选用具有良好流动性和胶凝性的水泥浆或水泥-水玻璃双液浆。注浆时，需严格控制注浆压力和注浆量，确保浆液能够充分填充岩层裂隙和破碎带内的空隙，同时避免注浆压力过大导致围岩破坏或浆液流失。注浆过程中，还需根据注浆压力的变化和注浆量的监测数据，及时调整注浆参数，确保注浆质量和效果。

此外，超前小导管注浆施工还需注意以下几点：一是确保小导管打入岩石的深度足够，以增强注浆的锚固效果；二是注浆过程中应加强注浆管路的检查和维护，防止管路堵塞或漏浆；三是注浆结束后，应及时清理注浆设备和注浆管路，以便下次使用。

2.1.2 超前大管棚支护

对于全风化断层破碎带，通常采用直径较大的钢管，如Φ108毫米或Φ159毫米，壁厚不小于4毫米，以确保其有足够的强度和刚度来抵抗围岩压力。管棚的长度则根据断层破碎带的宽度和预测的影响范围来确定，一般长度为10～40米，足以穿越并加固整个破碎带区域。

在施工过程中，管棚钢管需通过特制的钻机预先打设的孔洞中准确推入，确保每根管棚的位置和角度都符合设计要求。为防止管棚在推入过程中发生偏斜或卡住，需严格控制钻孔的精度和垂直度，并在管棚上设置导向装置。同时，管棚之间需采用丝扣连接或焊接方式固定，以确保整个管棚支护系统的整体性和稳定性。注浆材料通常选用具有高强度和良好胶凝性的水泥浆或双液浆。注浆时，需控制注浆压力和注浆量，确保浆液能够充分填充岩层裂隙和破碎带内的空隙，并在压力作用下扩散至周围岩体，形成坚固的注浆固结体。注浆压力一般控制在0.2～0.6MPa之间，具体值需根据地质条件和注浆效果进行调整。注浆过程中还需进行实时监测，记录注浆压力和注浆量的变化，以便及时调整注浆参数，确保注浆质量和效果。

2.2 开挖技术

2.2.1 全断面开挖法

通过钻探、物探等手段获取准确的地质信息，包括破碎带的宽度、深度、岩石强度等关键参数。基于这些数据，制定详细的施工方案与应急预案，明确开挖进尺、支护措施及监测要求。在开挖过程中，严格控制开挖进尺是关键。针对全风化断层破碎带，建议采用短进尺开挖，每循环进尺不宜超过1.5米，以减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定性。同时，加强开挖面的监测，利用全站仪、激光测距仪等设备实时监测开挖面的变形情况，一旦发现异常立即停止开挖并采取加固措施。支护作业需紧跟开挖面进行，确保开挖后围岩立即得到有效支撑。在全断面开挖法中，可采用钢拱架结合喷射混凝土的方式进行初期支护。钢拱架间距应根据围岩稳定性进行调整，一般不超过0.8米；喷射混凝土厚度需满足设计要求，且应分层喷射，每层厚度控制在5～10厘米之间，以保证支护结构的整体性和密实性。避免地下水对开挖面和支护结构造成不利影响，可采用管井降水、集水坑排水等方法，将地下水位降至开挖面以下一定深度，确保开挖作业在干燥环境中进行。

2.2.2 台阶法施工

首先根据地质勘察结果和围岩稳定性分析，合理划分台阶数量与高度。一般而言，上台阶高度可控制在3～5米，下台阶高度根据开挖面整体高度和机械作业需求确定，确保施工安全与效率。同时，台阶长度需考虑施工机械的作业半径和支护结构的稳定性，一般不宜超过15米。接着强化超前支护与锁脚锚杆。在台阶开挖前，采用超前小导管注浆或超前大管棚支护技术对掌子面前方围岩进行预加固。对于下台阶，特别注重锁脚锚杆的施工，锚杆长度、直径及倾角需根据围岩条件精确设计，一般锚杆长度不小于3米，直径不小于22毫米，倾角向下约15°，以有效锁定台阶脚部，防止台阶滑移。施工中要严格控制开挖进度与循环时间。在台阶法施工中，应遵循“短进尺、弱爆破、强支护”的原则，每循环开挖进尺不宜超过2米，减少爆破对围岩的扰动。同时，合理安排各工序的衔接，确保支护作业紧跟开挖面进行，缩短围岩暴露时间。此外，加强施工监测与反馈调整。利用自动化监测系统对开挖面、支护结构及周边环境进行实时监测，包括位移、应力、渗水量等参数。一旦发现异常，立即停止开挖，分析原因并采取相应措施进行调整，确保施工安全与质量。

2.2.3 侧壁导坑法

根据地质勘察结果和隧道设计要求，精确确定侧壁导坑的位置，通常位于隧道断面的两侧，宽度约为隧道宽度的1/3至1/2，高度则根据施工机械和支护需求确定。导坑间距需保证中间岩柱的稳定性，一般不小于隧道宽度的1/3。导坑开挖采用短进尺、弱爆破的方式，减少对围岩的扰动。开挖后立即进行初期支护，采用钢拱架结合喷射混凝土的方式，确保支护结构的及时性和有效性。钢拱架间距根据围岩稳定性确定，一般不大于0.8米，喷射混凝土厚度满足设计要求，且需分层喷射，保证支护质量。中间岩柱作为侧壁导坑法施工中的关键部位，其稳定性直接影响整个隧道的安全。因此，需对中间岩柱进行特别加固，可采用注浆加固、增设锚杆等措施。同时，利用自动化监测系统对中间岩柱的位移、应力等参数进行实时监测，一旦发现异常立即采取措施进行处理。侧壁导坑法施工需遵循“先挖侧壁、后挖中部”的原则，确保施工顺序的合理性。同时，严格控制各阶段的施工进度，确保支护作业紧跟开挖面进行，避免围岩长时间暴露。

2.3 注浆加固技术

第一，选定注浆材料与配比。针对全风化断层破碎带的特性，注浆材料需具备良好的渗透性、胶凝性和耐久性。常用的注浆材料包括水泥浆、水泥-水玻璃双液浆以及化学浆液等。在确定注浆材料后，需通过试验确定最佳配比，确保注浆体既能有效填充岩层裂隙，又能与围岩形成良好的粘结，提高围岩的整体强度。一般情况下，水泥浆的水灰比控制在0.8⁚1至1⁚1之间，双液浆的配合比则根据具体工程条件进行调整。

第二，优化注浆工艺与参数。注浆工艺包括注浆方式、注浆压力、注浆量及注浆速度等。在全风化断层破碎带中，常采用后退式分段注浆或分段注浆方式，以确保注浆浆液能够充分扩散至破碎带内部。注浆压力需根据围岩的渗透性、注浆管埋深及注浆材料特性综合确定，一般控制在0.2MPa至2.0MPa之间。注浆量则根据注浆压力的变化和注浆孔周围的冒浆情况进行控制，确保注浆饱满且不浪费。注浆速度应均匀稳定，避免过快导致浆液流失或过慢影响注浆效率。

第三，加强注浆过程中的监测与控制。利用注浆压力监测系统和注浆量记录装置对注浆过程进行实时监测，及时调整注浆参数，确保注浆质量和效果。同时，注意观察注浆孔周围的冒浆情况，如发现冒浆应立即停止注浆并采取措施进行处理。

第四，注重注浆后的效果评估与后续处理。注浆完成后，需对注浆效果进行评估，包括注浆体的强度、渗透性以及对围岩稳定性的提升效果等。必要时可采用无损检测技术对注浆体进行检测。对于注浆效果不理想的区域，需进行补充注浆或采取其他加固措施。

3 施工监测与反馈

3.1 监测内容

位移监测：采用高精度全站仪或GPS定位系统，对隧道开挖面、初期支护结构、周边岩体及地表进行定期位移监测。监测点布置需密集且合理，确保能够全面反映围岩变形情况。同时，利用自动化监测设备实现实时监测，及时发现并预警异常位移。

应力应变监测：在隧道关键部位安装应力应变计或应变片，监测支护结构和围岩内部的应力变化。通过数据分析，评估支护结构的承载能力和稳定性，为调整施工方案提供依据。

渗流监测：设置地下水观测井和渗压计，监测隧道周边及开挖面的地下水位和渗流情况。特别是在雨季或地下水丰富的地区，需加强监测频率，防止突发涌水事故。

爆破振动监测：在爆破作业前后，利用爆破振动监测仪对爆破振动波进行监测，评估爆破作业对围岩稳定性的影响。根据监测结果，调整爆破参数，减少爆破振动对围岩的破坏。

环境监测：关注隧道施工对周边环境的影响，包括地表沉降、植被破坏、水质污染等。通过设立环境监测点，定期采集数据，确保施工活动符合环保要求。

3.2 监测方法

引入自动化监测设备，如自动全站仪、GPS监测系统、无线传感器网络等，实现全天候、不间断的数据采集，自动记录并传输监测数据，减少人为误差，提高监测效率。建立远程监控中心，将现场监测数据实时传输至中心，利用专业软件进行数据分析与处理。通过数据分析，及时发现监测数据中的异常变化，并预警潜在的安全风险。另外，在自动化监测的基础上，定期进行人工巡查和复核。巡查人员需携带便携式监测仪器，对关键监测点进行实地测量与检查，验证自动化监测数据的准确性，并补充自动化监测可能遗漏的信息。结合多种监测方法和技术手段，如位移监测、应力应变监测、渗流监测等，形成综合监测体系。通过多源数据的融合与分析，全面评估隧道施工过程中的各种风险因素，为施工决策提供科学依据。根据施工进展和监测结果，动态调整监测方案。在关键施工阶段或发现异常情况时，加密监测点布置，增加监测频率，确保监测数据的连续性和完整性。

3.3 反馈调整

一旦发现监测数据异常或超出预警阈值，立即启动快速响应机制。成立应急小组，明确各成员职责，确保能够迅速响应并采取有效措施。组织专业技术人员对监测数据进行深入分析，结合地质勘察资料、施工记录等信息，查明异常数据产生的原因。必要时，进行现场勘查，获取第一手资料。根据异常原因分析结果，制定针对性的调整方案。方案需明确调整目标、具体措施、实施步骤及责任分工，确保调整工作有序进行。按照调整方案要求，迅速实施调整措施。同时，加强调整过程中的监测与记录，及时跟踪调整效果。若调整效果不佳，需重新分析原因并调整方案。每次反馈调整后，组织相关人员进行总结会议，分析调整过程中的成功经验和不足之处。将经验教训纳入施工管理制度和应急预案中，为后续施工提供参考和借鉴。

4 结束语

公路隧道全风化断层破碎带的开挖施工技术复杂且具挑战性。通过采用超前支护、合理开挖方法及注浆加固等综合技术措施，能够有效提高围岩稳定性与施工安全。在施工过程中，需加强施工监测与反馈调整工作，确保施工方案的科学性与合理性。未来，随着施工技术的不断进步与工程经验的积累，全风化断层破碎带的开挖施工技术将更加成熟与完善。

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