隧道掘进断层破碎带施工方法及工程实例

隧道掘进断层破碎带施工方法及工程实例---13级土木6班刘志明1308230231摘要：随着社会和科学技术的不断进步，隧道这种通过大山大河的方式被广泛的采用。遇到断层破碎带是隧道掘进的很大的问题，本文整理归纳了常见的断层处理技术并进行了相关的工程实例分析。关键词：隧道；断层；施工0引言隧道围岩稳定是隧道掘进过程中非常重要的问题，尤其是在断层破碎带区段围岩稳定性特别需要重视。本文简单分析了断层破碎带对围岩稳定性的影响，并根据国内几个不同的隧道断层施工实例的分析总结了隧道断层施工几种工艺。1断层破碎带对围岩稳定性的影响研究结果显示,断层交会和断层归并复合很容易引起围岩失稳,断层的其他要素如风化程度、断层走向与隧道中线走向的夹角对围岩稳定性影响也很大【1】。断层交会对隧道围岩稳定性的影响最大,因为其与单一式断层相比,明显扩大了断层的规模,增加了断层的裂隙、空隙的密度,增大了裂隙、空隙,从而降低了破碎岩石、角砾的胶结程度和黏着力。另外,由于断层交会复合为不同走向断层相交,所以其对围岩稳定性的影响程度比断层归并复合还要大很多。2断层施工技术在隧道开挖施工过程中，断层及其破碎带的难度特别大，是非常容易出事故的地段。在高速公路、铁路隧道等大量施工中经常面临断层的处理问题。在隧道掘进的过程中要进行超前地质预报，准确定位断层破碎带的位置，提前采取措施，解决或降低断层破碎段的不良影响。主要措施有:⑴通过超前帷幕注浆固结岩体，并封堵地下水通道;⑵施做超前小导管和超前大管棚等超前预支护措施，加固围岩;⑶采用短进尺、短台阶的开挖方法，并预留变形量;⑷增强初期支护的强度，并及时封闭成环;⑸二次衬砌加强。在施工技术上，我们需要注意几点要求：1超前小管棚施工在破碎的松散的岩体中超前钻孔，打入小导管，这个小导管采用的是每根4m的长度,一端加工成尖锥形，而另一端要设置4排孔眼，这有利于小导管将浆液推进和渗入破碎岩体。为了防止浆液从其它的孔眼中溢出来，注浆前要把那些孔眼都安装止浆塞，顺序是先从两侧拱脚向拱顶。而且注浆时要把孔眼之间相隔开，不可以连续的注浆，从而达到固结效果，又能控制注浆量。2隧道的开挖隧道开挖技术是断层破碎带施工过程中必须注意的关键技术，洞口开挖可以选择机械施工，而对于洞身开挖可以选择简易自拼装台车钻眼，配以多段毫秒雷管，并在周边眼选择专用导爆管，以提高光面爆破效果。对于隧道出碴，可以选择装载机，配以自卸汽车，而二次衬砌混凝土浇筑选择12米长大模板台车，混凝土集中在混凝土拌和站拌制，由混凝土运输车专门运输，并泵送入模。另外，对于边侧沟施工，可以选择组合钢模板。在隧道开挖时，由于需要考虑多方面的因素，合理选择适当的开挖方法，主要的开挖方法有以下几种：第一，全断面开挖法。这是指将整个隧道开挖断面一次钻孔、一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖法。全断面法实用于1到3级硬岩地层和2级软岩地层。第二，台阶法施工。是将结构断面分成两个或几个部分具有上下断面两个工作面或多个工作面，分布开挖。它的特点是灵活多变、适用性强，有足够的作业空间和较快的施工速度，能较早地使支护闭合，有利于开挖面的稳定性和控制其结构变形及由此引发的地面沉降。它分为正台阶上下两部分步开挖法；正台阶分步开挖留核心土法，适用于较差的地层；中隔墙台阶法开挖，一般用于工作面地层自稳能力较差，上台阶开挖后拱脚支撑在未开挖岩体上的自稳时间较短且开挖断面跨度较大时。第三，台阶开挖法。台阶开挖时要注意台阶长度要适当。要根据初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩稳定性愈差，闭合时间要求愈短，及上班断面施工时开挖、支护、出渣等机械设备所需的空间大小的要求来确定选用长台阶、短台阶或是微台阶。还要注意解决好上下半断面作业的相互干扰问题，尤其是短台阶干扰较大，要注意作业组织，对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，在进行下半断面施工。第四，侧壁导坑法。它分为单侧壁导坑法和双侧壁导坑法。单侧壁导坑法是指在隧道断面一侧先开挖一导坑，并始终超前一定距离，再开挖隧道断面剩余部分，变大跨断面为小跨断面的隧道开挖方法。适用于地层较差、断面较大的隧道。为了稳定工作面，须采用超前大管棚、超前锚杆等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖法、人工和机械配合开挖法的等。第五，台阶七步法。跟台阶法相似，这是在洞身开挖时使用的，是指在隧道开挖过程中，分七个开挖面，然后分部同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作构成稳固的初期支护体系。3锚喷初期的支护在选择系统锚杆时，必须选择一定规格的，不论是纵向还是环向，其间距都应控制在100cm左右，采用梅花形布置，并对拱墙设置钢格栏。4监控量测在初期的支护完成后，对于隧道的拱顶、拱脚及周围的边墙的内轨顶面要进行水平收敛量测和进行拱顶下沉。3具体施工案例隧道破碎带施工方法很复杂，但不同的工程中又有相同的地方。在此仅较详细地介绍两个案例，其他的仅就其不同点进行分析。3.1靠椅山隧道工程3.1.1工程概况靠椅山隧道位于京珠高速公路粤北甘塘至翁源段,设计为分离式双向六车道隧道,隧道横穿靠椅山东北段,右线长2949m,设计最大开挖净宽为17.4m,最大开挖高度12.24m,最大开挖面积165.45m2。为国内跨度最大的公路隧道之一。靠椅山隧道出口右线YK147+230～YK147+156段设计中,隧道经过的地层岩石主要为弱风化和微风化变质砂岩,厚层夹薄层块状结构,为软弱结构层,局部碎裂,易沿层理分离,完整性及稳定性较差,基岩裂隙水发育。洞顶有二条溪流通过,常年流水,小溪地表水可全部渗入洞内。开挖中,局部呈褶皱压碎镶嵌结构,断层属正断层,其间夹强风化泥质页岩,遇水软化,岩体稳定性差。拱部左半部为黄褐色不规则体,钻孔探测,有黄泥水成股涌出,判断为破碎带。地下水大量渗入洞内,日涌水量1440m3/d左右。3.1.2施工方案参考国内外类似大跨度隧道工程实例,针对靠椅山隧道断裂破碎带的特点及工期要求,在施工中,采用超前小导管预注浆加固拱部软弱体的多台阶、全断面开挖施工。上半断面在支护环的保护下,领先开挖,形成伞形结构。在超前小导管注浆支护下,形成预先堵水加固围岩,达到止水并在工作面周围形成一个承载壳——地层自然拱。3.1.2.1小导管超前支护预注浆【2】(1)超前小导管采用外径42mm,壁厚3.5mm热扎无缝空心钢管,钢管前端呈坚锥状(尾部穿过工字钢腹板开孔孔口)管壁四周钻6mm压浆孔,尾部1m不设压浆孔,单根管长3.8m。(2)超前小导管的布置及参数:其尾部穿过初支中采用腹板开孔的I18#工字钢,纵向间距1.0m,环向间距40cm,以14°外倾角布设于拱部150°范围内。(3)注浆参数及压浆方案的确定。综合考虑到凝胶时间,结合岩体围岩松散程度与抗压强度、工程成本、施工操作,以往验证及现场实验,注浆决定采用水泥、水玻璃双液浆;水泥与水玻璃体积比1:0.5,水泥浆水灰比1:1,水玻璃浓度控制为35Be,模数取2.4;单孔注浆量由浆液扩散半径及围岩的孔隙率确定。(4)止浆盘设计:在洞内掌子面施作超前小导管的周围1.5m范围内喷C20混凝土25cm厚,做止浆盘。采用麻丝胶泥孔口止浆。(5)主要材料及机具设备:主要材料为425#普通硅酸盐水泥,水玻璃,磷酸氢二钠;主要机具为注浆泵(ZTGZ-60/50型双液注浆泵),立式灰浆搅拌机,孔口混合器及其它设备(自制),孔口管及注浆管。3.1.2.2施工效果由量测结果知,围岩在开挖后即产生变形,随着掘进的推进,位移逐渐增大,在整个断面开挖后,曲线逐渐出现缓和,慢慢趋于稳定。拱顶下沉最大29mm,周边位移最大21mm。从变形情况可以看出,施工方案合理、科学,支护参数及时有效。3.2洞子崖隧道3.2.1工程概况包西铁路洞子崖隧道位于陕西省澄城县洞子崖村东南侧,西延至铁路洞子崖车站左前方。隧道为DK683+062～DK684+385段,全长1323m,为双线铁路隧道,全隧道位于直线地段,洞内线路为5.4‰的单面下坡,开挖最大高度为12.1m,最大宽度为14.7m,最大开挖断面积为143.65m2。洞子崖隧道DK683+938～DK684+076段属杜康沟断层破碎带,其中DK683+938～DK684+004段为浅埋段,隧道埋深浅、围岩较破碎,施工中易出现拱顶下沉、水平收敛、坍塌等现象。全隧道采用一个工作面由出口向进口方向掘进。3.2.2施工方案洞子崖隧道杜康沟断层地段多为断层泥砾,岩体呈角砾松散结构,属Ⅴ级围岩,该断层带最小埋深为18m,施工中易出现拱顶下沉、水平收敛、坍塌等现象。施工时严格按照“新奥法”原理,遵循“管超前、弱爆破、短进尺、少扰动、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则制定施工方案,防止在断层破碎带浅埋段施工时出现拱顶下沉、水平收敛等现象。3.2.2.1双侧壁导坑法施工双侧壁导坑法施工工序说明如下。双侧壁导坑法开挖工艺和施工顺序详见施工工序示意图(图2)。图1双侧壁导坑法施工示意图第一步:(a)利用上一循环架立的钢架施作隧道侧壁导坑超前支护;(b)弱爆破开挖①部;(c)喷8cm厚混凝土封闭掌子面;(d)施做①部导坑周边的初期支护和临时支护,即初喷4cm厚混凝土,架立20b型钢钢架和18临时钢架,并设锁脚锚管;(e)导坑底部喷18cm厚混凝土,施做①部临时仰拱,安设18横撑;(f)钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。第二步:(a)在滞后①部4～6m后,弱爆破开挖②部;(b)喷8cm厚混凝土封闭掌子面;(c)施做②部导坑周边的初期支护和临时支护,即初喷4cm厚混凝土,接长20b型钢钢架和18临时钢架,并设锁脚锚管;(d)导坑底部喷18cm混凝土,施做②部临时仰拱,安设18横撑;(e)钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。第三步:在滞后②部4～6m后,弱爆破开挖③部并施做导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同第一步。第四步:在滞后③部4～6m后,弱爆破开挖④部并施做导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同第二步。第五步:(a)在滞后④部4～6m后,弱爆破开挖⑤部;(b)施做⑤部导坑周边的初期支护和临时支护,即初喷4cm厚混凝土,接长20b型钢钢架和18临时钢架;(c)隧底周边部分喷混凝土至设计厚度。第六步:在滞后⑤部4～6m后,弱爆破开挖⑥部并施做导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同第五步。第七步:(a)利用上一循环架立的型钢钢架施做超前支护;(b)开挖⑦部;(c)喷8cm厚混凝土封闭掌子面;(d)拱部喷4cm厚混凝土安设型钢钢架,钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。第八步:(a)滞后⑦部4～6m后开挖⑧部;(b)喷8cm厚混凝土封闭掌子面。第九步:(a)滞后⑧部4～6m后开挖⑨部;(b)喷8cm厚混凝土封闭掌子面。第十步:(a)开挖⑩部;(b)导坑底部初喷4cm厚混凝土,安设型钢钢架使钢架封闭成环,复喷混凝土至设计厚度。第十一步:(a)根据监控量测结果分析,待初期支护收敛后,拆除18临时钢架和临时横撑;(b)灌注(11)部边墙基础与仰拱及隧底填充混凝土。第十二步:利用衬砌模板台车一次性浇注衬砌混凝土(12)(拱墙衬砌一次施工)。3.2.2.2双层超前小导管施工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、一定厚度的壳体,在壳体的保护下进行开挖支护施工,开挖进尺控制在1～1.5m范围内。[3]图2双层小导管布置及固定示意图3.2.2.3施工效果洞子崖隧道的施工证明,采用双侧壁导坑法配合其他的沉降控制措施的施工技术,可以顺利的通过断层破碎带浅埋段,并能够有效地控制隧道洞内周边位移,保证了工程质量和施工安全。同时对在断层破碎带浅埋段隧道中施工的其他工程提供一定的借鉴意义。3.3六盘山隧道局部富水破碎围岩注浆治理工程3.3.1注浆堵水施工方法【4】六盘山隧道围岩级别为IV