中铁九局集团第七工程有限公司 辽宁省沈阳市 110044
摘要：隧道开挖通常会遇到各类复杂的地质结构，断层破碎带便是其中较为典型的一种，其强度普遍偏低，容易发生变形现象，同时抗水性能差，因此，在此环境下施工时难度将随之增大，各类突发性安全事故也较为频发，诸如塌方、突泥等均会给工程施工带来阻碍。为了避免灾害与施工事故的发生，有必要对开挖支护技术展开探讨，以提升隧道的支护强度，为隧道施工营造更为安全的环境。
关键词：隧道工程；断层破碎带；开挖支护
引言：随着我国隧道工程的不断增多，隧道施工过程中所遇到的复杂地质状况也随之增加。隧道工程，经常会遇到断层破碎带，这种稳定性较差的地段。对于断层破碎带的施工技术处理，可以说是隧道施工的关键。如果处理不当就很容易出现岩体失稳、甚至塌方的问题。因此，对断层破碎带的施工处理，已经成为隧道工程的重点和难点，必须得到高度的重视，同时也应结合具体情况，采用有效的技术对策，来保障断层破碎带的施工安全性和稳定性。
1.工程概况
本文所述高速公路工程项目位于华坪至丽江段，该段总长为153.288km，沿线多山地丘陵，需要进行大量隧道开挖作业。工程共设有5座隧道，其对应总长为11.958km，隧道施工区域地形复杂，为典型的穿越断层破碎带地形，基于提升施工安全性的目的，需要采取开挖支护措施。
1.1地形地貌及地质、水文条件
在本文所论述的区段中如图1所示，其线路走向沿着五郎河峡谷而展开，两侧为高山，中间是极为狭窄的沟谷，为典型的“V”型峡谷结构。同时，两侧地形起伏较为明显，谷坡均超过30°，最陡处达到65°。项目沿线的基岩大多裸露，岩体结构完整性较差，平缓地段存在大量碎石土。水系方面，项目区域内地下水大多来源于河水以及大气降水，周边有部分高山积雪，因此形成的雪融水也是地下水的主要补给形式。
2.断层破碎带对隧道的影响
隧道在穿越断层破碎带时，会明显增加开挖难度。断层破碎带会直接影响到隧道岩体的强度，对岩体的完整性也会产生一定影响。而且断层破碎带的存在，还会影响到结构表面的抗滑阻力，对隧道的整体稳定性会产生极大影响。由于断层破碎带会对周围岩体造成一定范围的影响。因此，实际施工中需要处理的断层破碎带宽度要比断层破碎带本身的宽度，宽出许多。此外，断层破碎带还会存在较为明显的黏土化特征或涌水特征，在施工时，处理不当容易出现大量的涌水及涌砂现象，这些对隧道围岩的稳定性和支护体系的有效性都会产生直接影响。在实际工程了，断层破碎带对隧道工程的影响程度，与断层破碎带本身的规模、特点及组合方式有关。
3.断层破碎带与隧道工程的关系
在对断层破碎带与隧道的关系进行研究前，首先应当对断层的基本类型加以明确，根据断层两盘相对位移的关系，大体上可将断层分为以下三种类型：其一，正断层。此类断层主要是指沿着断层岩石面的倾斜方向下盘相对上升，上盘下对下降的断层。这类断层的形成主要与张拉力和重力有关，其断层面的倾角相对比较陡峭，断层线以平直居多；其二，逆断层。此类断层具体是指下盘相对下降，上盘相对上升的断层，多数都是在地壳挤压作用下形成的，断层的两盘多数都处于闭合状态；其三，平移断层。此类断层则是指两盘沿着断层走向发生相对位移，断层面近乎于直立，倾角较陡，一般都是在地壳水平运动过程中，在受剪切力的作用下而形成的。
3.1断层破碎带
断层破碎带主要是因为断层两盘在相对滑动的过程中，使两侧的岩层遭受挤压作用而破碎，进而形成的长条状且方向一致的破碎带，它的宽度与岩石的性质、断层距离以及断层性质等因素有关。按照破碎带中岩石的破碎程度可将之分为角砾岩、断层泥、磨砾岩等几种类型。
3.2断层破碎带与隧道的关系
当隧道工程穿越断层地段时，隧道施工难度的大小一般取决于断层的性质、破碎带结构中岩石的破碎程度、含水性以及断层活动性等因素。当施工方法、机械设备等条件相差不大时，断层破碎带与隧道之间的关系直接影响施工难度和工期。通常情况下，当隧道的轴线无限接近于垂直构造的方向时，且断层规模较小、宽度不大、含水量较低时，施工难度较小；如果隧道的轴线与构造方向斜交或是平行时，隧道穿越破碎带的长度会随之增大，并且会伴随出现较为强大的侧压力，为了确保施工安全，此时必须对隧道支护体系进行加强，并及时进行封闭。
4.隧道断层开挖支护施工技术
4.1施工工序
对于隧道V级软岩地形而言，采用3台阶临时仰拱法，其具体施工工序为：首先对隧道施工区域采取超前支护措施，在此基础上展开上台阶开挖作业，随后进行再次支护，以便为下台阶开挖作业提供稳定的环境。结束作业后，再次进行支护后方可进行仰拱处理并对其进行填充，最终展开拱墙衬砌施工。此过程中有2点需要注意：①在进行下台阶开挖时，若施工区域有钢架结构，需采取单侧错开开挖的方式进行施工；②开挖时以光面爆破法为宜，将台阶长度控制在5m～8m范围内，单次进尺不可超过2m。
4.2施工方法
第一，超前地质预报。在隧道开挖穿越断层破碎带时，常常会出现坍塌、突水等问题，为了保证施工安全、有序进行，应当在隧道施工过程中，采用超前地质预报。该方法是确保隧道穿越断层破碎带施工安全的有效途径之一。应当对穿越断层破碎带的隧道进行地质调查，并按照隧道已有的勘察资料和隧洞内开挖作业面的地质描述，借助相关工具，对作业面前方的地质情况进行推测，同时，在隧道开挖的过程中依据超前地质预报的实际情况进行随时补充，借此来了解即将穿越的破碎带的位置、宽度等情况，制定有针对性的施工技术措施，确保施工顺利进行。第二，加固圈。这里所指的加固圈就是利用超前小导管+水泥浆液在隧道拱部120度范围内的四周形成强度与厚度足够的加固拱，借此来提高围岩自身的承载能力和稳定性。第三，正台阶法。这是隧道穿越破碎带时较为常用的一种开挖方法，在开挖过程中，要遵循短进尺、强支护的开挖原则，上下台阶的高度差应当合理，并采取左右交错的方式进行开挖。同时，要控制好两个台阶之间的纵向距离，这样有助于极早落底。此外，开挖之后，要尽可能减少围岩在外界环境中的暴露时间，及时进行初期支护。第四，初期支护。常用符合设计要求的混凝土对隧道掌子面进行初喷封闭，随后采用工字钢制作钢拱架，并在纵向上用钢筋进行连接。
4.3爆破设计
对于III级围岩破碎带而言，宜采用台阶法展开开挖作业，将单次循环进尺深度控制在3m水平，要求施工人员每3d内均完成4个循环作业。基于臂凿岩台车完成打眼作业，当完成打眼施工后要清理各个孔，确保其内部不存在任何台渣，此环节以挖掘机设备为宜。同时，运用光面爆破法进行有序起爆，具体爆破方法为：将炮眼直径设置为42mm，掏槽孔对应深度控制在3.2m，剩下的孔深度应在前者基础上浅0.5m。综合施工经验，加之对现场环境的分析，最终将不耦合系数范围确定在1.5～2范围内，由此可带来更优良的光爆效果。将周边眼距E值设定为450mm，对施工区域的大坡隧道地质环境进行分析，考虑到抵抗线W的作用，最终二者的比值应介于0.8～0.88区间内，即W以500mm为宜。对于周边眼线而言，将其装药系数定为200g/m，余下的孔装药量q根据公式q=kaWλ求得，除了上述提到的参数外，k为炸药单耗，a为炮眼间距，λ为炮眼部位。对于周边眼可采用不耦合装药的方式，以定位竹片为基准，在其基础上沿着固定间距进行光爆药卷的绑扎作业，随后进行导爆索连接处理。同时，巧妙利用孔内微差实现爆破，起爆器材运用电雷管。具体工序为：首先展开掏槽眼起爆，随后进行扩槽，转向掘进眼，最终完成内圈眼以及周边眼的爆破。
4.4支护施工
第一，洞口长管棚：导向墙施工。在施工过程中，将其尺寸设为1m×1m，施工材料采用C25混凝土，布设钢架结构，在其外侧区域设置导向钢管，此部分材料厚度以5mm为宜，基于焊接的方式实现钢架与钢管之间的紧固连接，并利用螺栓实现各单元之间的连接；（2）长管棚施工。在现场完成长管棚的制作，利用汽车运输将其就位于工作区域，采用管棚钻机设备进行长管棚施工，基于一次性的方式做好长管的安装工作，随后运用套管跟进法完成钻进作业，最后进行注浆施工。由于工程对注浆压力提出了较高的要求，因此需要使用到高压注浆泵，将其压力控制在O.5MPa～2MPa范围内，所使用的浆液水灰比以1:1为宜。为了全面提升注浆质量，应展开注浆试验，依据实际情况对注浆参数做以适度调整。此外，当完成注浆施工后，需对钢管展开填充作业，此处选用M10水泥砂浆；（3）施工中注意事项。管棚施工是一种典型的超期支护方式，此环节应建立在完成隧道暗洞开挖的基础上。先设置注浆孔，后检查对接头。运用隔孔注浆的方式展开施工，在施工初期其压力应控制在O.5MPa～1MPa范围内，待稳定后最终压力应达到2MPa。待注浆孔注浆结束，应检查注浆结果，确保其质量符合工程要求，并检查钢管中砂浆的填堵情况。在展开洞口长管棚施工时，要做好预埋套管的定位工作，严格遵循设计规范展开导向墙的施工，为了确保钢套管的斜度，应使用测斜仪进行密切地测量。在钻进施工时，除了做好斜度测量工作外，还需做好钻进深度的数据记录工作。以设计要求为基准，在其指导下严格控制管棚的外插角，以确保管棚的支护效果[1]；（4）洞身长管棚。将管棚工作时的长度控制在12m～15m范围内。当结束导向墙以及孔口管施工后，则需进行钻孔处理，以便钢化管的安放工作，随后方可进行注浆施工。当超前管棚施工完毕，可随即展开超前小导管施工作业，利用焊接的方式实现钢架与管棚尾段的紧固连接，形成一个高强度的支护系统；（5）洞身中管棚。管棚的长度应超过6m，但最大处不得超过12m，利用超前小导管可实现二次加固处理，以提升周边围岩的稳定性。第二，超前小导管。在现场完成小钢管的制作，对岩面喷射混凝土材料，基于凿岩机完成钻孔作业。此外，由于凿岩机具有强劲的推力，可将小导管精准推送至孔洞内部，使用测斜仪对钻孔角度进行实时监测，基于注浆泵的作用能将水泥砂浆注入孔中。对钢架以及尾段进行焊接处理，将钢管打入并随即展开注浆作业，由此形成管栅支护环。一旦发生串浆现象，应启动多台设备协同施工。如果进浆量超出正常范围，则应合理调节浆液的配比，改变其浓度情况，缓解胶凝时间。浆液需要在裂缝中滞留一段时间，以混合浆胶凝时间为基准，即不可超过混合浆胶凝时间[2]。
4.5断层破碎带隧道的开挖技术
通常情况下，对于存在断层破碎带的隧道，应尽量避免采用全断面开挖的方式，可结合断层带的实际情况，采用半断面微台阶、上下断面顺序开挖或微震爆破的方法。具体的施工技术如下：(1)半断面微台阶开挖技术：当隧道穿越局部或者大规模的断层破碎带时，且断层破碎带处在隧道的拱部时，通常可选择半断面微台阶法来进行开挖。这种开挖技术有利于空间的灵活运用，可有效提高施工效率。需要注意的是，为了保证隧道断层破碎带的稳定性，在隧道开挖后，需要及时进行锚喷支护。在施工过程中，上台阶需要超前3~5同，下半部与后拱部可同时开挖，这样可提高断面的闭合速度。(2)上下断面顺序开挖技术：这种开挖方法是指，断层破碎带被隧道上半断面全部穿越后，再对下半部断面进行开挖支护。这种施工技术方法，比较适合应用于断层破碎带规模较大，且稳定性较差的隧道工程中。在断层破碎带岩石风化破碎程度比较严重，甚至导致岩体稳定性受到威胁时[3]，可先中留核心，并对周边岩体先进行环形爆破开挖。之后，设计好临时支护体系，最后再爆破开挖预留的核心部分。下断面开挖时，采用分部开挖的方式，先对中槽进行开挖，然后再对马口进行左右交错性的开挖，对下部钢架进行施工。施工时进行随挖、随接、随喷的有序性操作。(3)微震爆破技术：在断层破碎带实施爆破作业时，除了要遵循短循环进尺、药量严格控制的原则外，还应该对爆破钻眼的位置进行合理设计，对装药的参数以及装药的结构进行科学安排，这样方可保证爆破作业的安全性，从而对隧道开挖轮廓线以外的围岩状态进行有效维护。此外，还应该对掏槽的形式进行合理选择，同时还要注意控制钻爆参数及起爆顺序。
4.6监控量测
隧道穿越断层破碎带的施工中，为了确保施工质量，必须进行监控量测，可将监控的重点放在对拱顶下沉及周边收敛上。对隧道开挖作业面的观测应当在每次开挖完成后进行，当地质情况变化较小时，可每天观测1次；初期支护至少每天观测1次；水平收敛与拱顶下沉的量测可以采用相同的频率，当拱顶的下沉量相对较大时，除了要加强对拱顶下沉的量测之外，还应当对拱腰和基底进行量测。
4.7局部坍塌处理及施工要点
当施工不当造成断层破碎带局部坍塌时,需加强超前支护和初期支护的施工力度,并注意对塌空部位及时封闭,及时采用浆砌片石回填,但宜在塌空部位出现在侧部时采用,拱部塌空时,为保证良好的成拱作用,宜用泵送砼回填。施工中若遇到较大的涌水,应按照“治坍先治水”的原则,埋挂引水管路,将水流集中引排,防止漫流而引起坍方加剧。对于坍塌已处理的部位,要全面钻孔检测注浆混凝土的密实度和厚度,对有空洞的地方,在不影响掌子面施工的前提下要进一步注浆或泵送混凝土,并及早进行仰拱施工,使支撑体系形成封闭环,增大结构的承压能力,如坍塌部位出现在侧部,应加强墙脚以上2米范围内的喷射混凝土厚度,断层规模和危险性较大时,应及时对断层地段整体作好二次衬砌,以保证施工安全。
结论：
简而言之，本隧道的破碎带监控量测为围岩及初支的稳定性判定提供了可靠的依据，同时对施工也起到了一定的指导效果。在测得围岩及初支变形异常后采用了注浆加强。隧道开挖及支护中应结合实际揭露围岩状况确定支护参数，特别是在断层破碎带等围岩较差地段，围岩地质条件复杂，且变化快，必须采用现场踏勘掌子面的动态地质勘察和随时按实际情况变化支护参数的跟踪设计。综上所述，隧道施工受地形环境的影响较大，对于断层破碎带而言其施工过程中极容易发生工程意外，因此需要采取开挖支护措施。基于提升支护合理性的目的，应对现场环境进行勘探，选定合理的施工技术，提升钻孔以及管棚制作等各个环节的质量，从而为隧道施工创造稳定的条件，最终推动隧道施工的开展。
参考文献：
[1]王敏.山区高速公路隧道断层破碎带施工技术探讨[J].149~150.
[2]李雪刚.隧道断层破碎带施工技术研究[J].科技创业家,2012,7:23~25.
论文作者:潘博
论文发表刊物:《防护工程》2019年14期
论文发表时间:2019/11/15
标签：断层论文; 隧道论文; 作业论文; 围岩论文; 断面论文; 注浆论文; 地质论文; 《防护工程》2019年14期论文;