隧道工程中破碎帶開挖施工技術應用

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【摘要】中條山隧道工程項目位于富水軟弱破碎帶，施工過程中易出現巖體失穩等多種地質災害，施工難度較大。項目組綜合考慮多個方面，采用三臺階法與CRD法進行施工。論文結合該工程項目具體研究了穿越斷層破碎帶開挖施工技術在隧道工程中的應用。

【關鍵詞】隧道工程；斷層破碎帶；施工技術

1引言

我國屬于多山國家，尤其是西部地區，山嶺重重，公路工程與鐵路工程建設過程中不可避免地需要穿越山嶺，但這些區域地形起伏較大，褶皺斷層較多，圍巖裂隙水豐富，軟弱圍巖及破碎地帶占比較大。斷層破碎帶是地質構造中比較常見的形態，其大小、規模不等，長度從1m以下到上千米不等，嚴重破壞了巖層的完整性與連續性，在這種特殊地質條件下，如何確保隧道工程正常施工以及支護結構穩定是需要重點研究的問題。隧道工程中穿越斷層破碎帶開挖施工，因地質因素產生的問題眾多，包括巖體失穩、地質災害等，施工過程中一旦發生事故，輕則導致項目建設周期延長，項目成本增加，重則釀成安全事故，造成人員傷亡，而且事故處理難度較大。

2工程概況

中條山隧道右線起點樁號為YK5+673.563~YK15+282，隧道入口段為曲線。此處曲線半徑為3000m，出口也是曲線，此處曲線半徑為3600m，正洞部分基本上是直線，長為9609m，隧道縱坡為1.92%；左線起點樁號為ZK5+672~ZK15+280.038，隧道入口段是曲線。曲線半徑為3400m，出口也是曲線，曲線半徑為3290m。中條山隧道的長度為9609m，該處的隧道縱坡1.92%。埋深方面，隧道最大深度為681m，屬于深埋公路隧道。中條山隧道穿越的大部分巖層主要由頁巖構成，風化度較高，整體上處于破碎狀態，從力學層面來說，完全不具備受力特性。該隧道橫穿中條山山脈，所處區域內主要為剝蝕性巖層，走向多樣無規則，巖石節理豐富且明顯，尤其表層巖石風化最為嚴重。斷層帶位于隧道K7+200附近，是山前大斷裂產生的二次結構產物，斷層埋深超過80m，跨度超過30m，構造裂隙水大致為1460m3/d，屬于富水軟弱破碎帶。

3隧道工程中穿越斷層破碎帶施工方案

隧道工程中穿越斷層破碎帶施工多采用三臺階法與CRD法（交叉中隔壁法），在本項目中僅在局部特定情況下可使用三臺階法，整體而言CRD法更符合本項目開挖施工要求，因此，擬采用CRD法進行施工，其具體施工流程為：（1）超前地質預報；（2）測量放線作業；（3）隧道左側以及右側上部超前支護；（4）隧道左側以及右側上部開挖、出渣、開挖施工初期的支護以及中隔壁施工，同時做好隧道圍巖測量監控工作；（5）隧道左側以及右側中部開挖、出渣、開挖施工初期的支護以及中隔壁施工，同時做好隧道圍巖測量監控工作；（6）隧道左側以及右側下部開挖出渣、開挖施工初期的支護以及中隔壁施工，同時做好隧道圍巖測量監控工作；（7）拆除仰拱襯砌以及中隔壁；（8）仰拱填充作業以及二襯施工作業。

4隧道工程中穿越斷層破碎帶開挖施工技術

4.1注漿施工

4.1.1注漿方法。根據中條山隧道項目的設計要求以及地質勘察報告，注漿方法擬采用全斷面周邊注漿法、局部注漿法以及全斷面帷幕注漿法3種注漿方法。注漿方案設計的基本原則是在斷層影響區域采用全斷面周邊注漿法，在灰巖地帶以及斷面內局部突水區域采用局部注漿法，在穿越斷層帶區域采用歐冠全斷面帷幕注漿法[1]。4.1.2注漿施工技術。關于注漿材料的選擇與確定，參照以往相關工程項目施工經驗，水泥漿和水玻璃漿液的比例控制在1∶0.8~1∶1，水玻璃漿液濃度控制在657g/L；水泥漿水灰比控制在0.8∶1。注漿施工流程為：（1）測量放線，確定并標注各鉆孔位置；（2）鉆機就位并做好固定措施；（3）確定鉆機鉆進方向；（4）鉆直徑為130mm的鉆孔，深度為3m；（5）安裝長度為3m，直徑為108mm的孔口管；（6）采用前進式分段注漿法進行注漿施工；（7）檢查單孔注漿效果，若符合施工標準，則進行下一孔注漿施工；若注漿效果不佳，則繼續注漿施工；（8）所有鉆孔注漿施工完成后檢查整體注漿效果，若符合施工標準，則注漿施工完成，若注漿效果不佳，則及時采取補救措施[2]。注漿施工的目的是對圍巖進行加固，提高洞身圍巖穩定性，同時控制用水量，從而確保隧道工程施工安全以及后期運營安全，在注漿施工過程中具體需要注意以下方面：（1）注漿施工前需要全面掌握灌漿量、泥漿填充率、泥漿率、泥漿膨脹半徑、泥漿凝結時間以及壓力等相關指標[3]。（2）注漿施工前需要準確測定泥漿材料凝結時間，若泥漿凝結時間不符合施工要求，一律不予采用。（3）施工現場應配備專用的水泥漿儲漿桶，先在攪拌桶中攪拌好水泥漿，然后加入儲漿桶，儲漿桶需要配備攪拌裝置，以免水泥漿凝結。（4）為避免水泥塊等雜物混入水泥漿導致攪拌桶管路堵塞，應在攪拌桶出口與進口位置加裝過濾網。（5）為保障注漿效果，水泥漿在攪拌桶中的攪拌時間應不低于3min，從制備水泥漿到注漿作業完成，整個過程不超過4h[4]。（6）注漿作業按照由外向內的順序進行，對同一個加固圈的注漿作業應分序進行。

4.2隧道開挖

隧道開挖施工過程中，為盡可能降低施工對圍巖的影響，最大限度地控制圍巖變形，在隧道穿越斷層破碎帶區域采用上部弧形導坑預留核心土三臺階法進行開挖施工。其中，上部弧形導坑部分均采用人工開挖，開挖工具選擇風鎬，施工過程中若遇到特殊情況，在確保施工安全的前提下可采用弱爆破輔助施工。核心土的長度與上臺階保持一致，與拱頂開挖面的距離控制在1.5m，拱腳到坡腳的距離控制在2.5m。仰拱和中、下臺階選擇微震光面爆破法進行開挖施工，施工過程中要注意嚴格控制裝藥量，確定炮眼以及炮眼深度，最大限度地降低爆破對圍巖造成的影響[5]，防止圍巖失穩，循環進尺控制在1.2m以下。各部分開挖施工完成后，要及時噴射混凝土將掌子面封閉，混凝土厚度約控制在5cm，然后聯合網噴、鋼架以及錨桿進行支護作業。拱架拱腳的下方需要墊槽鋼；上導坑的拱腳位置以及中下導坑的墻角位置需要設置鎖腳錨管；下臺階施工完成緊跟仰拱施工，按照4m一段開挖，注意要及時施作仰拱混凝土，確保支護結構閉合成環。上、中臺階挖掘施工完成后，利用挖掘機將渣土運至下臺階，并在上導坑位置架立鋼架，挖掘機在中臺階位置聯合裝載機清運渣土，渣土車負責將渣土運輸至指定位置。

4.3支護施工

本項目中，支護施工主要分為兩部分：（1）施工初期支護，主要包括噴射混凝土、鋼筋網、鋼架以及鎖腳錨桿。拱墻區域噴射C25混凝土，厚度約控制在28cm；仰拱區域噴射C25混凝土，厚度約控制在28cm。鋼筋網設置在拱墻位置，厚度要求在3cm以上，網格間距為20cm×20cm。鋼架選擇格柵鋼架或者型鋼鋼架，間距控制在0.6~0.8m。鎖腳錨桿的下插腳控制在45°，錨桿直徑為42mm，長度為4m，位置在拱腳和墻角50cm以上位置，雙排布置，共計24根錨桿，每個墻角和拱腳4根；（2）二次襯砌施工，主要包括拱墻、仰拱以及仰拱填充、踏步板。拱墻施工選擇C35混凝土，厚度控制在50cm；仰拱施工選擇C35混凝土，厚度控制在60cm。仰拱填充以及踏步板施工選擇C20混凝土，仰拱中心填充厚度控制在140cm，踏步板在隧道兩側分段設置，每段長度控制在2m，縱向間距控制在25m，內部設置直徑為160mm的過水孔。

4.4超前小導管施工

本項目中，隧道洞口上方位置的巖層屬于弱風化巖石，因此，該區域選擇機械開挖，施工順序按照自上而下進行，分層高度約控制在2m。清刷邊坡具體根據坡率確定處理方式，主要采用機械開挖作業，部分特殊區域采用人工開挖方式輔助施工，如坡面區域，否則會導致坡面區域的整體性與完整性遭到破壞，刷坡作業完成后進行支護施工，選擇錨噴支護方式，按照從上到下的順序依次進行。超前小導管具體施工工藝流程如下：（1）隧道開挖施工，封閉掌子面；（2）制作加工注漿管并做好質量檢驗工作；（3）鉆孔作業，安裝注漿管；（4）對孔口進行密封處理；（5）開展管路連接試驗；（6）檢修機具并準備好注漿原材料；（7）注漿原材料試驗以及制備水泥漿；（8）分段進行注漿作業；（9）檢查注漿施工效果。

4.5掌子面加固處理

在本項目中，隧道掌子面的正前方加固處理采用玻璃纖維注漿錨桿，這種方法相較于傳統注漿加固方法效果更好，掌子面穩定性較好，可以充分保障施工安全，同時便于后續施工活動開展。傳統注漿加固處理采用的是分部開挖的方式，而玻璃纖維注漿錨桿加固處理采用機械全斷面開挖的方式，不僅施工效率更高，而且加固效果更好[6]。

4.6中空砂漿錨桿施工

中空砂漿錨桿施工流程如下：（1）制作加工錨桿；（2）施工前準備工作，包括維護保養機械設備、準備各項注漿材料，確保注漿設備到位；（3）測量放樣作業，確定錨桿孔位；（4）鉆機就位并做好固定措施；（5）確定鉆孔角度并定位鉆機；（6）錨桿鉆孔作業；（7）清理鉆孔，確保其中無雜物；（8）檢查錨孔，確保符合設計標準；（9）制作砂漿并充分攪拌；（10）注漿施工；（11）插入錨桿；（12）安裝墊板；（13）竣工驗收。

4.7預留變形量

隧道開挖施工過程中，在圍巖和隧道襯砌間采用阻尼器維持靜力作用下隧道襯砌的穩定。鋼筋網鋪設完成后，立刻開始混凝土噴射作業，注意噴射時噴頭與受噴面距離應控制在60cm以下。噴射角度根據作業面的實際情況進行調整，確保鋼筋網的背面和混凝土緊密貼合[7]。回填隧道洞頂區域時，回填材料選擇碎土石，采用對稱回填的方式進行回填，并在回填作業完成后逐層進行夯實，回填高度根據隧道洞頂的實際情況可適當調整，回填坡度視隧道洞頂具體情況而定。需要注意的是，用于回填的碎土石不能直接作為覆蓋層，而是應在回填土石頂部再覆蓋1層厚度約50cm層面的黏土，主要起到隔水作用，最后再在黏土層上部覆蓋施工區域的植被土，厚度約控制在30cm。

4.8隧道防排水施工

在本項目中，隧道防排水施工應遵循“防、排、截、堵，因地制宜，綜合治理”的基本原則。隧道內部沿長度方向在兩側設置水溝，距離隧道出口500m的位置設置排水溝，水溝形式為暗渠。在首次支護與二次支護間設置防水設施，防水板連接位置必須要和施工縫分離，距離不低于50cm。施工縫的材料應采用橡膠。變形縫和環向施工縫要合理配置，盡可能避開裂隙水與地下水較為豐富區域。進行二次襯砌施工前，確定防水措施時應充分考慮到隧道結構本身的防水效果，選用的混凝土抗滲等級應不低于P8[8]。混凝土灌注施工時應保持連續性，注意在底板、仰拱以及拱圈位置不能保留縱向施工縫。在墻角縱向以及拱墻環向應設置盲管，從而和隧道內部防水溝以及邊墻位置的進水孔共同構成一套排水系統。環向盲管要和縱向盲管相連接，邊墻位置的進水孔要和縱向盲管相連接。

5結語

綜上所述，穿越斷層破碎帶等不良地質條件的隧道工程開挖施工難度較大，影響工程施工正常推進的因素較多，在施工過程中要合理設計施工方案，選擇合適的施工技術，以確保工程施工質量與安全。

作者:劉知仁 單位:湖南省有色地質勘查局工程地質總隊