閘門坳隧道F1 斷層施工探討

■陳鯉輝

(福建省第一公路工程公司，泉州 362000)

1 工程概況

閘門坳隧道位于廣西桂林市荔浦縣大塘鎮(zhèn)閘門坳村西南約1.5km 處，隧道設(shè)計(jì)形式為分離式隧道，全長660m；隧道凈寬10.75m，建筑界限凈高5.0m，洞門采用削竹式洞門。隧道平面全部位于直線上，縱斷面位于縱坡為1.9%直線坡上。

隧址區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡，自然坡度25～30°，局部達(dá)35～45°，山脊平緩；受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，進(jìn)口及洞身斷層發(fā)育地段見后期侵入的花崗巖體分布，出口段褶皺、斷層活動均較發(fā)育。地質(zhì)勘探共發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造2 條，斷裂特征多為擠壓破碎，應(yīng)力中心多見糜棱巖化。

F1 斷層穿越左線隧道起始樁號為ZK35+510—ZK35+395，長度115m。該斷層南東向，傾角70°，延伸長度較長，斷層性狀為壓扭性穩(wěn)定斷層，斷層帶寬度40m，斷層透水性較差，為阻水?dāng)鄬?，與隧道交角37°，巖體破碎，巖體完整系數(shù)為0.38—0.46，自穩(wěn)能力差。帶內(nèi)巖石受力擠壓變質(zhì)，褐鐵礦化較普遍，局部糜棱巖化，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，富水性一般。物探資料顯示該段電阻率相對較低。[BQ]＜250，圍巖級別為ⅴ級。

隧道斷層均采用S6 型復(fù)合襯砌斷面，采用防水混凝土，防水等級不小于P8，全環(huán)設(shè)I20 型鋼支護(hù)，鋼架間距1 榀/0.5m,拱部采用Φ42mm 超前小導(dǎo)管注水泥漿液加固圍巖并止水，小導(dǎo)管采用外徑42mm、厚3.5mm 的熱軋無縫鋼管，鋼管長3.5m，環(huán)向間距35cm，外插角5°至10°。

2 斷層破碎帶處理原則

按照錨噴構(gòu)筑法原理組織施工，穩(wěn)扎穩(wěn)打、步步為營、防塌為主，即少擾動圍巖和超前預(yù)支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，盡早封閉成環(huán)，形成一個整體受力結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)監(jiān)控量測及信息反饋，指導(dǎo)施工。

(1)施工中堅(jiān)持遵循“管超前、預(yù)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的施工原則。

(2)利用“超前鉆孔”等手段探明前方斷層地帶的情況。

(3)加強(qiáng)超前注漿等預(yù)加固、堵水措施，改良地層。采用超前小導(dǎo)管注漿、鋼架、網(wǎng)噴混凝土及支護(hù)手段，構(gòu)成強(qiáng)支護(hù)體系，仰拱及時支護(hù)成環(huán)，并及時組織襯砌施工。

(4)根據(jù)位移量測結(jié)果，評價支護(hù)的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。

3 斷層破碎帶施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3.1 長距離的超前探孔

進(jìn)入斷層影響帶前，采用TSP203 進(jìn)行長距離宏觀控制超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)預(yù)報(bào)成果合理調(diào)整施工方法及支護(hù)參數(shù)。如地下水豐富，采用30m 中距離超前地質(zhì)探孔預(yù)報(bào)。

布孔方式如圖1 布設(shè)，采用地質(zhì)鉆機(jī)深30m,每次開挖25m,預(yù)留5m 作為止?jié){墻，如出現(xiàn)強(qiáng)壓力水或泥漿，預(yù)示前方可能有巖溶或地下水通道，應(yīng)加密探孔布置，待水壓降至常壓時，采取注漿阻水后，經(jīng)檢測各孔水流量符合以下判定標(biāo)準(zhǔn)中可進(jìn)行開挖施工條件時方可進(jìn)行開挖，否則暫停開挖。

圖1 長距離超前探孔布置圖

超前支護(hù)施作完畢，若巖體較完整，有自穩(wěn)能力，斷層的破裂巖、角礫巖次生膠結(jié)較好，強(qiáng)度較高，塊裂狀巖體結(jié)構(gòu)緊密時，采用臺階開挖，臺階長度4～6m；若巖體較破碎，自穩(wěn)能力很差，則采用兩臺階環(huán)形預(yù)留核心土法施工，臺階長度3～5m，上臺階采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土開挖，下臺階左右錯開緊跟；如圍巖極其破碎、松軟掉塊，地下水豐富，可采用三臺階或三臺階+臨時仰拱法施工。開挖采用風(fēng)鎬或弱爆破，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.6m。以減小對周圍巖體的擾動。

3.2 短距離超前探孔

為了探明斷層前方含水量情況，在施工過程中要對圍巖除進(jìn)行TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)外，還要采取長、短相結(jié)合的超前地質(zhì)探孔，對超前地質(zhì)成果進(jìn)一步確認(rèn)與核查，確保施工安全。

布設(shè)方式如圖2 所示，采用人工風(fēng)鉆打眼，斷層施工時，必須全程短距離每班超前鉆眼預(yù)報(bào)，鉆眼深度不得小于2 倍循環(huán)進(jìn)尺并不得小于3.5m,鉆眼布置在大垮以上1m、兩側(cè)邊墻出和拱頂處。

圖2 短距離超前探孔布置圖(單位：cm)

根據(jù)超前鉆孔探水的結(jié)果，分別采取不同的措施進(jìn)行下一循環(huán)工作，當(dāng)探水孔有4 孔出水且總水量大于10m3/h 時，采用全斷面堵水注漿；當(dāng)總水量小于10m3/h時但個別孔出水量大于2m3/h 時，采用局部堵水注漿；當(dāng)6 孔出水量均小于2m3/h 且總出水量小于10m3/h 時，進(jìn)入下一循環(huán)施工(鉆孔探水結(jié)果判定依據(jù)關(guān)寶樹所著《隧道工程施工要點(diǎn)集(第二版)》)。

施工探水鉆孔后，測量各孔出水量，記錄各孔出水位置、水量、水壓等，當(dāng)總水量小于10m3/h 時但個別孔出水量大于2m3/h 時，報(bào)告業(yè)主、設(shè)計(jì)代表，確定注漿方案。

注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿液，水泥為PO32.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6～1.1，水玻璃濃度30～40Be，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，凝膠時間根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

注漿范圍為在出水通道范圍內(nèi)，隧道開挖輪廓線以外5～6m，單孔注漿有效擴(kuò)散半徑R=3.6m，注漿結(jié)束最終壓力為凈水壓力的2～3 倍。

注漿后，當(dāng)總出水量小于2m3/h 且一處出水量小于0.6m3/h，即可結(jié)束注漿。

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔所揭示的地質(zhì)狀況，結(jié)合注漿過程中P-Q-t 曲線分析，選擇可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行鉆孔檢查。檢查孔應(yīng)不塌孔、不涌砂，單孔涌水量應(yīng)小于0.2L/min.m。若達(dá)不到預(yù)期效果，則將檢查孔作為注漿孔進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束后再鉆孔進(jìn)行效果檢查，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。必要時可取芯檢查。

4 斷層破碎帶施工方法

4.1 超前小導(dǎo)管施工

小導(dǎo)管環(huán)向間距35cm ，采用Φ42mm×3.5mm 的熱軋鋼管，鋼管長度為3.5m，外插角5°至10°,尾部支撐于鋼架上，每排小導(dǎo)管縱向搭接長度不小于1m。為便于超前小導(dǎo)管插入巖體內(nèi)，鋼管前端作成尖錐狀，尾部焊上箍筋，小導(dǎo)管的安設(shè)采用鉆孔打入法，鉆孔直徑比鋼管直徑大3～5mm，用鉆機(jī)頂入，頂入長度不小于鋼管長度的90%，小導(dǎo)管安設(shè)后封堵孔口，必要時在小導(dǎo)管附近及工作面噴射混凝土，防止工作面坍塌。隧道開挖長度小于小導(dǎo)管的注漿長度，預(yù)留部分作下一循環(huán)的止?jié){墻。注漿采用水泥漿液，水灰比1∶1，注漿壓力為0.5～1.0MPa。注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿量的變化，分析注漿情況，防止堵管、跑管、漏漿，做好注漿記錄，以便分析注漿效果。小導(dǎo)管尾部焊接Φ8mm 鋼筋加勁箍，末端安裝止?jié){閥，防止注漿時孔口跑漿，注漿結(jié)束后應(yīng)利用止?jié){閥保持孔內(nèi)壓力，直至漿液完全凝固，止?jié){閥應(yīng)保證能承受最大灌漿壓力和出水壓力，可以與灌漿管路連接。注漿效果要求達(dá)到開挖后拱部基本無滲漏水、無坍塌。

4.2 開挖及初期支護(hù)

(1)選擇施工方法。根據(jù)掌子面揭開的圍巖情況確定采用兩臺階環(huán)形預(yù)留核心土法施工，臺階長度3～5m，上臺階采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土開挖，下臺階左右錯開緊跟。

(2)開挖及運(yùn)輸。開挖前檢查注漿質(zhì)量，如不合格應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注。

洞身開挖主要工序：采用自制臺架、人工手持YT-28 型風(fēng)動鑿巖機(jī)進(jìn)行打眼，人工裝藥，淺眼弱爆破輔以人工風(fēng)鎬開挖，挖掘機(jī)扒渣，兩臺裝載機(jī)配自卸汽車進(jìn)行出渣。爆破時嚴(yán)格控制裝藥量，塑料導(dǎo)爆管非電毫秒雷管起爆，毫秒微差有序起爆。

上斷面用挖土機(jī)扒完渣后，下斷面出渣和上斷面立拱同時進(jìn)行，出渣時間最好控制在上斷面立拱和打錨桿的時間以內(nèi)。然后，下斷面立拱，上斷面噴漿，下斷面噴漿時，上斷面視情況就可以進(jìn)行開挖準(zhǔn)備工作或開始開挖。開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.6m 內(nèi)。

(3)初期支護(hù)。開挖完應(yīng)立即初噴4～5cm 噴射混凝土，使其在開挖后圍巖面形成一層由圍巖和初噴混凝土組成的殼體柔性結(jié)構(gòu)，可以保證一定時間段內(nèi)施工的安全。噴射前先檢查開挖斷面凈空尺寸，對開挖面的危石進(jìn)行清除，并設(shè)專人隨時觀察圍巖變化情況，當(dāng)受噴面有涌水、淋水、集中出水點(diǎn)時，先進(jìn)行引排水處理，并用高壓風(fēng)吹凈巖面。初噴要及時且噴射密實(shí)，不得在支護(hù)與圍巖間留有空隙。實(shí)踐證明，重視初噴對隧道的安全施工有很重要的意義。初噴混凝土后，施作錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，立I20 型工字鋼架，復(fù)噴混凝土。

鋼拱架間距0.5m，要求每單元鋼架間用高強(qiáng)螺栓連接牢固，每榀鋼架垂直度到位，鋼拱架的必須安設(shè)在穩(wěn)固基巖上，拱腳開挖超深時，加設(shè)混凝土墊塊。超挖超大時，拱背墊填混凝土墊塊，以便抵住圍巖，控制其變形的進(jìn)一步發(fā)展。兩榀鋼架間用Φ22mm 鋼筋拉桿縱向連接牢固，環(huán)向間距1m。鋼架安裝好后，用定位錨桿鎖固固定，防止其發(fā)生移位。超挖部分用噴混凝土回填密實(shí)，禁止用石塊、木楔、背柴等填塞。

開挖初噴后，盡快鉆孔、安設(shè)錨桿，然后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。錨桿原材料規(guī)格、長度、直徑符合設(shè)計(jì)要求，錨桿桿體除油污、除銹。錨桿采用Φ25mm 中空注漿錨桿，長度為4.0m，梅花形布置在拱墻上，環(huán)縱向間距為1.0m×0.50m；中空式注漿錨桿鉆孔成孔后，先插入桿體并安裝止?jié){塞和孔口墊板，插入排氣管，然后采用HFV-5D 型注漿機(jī)注漿，待水泥漿終凝后扭緊固定孔口墊板的螺栓。

拱墻掛設(shè)Φ8mm 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為15cm*15cm，在洞外分片制作，安裝時按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行搭接。鋼筋網(wǎng)與錨桿和鋼架綁扎連接(或點(diǎn)焊焊接)牢固。噴混凝土?xí)r，減小噴頭至受噴面距離和風(fēng)壓，以減少鋼筋網(wǎng)振動，降低回彈。鋼筋網(wǎng)噴混凝土保護(hù)層厚度不小于2cm。

初期支護(hù)混凝土采用C20 濕噴混凝土，厚度為28cm，全環(huán)噴射混凝土。

噴射混凝土前檢查開挖斷面凈空尺寸，如有欠挖及時處理后再噴混凝土。在不良地質(zhì)地段，設(shè)專人隨時觀察圍巖變化情況，當(dāng)受噴面有涌水、淋水、集中出水點(diǎn)時，先進(jìn)行引排水處理。

下斷面開挖后，及時進(jìn)行仰拱初期支護(hù)，使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及早成環(huán)。

4.3 二次襯砌

仰拱初期支護(hù)施工完畢后，及時進(jìn)行仰拱、仰拱填充、襯砌作業(yè)。

F2 斷層破碎帶均采用S6 襯砌斷面C30 鋼筋混凝土土、混凝土抗?jié)B等級不低于P8，在二次襯砌與初期支護(hù)之間鋪設(shè)防水層，襯砌變形縫設(shè)膨脹止水條，施工縫設(shè)橡膠止水帶。

4.4 施工監(jiān)測

為及時掌握圍巖和支護(hù)的動態(tài)，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施，斷層帶施工時應(yīng)加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行布點(diǎn)觀測，并及時將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)施工。

斷層監(jiān)控量測內(nèi)容包括洞內(nèi)外觀察、凈空水平收斂量測、拱頂下沉量測。隧道量測斷面測點(diǎn)布置為，三個拱頂下沉點(diǎn)和兩條凈空水平收斂量測線組成一個量測斷面，縱向間距5～10m。拱頂下沉量測采用水平儀測量，凈空收斂量測采用道坑收斂計(jì)測量，及時對量測數(shù)據(jù)分析，并指導(dǎo)施工，量測頻率應(yīng)符合規(guī)范要求。采用的儀器有精密水準(zhǔn)儀、塔尺、掛尺量測、數(shù)顯式收斂計(jì)、地質(zhì)羅盤。

5 斷層破碎帶施工體會

(1)在施工中貫徹“不塌就是進(jìn)度”的思想。在軟弱圍巖中的施工方法必須穩(wěn)妥可靠，在保證不塌的原則下再考慮加快施工進(jìn)度。選定初期支護(hù)參數(shù)貫徹“寧強(qiáng)勿弱”的思想，由于對巖體工程性質(zhì)的認(rèn)識很難恰如其分，對于介于兩級圍巖之間的按偏高的圍巖級別進(jìn)行初期支護(hù)。

(2)應(yīng)加強(qiáng)斷層施工中的監(jiān)控量測工作，做到信息化施工。對變形超限的初期支護(hù)要及時進(jìn)行加固并修正下一步支護(hù)參數(shù)。

(3)在施工中應(yīng)嚴(yán)格施工紀(jì)律，施工方案一經(jīng)討論確定，操作人員必須嚴(yán)格執(zhí)行，不得私自變動。嚴(yán)格的施工紀(jì)律，合理的工序安排，先進(jìn)的施工工藝，嚴(yán)肅的管理制度是一套防塌的有效手段。

總之，斷層破碎帶一直是隧道施工的難點(diǎn)，也是易于出現(xiàn)安全事故的地段，需引起高度重視。閘門坳隧道F1 斷層破碎帶的施工實(shí)踐表明，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是非常重要的一環(huán)，其準(zhǔn)確性將直接影響到施工措施的制定及其有效性；選擇合理的隧道開挖方法是保證圍巖整體穩(wěn)定性以及避免大面積坍塌的重要保證；可靠的支護(hù)方式及小導(dǎo)管注漿措施是斷層破碎帶隧道施工的靈魂所在，具有特別重要的地位。此外，小型塌方的判斷和及時處理也是破碎帶隧道施工的重要措施。將上述措施合理地結(jié)合和靈活運(yùn)用而形成關(guān)鍵技術(shù)，對破碎圍巖條件下的隧道施工具有普遍的適應(yīng)性。