隧道破碎帶塌方及變形處置技術(shù)

郭翊凌

（中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400）

1 斷層破碎帶描述

1.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

破碎巖體是由多種支系結(jié)構(gòu)、擦痕鏡面、斷層泥等組成的斷層碎巖。大量風(fēng)化裂隙分布在近地表，無一定產(chǎn)狀，屬于短小密集的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出參差不齊的形態(tài)，裂隙發(fā)育于斷層帶，斷層帶含水層較多時，會形成水源豐富的地下通道。

1.2 斷裂構(gòu)造與隧道塌方

斷層為軟弱結(jié)構(gòu)面，斷層破碎帶巖體地下水含量較大，且?guī)r體的強度不高，穩(wěn)定性不強。如果開挖會造成嚴(yán)重的安全隱患，支護(hù)會在圍巖壓力下失去穩(wěn)定性，壓垮支護(hù)，掌子面與巖體會立即崩潰破碎，這時就會出現(xiàn)塌方或涌水等問題，會在很大程度上影響工程項目的建設(shè)安全[1]。

1.3 破碎帶塌方原因分析

1）巖體會受到巖體節(jié)理、裂隙等影響成為危巖體，這些巖體的長期強度小于地層應(yīng)力時，在巖體的變形下，隧道也會產(chǎn)生變形，進(jìn)而出現(xiàn)塌方。

2）常見的地表水源有降雨或降雪等，巖體會受到地下水的軟化、浸泡等影響，使其穩(wěn)定性下降，并發(fā)生塌落。軟硬相間或夾層薄弱的巖體受地下水的影響，強度下降，滑動概率也會大幅度增加，在地下水的長期影響下，會引起塌方。

3）由于地層構(gòu)造產(chǎn)生的高地應(yīng)力異常引起塌方。

4）含高嶺土，含蒙脫石或伊利巖礦物，可使巖層膨脹性強，隧道施工時易出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。

2 塌方處理原則

1）明晰原因：隧道塌方發(fā)生后，要組織相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)查和摸底；了解崩塌的規(guī)模、形態(tài)、部位、波及范圍和塌方體巖性；地下水來源、水量、水壓等情況。

2）加固后方：通常在發(fā)生大的崩塌時隧道內(nèi)部被阻塞，初支部分受到損害，局部發(fā)生開裂和變形。為了避免垮塌范圍繼續(xù)擴(kuò)大，要立即加固和監(jiān)測垮塌對初支造成影響，以避免垮塌持續(xù)擴(kuò)展。加固措施有：重新噴射混凝土，架設(shè)臨時支撐，架設(shè)型鋼拱架，徑向注漿，徑向錨桿等，必要時提早施做二次襯砌。

3）地面處理：發(fā)生洞口段塌方和淺埋段的通天塌方時，應(yīng)立即對地面的塌方裂縫、排水系統(tǒng)進(jìn)行處理：（1）塌坑回填封閉；（2）地面裂紋以粘土壤填滿；（3）塌坑影響范圍外施作截水溝；（4）地面布設(shè)沉降監(jiān)測點；（5）必要時對地面進(jìn)行加固處理。

4）穩(wěn)定塌體：塌方體發(fā)生后，必須保持塌方體的暫時平衡，切不可急于清渣，不然會加速塌方體的擴(kuò)張。要穩(wěn)定塌體，必須將掌面封閉，采用小導(dǎo)管淺孔注漿，然后根據(jù)塌體的地質(zhì)、水文狀況對塌體進(jìn)行加固，這樣對塌體也有止水的作用。若涌水量較小，可采用網(wǎng)噴混凝土；若涌水量較大，則要采用砂袋+噴射混凝土；如果涌水量很大，應(yīng)采取臨時封閉混凝土的引排措施，并事先采取混凝土止?jié){墻等措施。

5）超前支護(hù)：超前支護(hù)和預(yù)加固坍塌體，這是應(yīng)對坍塌的兩個非常重要的輔助措施。超前支護(hù)，一般有兩種形式：小導(dǎo)管和大管棚+小導(dǎo)管[2]。

6）先護(hù)后挖：對塌方進(jìn)行處理，必須在超前支護(hù)下進(jìn)行挖掘工作，開挖需采取“短進(jìn)尺、強支護(hù)、快封閉、勤量測、速反饋、跟二襯”的原則，要求開挖需要符合要求，采取隨挖隨支的方式，工作面要謹(jǐn)慎向前推進(jìn)。

3 通過斷層帶隧道的防坍塌技術(shù)

3.1 隧道穿斷層防塌方工藝要點

1）斷層的探查必須在開挖前完成，要對斷層進(jìn)行綜合分析與評價。（1）了解斷層范圍，確定其寬度等相關(guān)參數(shù)。（2）明確斷層的壓性、張性等性質(zhì)。（3）明確斷層與隧道的位置關(guān)系，了解斷層的傾角等數(shù)據(jù)。（4）定性斷層的上、下盤，分析斷層帶的狀態(tài)，判斷是否有斷層泥。（5）對是否存在漏水、高壓水等問題進(jìn)行分析。（6）判斷是否存在崩塌情況。（7）分析淺埋段斷層發(fā)生地表坍塌的可能性。

2）按照“先護(hù)后挖”的基本原則開挖，但壓性斷層（含水、擠壓緊和有膠結(jié)）不能采取這種方法。

3）已探明情況的斷層范圍（含影響帶），需要提前做好防坍塌措施，并提前進(jìn)行開挖支護(hù)的轉(zhuǎn)化，采取分部開挖法開挖斷面。

4）斷層在壓力較大時偏壓概率會增加，提升支護(hù)強度，支護(hù)體系必須具備較強的高度及大剛度承重。

5）采取“排”“堵”結(jié)合的原則對富水、涌水量大地段進(jìn)行施工。

6）輔助坑道利用前，對斷層進(jìn)行探查，并對斷層處理。

7）遵循“分部開挖、短進(jìn)尺、強支護(hù)、早閉合、早襯砌”的施工原則。

8）監(jiān)控量測的主要內(nèi)容有拱頂下沉、周邊收斂、鋼支撐和錨桿受力量測等。

9）在分析斷層時，要求能針對其變化情況做好準(zhǔn)備工作，及時處理好各類斷層問題。

3.2 隧道通過斷層的防坍塌技術(shù)措施

在斷層前后10～20 m采取斷層防坍塌技術(shù)措施進(jìn)行施工。

3.2.1 開挖方式

開挖手段要減少對圍巖的擾動及鉆爆法的應(yīng)用，如必須使用可以通過弱爆破的方法進(jìn)行開挖。還可以采用以下方式開挖：（1）人工開挖、風(fēng)鎬開挖；（2）機械開挖：反鏟開挖；（3）預(yù)裂爆破或光面層爆破開挖。

3.2.2 開挖方法

1）臺階法開挖，上半環(huán)形開挖，對于斷面大，高度較高的隧道，宜采用多臺階開挖。

2）開挖可以使用大斷面CD法或CRD法開挖。

3）大斷層的涌水量大，且寬度在80 m之上時，開挖可以采用的方法為上導(dǎo)坑超前方法，這種方法能確保良好的排水效果，同時能起到預(yù)先護(hù)頂?shù)淖饔?。在開挖時也可以使用迂回導(dǎo)坑方法，這種方法也能發(fā)揮其良好的效果。

3.2.3 禁用的施工方法

禁用的施工方法包括先拱后墻施工方法和全斷面開挖方法。

3.2.4 超前預(yù)支護(hù)、預(yù)加固

1）超前預(yù)支護(hù)。小斷層適用超前錨桿、超前注漿小導(dǎo)管，主要是由于小斷層的自穩(wěn)能力較強，且沒有水，能對局部坍頂問題起到防控作用。

管棚法：一般采用短管棚，8～12 m。

2）超前預(yù)注漿，固結(jié)巖層。淺孔超前預(yù)注漿。淺孔超前預(yù)注漿用于弱富水～一般斷層破碎帶，主要是在開挖輪廓周邊預(yù)注漿。全斷面預(yù)注漿在掌子面不穩(wěn)定時使用，注水為低壓注漿。破碎帶孔隙較大時，選注水泥砂漿，如注水泥砂漿發(fā)生困難，可采用雙液注漿。

深孔超前預(yù)注漿。深孔超前預(yù)注漿，用于斷層寬度大，富水～強富水，涌水，壓力大的破碎、松散斷層，對于涌水量大，壓力高地段可以采用“堵”的相關(guān)措施。超前預(yù)注漿適用于掌子面尚有自穩(wěn)能力，但尚未形成掌子面嚴(yán)重坍塌的斷層帶。對于全斷面預(yù)注漿涌水量、涌水壓力大，掌子面無自穩(wěn)能力，嚴(yán)重坍塌的斷層帶，可采用深孔全斷面預(yù)注漿。

3）掌子面錨桿加固斷層帶。對于特別松軟的破碎巖體，全斷面注漿后亦難于穩(wěn)定掌子面的斷層帶，采用全斷面注漿+掌子面錨桿加固的方法來穩(wěn)定掌子面能達(dá)到可以開挖的程度。

3.2.5 支護(hù)措施

1）要使通過斷層的支護(hù)強度高，剛度大，及時施作，早封閉，必要時可對上半斷面利用臨時仰拱先行封閉。

2）由于側(cè)壓力大，存在偏壓的可能，可以采用臨時仰拱或在拱腳、墻中加橫撐的方法減少墻中彎矩和過大的變形，防止鋼支撐失穩(wěn)而造成坍方。

3）系統(tǒng)錨桿和局部錨桿長度要合理，要求能達(dá)到3 m以上，在松軟破碎斷層使用錨桿時，錨桿長度應(yīng)達(dá)到6 m。成孔有困難時，可以采用自鉆式錨桿，提升鉆孔效率。

4）采用C30高強度混凝土或C30高強度鋼纖維混凝土進(jìn)行襯砌施工。

5）采用型鋼支撐，要求工字鋼規(guī)格高于I22，H型鋼規(guī)格高于H200。

3.3 施工參數(shù)

3.3.1 開挖

1）分部開挖：循環(huán)進(jìn)尺0.5～1.0 m，挖一榀支一榀，噴錨緊跟。

2）上導(dǎo)坑先進(jìn)法：一般超前10～30 m；超前宜控制在100 m以內(nèi)。斷面2 m×2 m以內(nèi)，支護(hù)方式為型鋼支護(hù)，拱部是拱墻鋼支撐的組成部分之一。

3.3.2 錨桿

1）系統(tǒng)錨桿和局部錨桿按照梅花形布置，系統(tǒng)錨桿型號為φ22 mm，局部錨桿采用φ25 mm，錨桿長度與間距分別為3.0～6.0 m、100 cm×100 cm。

2）自鉆式系統(tǒng)錨桿為φ32 mm，長3.0～6.0 m。

3）鎖腳錨桿為φ22 mm、φ25 mm，長度在6 m以上。

4）長于3 m的錨桿，用錨桿鉆機打設(shè)或采用自鉆式錨桿。

5）錨桿材質(zhì)耐力12～18 t。

3.3.3 噴混凝土

1）高強混凝土C30，厚25 cm；強度3 h＞20 kgf/cm2（1 kgf/cm2=98.066 5 kPa）。

2）高強鋼纖維混凝土C30，厚25 cm，強度3 h＞20 kgf/cm2。

3.3.4 鋼支撐

1）工字鋼：I20、I22，屈服強度＞2 400 kgf/cm2、抗拉強度＞4 000 kgf/cm2、支撐間距需為0.5～1.0 m。

2）H鋼H200，材質(zhì)要求同工字鋼。支撐間距0.5～1.0 m。

3.3.5 輔助工法施工參數(shù)

1）超前注漿小導(dǎo)管施工參數(shù)選擇：（1）小鋼管、花管分別為φ32 mm、φ42 mm；在起拱線以上拱部布置，仰角為9°～10°，間距為35～40 cm；（2）注漿擴(kuò)散半徑0.5～0.8 m；（3）注漿材料：一般水泥或水泥水玻璃；（4）注漿壓力0.3～1.0 MPa。

2）管棚。（1）采用φ89 mm鋼管，內(nèi)布置φ10 mm鋼筋束，為增強水泥砂漿的強度與剛度，要分別注入鋼管與鋼筋束，管棚受到斷層破碎帶的影響，要求搭設(shè)長度不宜超過12 m，搭接長度為管棚長度的1/2，最小不少于3.5 m[3]；（2）鋼管打設(shè)仰角5°～7°；（3）鋼管間距40～45 cm；（4）覆蓋范圍：起拱線以上全部拱圈范圍內(nèi)。

3）斷層破碎涌水帶注漿加固設(shè)計考慮因素：（1）破碎層空隙率、滲透系數(shù)；（2）涌水壓力、涌水量；（3）采用深孔與淺孔注漿效果的比較方案；（4）采用周邊注漿與全斷面注漿效果比較方案；（5）采用泄水孔或排水孔降低水壓的可能性。

3.4 量測重點項目

1）掌子面觀測。掌子面觀測是最直觀、最有效的方法，施工中，應(yīng)做到每個循環(huán)都要進(jìn)行觀測、地質(zhì)描述和記錄，推測前方情況。

2）掌子面超前鉆孔探查。風(fēng)鉆或鑿巖臺車液壓鉆機鉆孔每鉆進(jìn)3～10 m，要了解開挖掌子面前方地層與涌水情況。

3）TSP探測。未接觸大斷層之前，可采用TSP探測，分析預(yù)報斷層情況。

4）地質(zhì)鉆機超前鉆孔探測。對于大斷層，必要時采用地質(zhì)鉆機超前鉆孔探測。

5）開挖支護(hù)量測。開挖支護(hù)量測包括拱頂下沉量測和水平收斂量測，必要時還需要做鋼支撐應(yīng)力和軸力量測。

4 結(jié)語

隧道破碎帶的坍塌處置是非常復(fù)雜的工作，與隧道的施工安全息息相關(guān)，參建各方必須對其重要性進(jìn)行足夠的理解，嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定和要求，堅持寧強勿弱、穩(wěn)中求快、穩(wěn)扎穩(wěn)打、步步為營、科學(xué)決策的基本原則進(jìn)行施工，不冒險施工。