断层破碎带裹含富水陶瓷土的施工方案
断层破碎带裹含富水陶瓷土的施工方案
摘要：小迳凹隧道断层破碎带裹含陶瓷土施工，采用洞内大管棚+劈裂注浆固结相结合的施工方案通过不良地质段的施工技术。通过对断层破碎带的超前加固，对节理发育的围岩进行注浆固结，对富水陶瓷土水的防与排，使破碎围岩形成系统地、稳固的“蛋壳”。 关键词：隧道 断层破碎带 富水 陶瓷土 施工技术
1 工程概况
小迳凹隧道进出口分别位于广州市增城市派潭镇和从化市江浦镇境内，隧道洞身处于大金岭西南、小迳村以西，横穿小迳凹山体。隧道最大埋深约160m，设计为上下行分离式公路隧道。左线隧道起讫桩号为： ZK6+880～ZK7+785，全长905m；右线隧道起讫桩号为： YK6+875～YK7+785，全长910m。左洞：平面线形进口为直线，出口为圆曲线，曲线半径R=1800m；纵面线形为+1.3%和-2.5%的人字坡。右洞：平面线形进口为直线，出口为圆曲线，曲线半径R=2000m；纵面线形为+1.3%和-2.5%的人字坡。洞口以“早进晚出”为设计原则，最大限度降低洞口边仰坡的开挖高度，以保证山体的稳定，减小对自然景观的破坏。隧道左线进口采用削竹式洞门，明洞10m+洞门10m，出口采用削竹式洞门，明洞7m+洞门10m；右线入口采用削竹式洞门，明洞3m+洞门10m，出口采用削竹式洞门，明洞3m+洞门10m。小迳凹隧道地处低山地区，隧道北侧大金岭山顶标高340.1m，隧址内小迳凹最高标高为257.7m，隧道洞身地面标高最大255.6m，隧道洞口标高92.08m，相对高差最大165.62m。山体走向基本与线路垂直，山坡植被主要为灌木、乔木和果树，洼地农作物以水稻为主，居民稀少。
工程场地属于华南准地台南岭构造体系佛冈——丰良纬向构造亚带清远——安流纬向断裂带南缘、增城隆起北缘，从化复式向斜为介于其间的次一级纬向构造，新华夏构造体系复合交接地带。路线区位于从化复式向斜的南翼。广州——从化断裂带的东侧，构造以纬
向构造体系东西向压性断裂为主，其次为新华夏构造体系北东向压扭矩性断裂。该隧道施工区内未见较大断裂发育。
隧道围岩属于第四系坡积层粉质粘土及寒武系全风化粉砂质泥岩，粉质粘土以褐黄色为主，硬塑，稍湿，局部含少量石英质砾石；上部0.3～0.5m多含植物根系，局部见有机质。全风化粉质泥岩呈褐黄色，褐红色、灰黄色、灰绿色，泥质结构和粉砂质结构，块状和片状构造，岩石已全部风化，岩芯呈土质、坚硬土状和散碎状。其中BZK19孔14.9m～15.4m，15.6m～15.9m，18.6m～19m为破碎硅质岩碎块，22.6m以下粉砂质含量较高。见于BZK19、SZK103和SZK105，揭露厚度19.6m～25.2m，顶面埋深1.1m～5.6m，顶面高程105.34m～123.81m。地下水主要为强风化～中风化层中的裂隙水，局部为松散层中的孔隙水，富水性弱，透水性较弱～中等，地下水主要接受大气降水补给和相邻含水层的补给，含水层在地形切割强烈处以散点状泉水形式出露，或向相邻含水层排泄。隧道洞口段设计采用40m长管棚进行超前预支护。隧道洞身涌水量：据广东水文工程地质一大队1：200000水文地质普查资料，泉流量一般为0.05～3.12升/秒，地下迳流模数6.657～9.33升/秒.平方公里。地下含水量为中等。
本区地处南亚热带海洋性季风气候带，气温受偏南季候风影响，夏长冬短，炎热多雨。多年平均气温21.6℃，平均最低气温12.1℃，平均最高气温28.5℃。年平均降水量约1680.5mm，日最大降水量284.9mm，时最大降水量101.1mm。4～6月多季风，占全年降雨量的46.7%，5～9月份多台风暴雨。年内降雨量分布不均匀，春旱、夏涝、高温、冷害、暴雨、台风、雷电等恶劣天气交替出现；主导风为夏季偏南凤，冬季偏北风，其余月份为东南、东北风。施工过程中可能遭到台风暴雨的影响和破坏。
2 断层破碎带地质简介
小迳凹隧道右洞YK7+010-YK7+055、左洞ZK7+
025-ZK7+075存在断层破碎带，围岩主要为松散构造角砾夹粉质粘土组成，中间包裹白色陶瓷土，围岩强度低，稳定性极差。该段地表埋深约42米，同时该断层破碎带还富含地下水，裂隙水较丰富，线状渗流为主。另外断层破碎带接受相邻含水层侧向或垂向补给，可能出现涌水、突水、现象。
3 断层破碎带处理方案
隧洞穿过断层地段，施工难度取决于断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层活动性以及隧洞轴线和断层构造线方向的组合关系（正交、斜交或平行）。此外，与施工过程中采取的施工方法、对围岩的破坏程度、工序衔接的快慢、施工技术措施是否得当等，均有很大的关系。当隧洞轴线接近于垂直构造线方向时，断层规模较小，破碎带不宽，且含水量较小时，条件比较有利，可随挖随撑。但当隧洞轴线斜交或者平行于构造方向时，则隧洞穿过破碎带的长度增大，并有强大侧压力，应加强拱墙衬砌，及时封闭。根据设计地质围岩的破碎程度及涌水情况，极易发生塌方，所以洞内穿越破碎带采用洞内管棚+加强防排水措施方案通过。
3.1 合理选择施工工艺
3.1.1 采用TSP203地质超前探测仪和SIR-2000地质雷达预报系统以及超前水平探孔等综合地质预报技术，提前预测开挖工作面前方存在断层、涌水的情况，TSP203地质超前探测仪和SIR-2000地质雷达预报系统实施由专业机构进行。TSP203超前地质预报系统洞内爆炸的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上，一般情况下，它是一个接收器孔和24个爆破孔组成。接收器距掌子面约55m，最后一个爆破孔距掌子面约0.5m。爆破孔间距1.4m，孔深1.4m，孔径19～45mm，孔口距隧底约1.0m，向掌子面方向倾斜约10°，向下倾斜10～20°；接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.4m，孔径32～45mm，孔口距隧底1.0m，向洞口方向倾斜约10°，向下倾斜10～20°。附
“TSP-203超前地质预报系统量测方法示意图”。
作为TSP203超前地质预报的补充，在TSP203预报的异常点，在确定异常体的规模、性质危害性判断有困难时采用地质雷达作补充手段，短距离进一步探测前方30m内的地质情况。地质雷达能发现掌子面前方地层的变化，对断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。根据断层破碎带前后围岩确定利用TSP203地质超前探测仪还是SIR-2000地质雷达预报系统。
3.1.2 断层带内充填软塑状的断层泥或特别松散的颗粒时，比照松散地层中的超前支护，采用先拱后墙法；如断层带特别破碎，则可采用马口开挖。
3.1.3 如断层地段出现大量涌水，则宜采取排堵结合的治理措施。同时根据排水量的预测，提前做好各项排水准备。
3.2 破碎带与富水陶瓷土的处理方法 针对复杂多岩性的破碎带，通过多次方案论证，同时考虑到陶瓷土遇水极其软弱的问题，为了防止因陶瓷土几乎没有任何承载力极易发生塌方的情况下，方案最终选择采用洞内大管棚+劈裂注浆固结相结合的施工方案通过裹含陶瓷土破碎带的施工技术。通过对断层破碎带的超前加固，对节理发育的围岩进行注浆固结，对富水陶瓷土四周水的防与排，使破碎围岩、陶瓷土形成系统地、稳固的“蛋壳”。
3.2.1 首先进行大管棚施工，施工之前必须将掌子面进行喷浆封闭。若在管棚钻进过程中出现涌水现象，不必封堵，必须进行引排，否则水在内部形成“蜗居”，浸泡陶瓷土，就很容易引起坍塌。
3.2.2 开挖必须选择“弧形导坑”开挖方式。将核心土预留足够大，只沿着上导坑钢拱架轮廓线进行进行弧形开挖，使本身就软弱的陶瓷土外轮廓形成“拱弧”，最大限度地起到受力保护作用。
3.2.3 凌空面不宜过大，以50cm为宜，且每次开挖支立钢拱架前必须对掌子面喷浆封
闭。初支混凝土本身放热，而陶瓷土性能遇热会变硬，对开挖及施工人员具有一定程度的保护。
3.3 施工中注意事项
3.3.1 根据量测所反馈的信息及时调整初期支护的参数，紧跟开挖面进行现场监控量测，要掌握二次衬砌的最佳时间。
3.3.2 坚持“宁强勿弱”的原则，加强支护，在断层陶瓷土地带开挖后应立即进行初喷砼。
3.3.3 为减少围岩的暴露、松动和地压增大，尽快全封闭衬砌，通过断层带的各施工工序之间的距离应尽量缩短。
3.3.4 准备足够的抽水设备，并安排适当的集水坑，随工作面的掘进挖好排水沟。
3.3.5 应在地表设置截排系统引排，对断层承压水，如断层地下水是由地表水补给时，应在每个掘进循环中，深度宜在4米以上，以探明地下水的情况，向隧洞前进方向钻凿不少于2个超前钻孔。
4 破碎带内大量渗水处理方案
①渗水量不大时，采用堵排结合的方法，即加强拱墙衬砌结构，在拱部衬砌厚度外设透水软管与边墙盲沟接通，引水至隧洞两侧沟水；在拱墙衬砌工作缝设纵横向止水条。②为防止发生大量渗水甚至涌水等异常情况，拟采用成熟工艺劈裂注浆为基础的综合整治施工技术，即劈裂注浆固结法施工。
工艺流程劈裂注浆固结法施工工艺流程如下：
4.1 施工准备 ①安装并调试钻孔和注浆机械设备。②准备注浆材料，测定性能。③钻孔注浆和隧洞衬砌结构设计。④通过地质超前钻孔资料，分析断层地质情况。
4.2 施工方法 ①围岩节理发育、破碎时应设置2～5m的止浆墙，并将墙身嵌入围岩
闭。初支混凝土本身放热，而陶瓷土性能遇热会变硬，对开挖及施工人员具有一定程度的保护。
3.3 施工中注意事项
3.3.1 根据量测所反馈的信息及时调整初期支护的参数，紧跟开挖面进行现场监控量测，要掌握二次衬砌的最佳时间。
3.3.2 坚持“宁强勿弱”的原则，加强支护，在断层陶瓷土地带开挖后应立即进行初喷砼。
3.3.3 为减少围岩的暴露、松动和地压增大，尽快全封闭衬砌，通过断层带的各施工工序之间的距离应尽量缩短。
3.3.4 准备足够的抽水设备，并安排适当的集水坑，随工作面的掘进挖好排水沟。
3.3.5 应在地表设置截排系统引排，对断层承压水，如断层地下水是由地表水补给时，应在每个掘进循环中，深度宜在4米以上，以探明地下水的情况，向隧洞前进方向钻凿不少于2个超前钻孔。
4 破碎带内大量渗水处理方案
①渗水量不大时，采用堵排结合的方法，即加强拱墙衬砌结构，在拱部衬砌厚度外设透水软管与边墙盲沟接通，引水至隧洞两侧沟水；在拱墙衬砌工作缝设纵横向止水条。②为防止发生大量渗水甚至涌水等异常情况，拟采用成熟工艺劈裂注浆为基础的综合整治施工技术，即劈裂注浆固结法施工。
工艺流程劈裂注浆固结法施工工艺流程如下：
4.1 施工准备 ①安装并调试钻孔和注浆机械设备。②准备注浆材料，测定性能。③钻孔注浆和隧洞衬砌结构设计。④通过地质超前钻孔资料，分析断层地质情况。
4.2 施工方法 ①围岩节理发育、破碎时应设置2～5m的止浆墙，并将墙身嵌入围岩
0.3～0.5m。②钻孔埋设孔口管：开孔直径为Φ146mm，长度为2m，用CS（水泥、水玻璃）砂浆埋设Φ127mm孔口管，在管口安装Φ127mm球形闸阀，作为封闭钻孔中可能会出现的涌水。③直径采用Φ108mm，在钻至后半部时，钻孔直径改为Φ89mm，钻孔机械选用XU-3002A地质钻机和YGZ-100导轨式独立回转凿岩机。④扫孔钻进时，观察分析回水岩芯或弃碴状态，用以判断注浆质量和调整注浆参数。
4.3 注水试验 ①成孔后注水数分钟（注水量由小到大），测定吸水量，并清洗岩层裂隙。②投放连通试验材料，加水压注，作为连通试验。
4.4 注浆方法 ①双液注浆。②分段注浆法根据钻孔的地质情况，可采用全孔一次注浆和前进式、后退式分段注浆方法。在施工过程中，若遇断层发育可能发生涌水时，采用前进式分段钻注浆，逐步向前推进封墙。③钻孔及注浆原则钻孔及注浆原则为先外后内、先疏后密、外密内疏、反复钻注、开孔诱导。④注浆类型注浆类型分为水泥浆和水泥-水玻璃双液，根据注浆设计、注水试验及清孔情况、泵送能力在注浆过程中进浆情况确定用单液还是双液。⑤注浆完成按要求达到规定的注浆压力值，并应稳压达30分钟。⑥开挖与衬砌当注浆段注浆完成8小时后，可以进行隧洞开挖。拱墙衬砌采用先墙后拱法或采用连续灌注法进行。
4.5 质量控制 ①在实施注浆过程中的异常情况进行分析和制定处理措施。②测定注浆渗透状态和固结状态。③检查孔注水试验，即注浆前后注水量比较。④检测固结体抗压强度，浆脉渗透状况和固结质量，检查孔应进行取样检查。
4.6 安全生产 ①加强统一指挥，相互协调，确保安全生产。②钻孔中若发生涌水，应集中全力采取措施，及时注浆封堵。③抽换钻杆时，注意被高压泥水冲出孔口伤人。④机电设备应设安全防护罩和漏电保护器。⑤应立即用清水或生理盐水彻底冲洗，当眼睛、脸部或皮肤接触浆液时，严重时送医院治疗。⑥如口罩、眼镜、橡胶手套和长手套，注浆作业人员需配备劳动保护用品。
5 结束语
目前，小迳凹隧道右洞按洞内管棚+劈裂注解固结方案已经顺利通过断层破碎带，效果非常明显。不但在施工过程中确保了人员施工的安全，也为单位带来了一定的经济效益，同时也为左洞的断层破碎带施工提供了有力的技术保障。
参考文献：
[1]秦镇.浅谈隧道断层破碎带施工[J].中国新技术新产品，2009（12）.
[2]崔国成，张旭，王秀坤.浅谈隧道断层破碎带施工[J].珠江水运， 2009（11）.
[3]汪洋，魏明海.水工隧洞断层破碎带施工技术[J].科技风， 2009（04）.