梅花山隧道出口F7断层破碎带施工技术探讨

梅花山隧道出口F7断层破碎带施工技术探讨
摘要：结合超前地质预报和详细勘察提拱的工程地质资料，针对F7断层破碎带岩层松散、自稳性差、涌水量大的特点，采用了长管棚和超前小导管支护相结合的支护手段，对破碎带进行全面帷幕注浆封闭，然后进行三台阶临时仰拱法开挖。

实践结果表明，该施工方案是科学合理的，为快速安全通过断层破碎带提供了有效指导。

关键词：隧道断层破碎带大管棚帷幕注浆三台阶临时仰拱法
1、工程概况
1.1 F7断层地质条件
梅花山隧道出口段里程DK224+881～DK229+750，全长4869米。

F7断层位于DK229+360～DK229+240段，发育于燕山早期，与线路相交于DK229+296，断层破碎带宽度约80m，两侧影响带各20m；断层与线路夹角64°，向大里程倾斜，如(图1)所示。

图1 F7断层纵断面示意图
F7断层带内挤压破碎，挤压擦痕，破碎带及其影响带围岩受构造影响，破碎松散，自稳能力差，对隧道洞身稳定性有较大影响。

且此处埋深较浅，沿断层影响带地貌上形成深切的冲沟，地表汇水面积大，属强富水区，预测最大涌水量为13895m3/d。

1.2 超前地质预报情况
1.2.1 HSP声波反射法探测
根据中铁西南科学院地质预报单位提供“梅花山隧道出口地质预报简报第07期（DK229+380～+310）”报告显示，DK229+360～DK229+310段岩体为中～强风化花岗岩，发育两组节理，大角度相交，岩体破碎呈碎块状结构，岩体自稳性差，部分地段发育长大不利结构面和次级小断层，节理裂隙切割使岩体破碎，受构造影响此段节理密集带可能成为富水区。

1.2.2 超前地质钻探
在掌子面DK229+360施作三个超前地质钻孔，其长度分别为102米（1#孔线左侧拱腰）、72米（2#孔拱部中间）、72米（3#孔线右侧拱腰）。

地质探测情况为受区域断层影响岩体破碎，开挖易掉块，围岩自稳能力差，裂隙密集带地下水
发育，钻孔过程中有线状水出露，最大出水量8.5m3/h（2#孔）。

1.2.3 地表调查
地表植被发育，地形起伏较大，相对高差20～50米，切割呈U形状，山间冲沟发育，埋深浅。

DK229+330处为乡村水泥公路(宽约3.0米)，埋深约32米；DK229+315为常年流水的河沟(宽约20米)，沟底埋深约21米（沟底淤泥厚约2～3米）。

2、断层施工方案
通过地表调查、HSP地质预报、超前水平钻孔探测的地质情况，按照“地质预报先导、注浆预加固先行”、“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、速反馈”的方针组织施工，具体措施如下：
(1)按照设计要求施作超前周边预注浆与超前帷幕预注浆，以达到注浆堵水、加固围岩的目的。

(2)按照设计要求进行超前支护，影响带施作Ⅲ型超前小导管、断层带段施作φ89洞身长管棚+套打φ50小导管超前支护。

(3)采用三台阶临时仰拱法施工，严格按照设计支护规范施工。

(4)地表河沟河床采取围堰方式，对隧道穿越区域沟底铺设C15砼底板、采用φ42钢花管对河床进行注浆加固。

3、断层施工关键技术
3.1 超前支护
3.1.1 洞身段长管棚支护
采89mm×5mm钢管；每节钢管一端预加工成外丝扣，另一端加工成内丝扣，以便互相连接。

大管棚一环共设计41根，每根长30m，间距40cm，管棚外插角一般为0°～3°（不包括路线纵坡），实际按2°控制，具体仰角应根据现场实际情况确定。

管棚设计采用一根无孔钢管一根钢花管交替打设；钢花管注浆后起到固结隧道开挖轮廓外围岩作用，与无孔钢管一并形成开挖安全防护棚。

3.1.2 超前小导管支护
小导管主要采用50mm×3.5mm钢管，前端做成尖锥形，尾部焊接6mm钢筋加劲箍，管壁上每隔30cm梅花形钻孔，孔直径为10mm，尾部长度≥10cm作为不钻孔的止浆段。

施工程序为:测量孔位→钻孔→插管→注浆。

其中注浆环节是关键:(1)注浆前要封闭工作面；(2)注浆时，注浆管口与钢管端口要用套箍连接牢固，防止漏浆、跑浆；(3)注浆顺序为由拱脚向拱顶进行；(4)如果发现注浆量持续增长而注浆压力稳定时，应停止注浆等待一段时间后再注。

超前小导管注浆施工完成后，可与大管棚一起形成整体，起安全防护作用，进一步加固掌子面附近围岩。

3.2 超前帷幕注浆封闭
3.2.1 注浆参数设计
(1)预注浆分段长度每一超前预注浆段为40m，每循环开挖2～3m，留止浆段5～8m。

(2)根据以往隧道注浆施工资料，注浆压力一般为涌水压力加2～4MPa，即注浆压力P=(2～4)MPa+P0，P0为涌水压力。

(3)止浆岩盘厚度设5m，在断层破碎带的水压较大时，可适当加厚止浆岩盘至8m。

3.2.2 注浆施工工艺
根据以往隧道施工经验并结合具体的地质情况，注浆施工分静水高压预注浆和动水高压预注浆2种。

2种注浆工艺均由下面几个主要的步骤组成。

(1)孔口管安装先用MK-5钻机钻引导孔，孔深3.2m，再将直径108mm，长3m孔口管插入，外露20～30cm，管壁与孔口处用麻丝填塞，再向孔内注双液浆固结，孔口管起着导向作用，钻孔安装时要控制好外插角，要求安装牢固，固结密实，不漏浆，不窜浆。

(2)钻孔采用MK-5型钻机钻超前注浆孔。

钻进过程中若单孔出水量小于30 L/min，可继续钻进，若单孔出水量大于30L/min，立即停钻进行注浆。

(3)制浆、注浆。

根据选定浆液配合比参数拌好浆液，其中水泥浆拌好后用1mm×1mm网筛过滤，放入叶片立式搅拌机进行二次搅拌，确保浆液均匀。

拟采用全孔一次灌浆法进行预注浆，射浆管口距孔底50cm。

施工根据现场情况，如果涌水量很大，水压很高，则采用自掌子面向内的逐段正灌法。

(4)注浆顺序。

注浆孔的施工应按注浆程序分序、分段进行。

由于预注浆浆液扩散的一般规律是向上易扩散，向下不易扩散，一般先钻注布置在隧道顶板上的注浆孔，后钻注隧道两侧孔，最后钻注底板孔，根据经验，先注外圈，后注内圈，同一圈由下向上间隔注浆。

为了减少等强时间，除水玻璃外，可视情况在浆液中增加其它速凝剂，每段注浆完成后，暂定待凝时间为48h再进行钻爆。

(5)注浆方式。

采用分段前进式注浆或全孔一次压入式注浆，当钻孔过程中
未遇见泥夹层或涌水，就一钻到底，全孔一次压入式注浆，当钻孔过程中遇到泥夹层或涌水，立即停止钻孔，采取注一段钻一段的分段前进式注浆，直至终孔。

(6)注浆结束标准。

单孔结束标准:注浆压力逐步升高至设计终压，并继续注浆10 min以上，注浆结束时的进浆量小于5L/min。

全段结束标准:所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；注浆后预测涌水量小于3m3/(m·d)；检查孔涌水量小于0.2L/(m·min)；检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满。

3.3 三台阶临时仰拱法开挖
三台阶临时仰拱法既吸取了三台阶七步开挖法的核心土保护和台阶流程，又引用了CRD法临时仰拱及时封闭工艺，通过核心土和临时仰拱保证了开挖断面的安全和稳定，避免了多次拆除钢架和喷射混凝土的浪费以及多次接拱脚造成的突变下沉等不利因素，同时也利于现场的操作和执行，易被工人接受推广。

三台阶临时仰拱法施工工序如下：
(1)利用上循环架立钢架施作超前支护；(2)开挖1部，同时每循环进尺一次，掌子面喷5cm厚混凝土封闭；(3)分部施作1部周边初期支护；(4)滞后于1部一段距离开挖2部(即核心土)，施作临时仰拱，使上台阶封闭成环；(5)滞后2部适当距离后在临时仰拱的保护下开挖3部、接长钢架，施作左侧初期支护；(6)3部施工至适当距离后逐榀拆除横撑并开挖4部，接长钢架，施作右侧初期支护；(7)紧跟4部开挖5部，施作临时仰拱，使中台阶封闭成环；(8)左右错开施作6，7部，施作初期支护并逐榀拆除横撑；(9)紧跟开挖8部，施作初期支护使其初支闭合成环，并及时施作仰拱及仰拱填充(见图2)。

图2 三台阶临时仰拱法施工图
4、结语
(1)本隧道断层破碎带施工，超前地质预报为制定科学合理的施工提拱了指导,保证了隧道施工安全和质量。

(2)隧道长大管棚和超前小导管相结合的支护措施保证隧道断层开挖的安全，超前帷幕注浆和超前周边注浆有效控制了断层的施工渗漏水。

(3)三台阶临时仰拱法结合了三台阶七步开挖法和CRD的优点,又避免了多次拆除钢架和喷射混凝土的浪费等不利因素，同时也利于现场的操作和执行。

参考文献
[1]杨尉涛.秦岭隧道超浅埋及富水段施工技术探讨[J].土工基础,2009(6).
[2]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003．。