轴向与断层走向小角度相交的隧道施工方案探讨 4页

2010年第2期西南公路XINANGONGLU轴向与断层走向小角度相交的隧道施工方案探讨杨元军（四川路桥公路隧道分公司成都610200）【摘要】根据西昌至攀枝花高速公路酸水湾隧道攀枝花端，穿越与隧道轴线小角度相交断层破碎带的施工方案，主要探讨与隧道轴线小角度相交的断层对隧道开挖和初期支护的影响，及相应处理措施和成效。【关键词】隧道；断层；小角度相交；施工方案【中图分类号】U455【文献标识码】B千枚岩，岩层走向与隧道轴向成小角度相交，岩层1概述倾向洞左侧，倾角65°～75°，受构造影响严重。掌子面右侧拱腰为一黑色炭质千枚岩软弱夹层，厚西昌至攀枝花高速公路酸水湾隧道为双线分离度约为2.5m，挤压揉皱强烈，质软，片块碎镶嵌结式隧道，全长3261m（单洞），地处安宁河及支流白构，含石英岩脉，且有淋水~股状涌水，涌水量为沙沟东坡，为一向西倾斜的斜坡地形。隧址地处斜50～60L/min。开挖后该软弱夹层填充物在地下水侵坡中下部，地形坡度23°～40°。蚀下，快速泥化，具流塑性，稳定性极差，易坍塌出口攀枝花端的城门洞沟为深切割大冲沟，围（见图1）。岩主要为深灰色千枚岩，变晶结构，千枚构造，层理发育，岩层总体走向NE5°～20°，与隧道轴线呈m2.55°～10°小角度相交，岩层倾向隧道右侧，倾角7°～80°，受构造影响严重，发育两组节理组成X共轭集中涌水处灰剪节理，围岩以Ⅱ类为主，稳定性差。(随着开挖上下移动)黑色含炭该隧道在施工过程中所遇不良地质情况主要千开挖线千掘进过程中软弱枚枚岩有：断层破碎带、含炭千枚岩软弱夹层、局部地段岩夹层移动方向突涌水（突泥）、酸水湾巨型滑坡等，特别是隧道图1LK136+210掌子面穿越断层和炭质千枚岩软弱夹层时，高地应力、偏同时发现，LK136+210～+244段已完成的初支压、突涌水、突泥等不利因素对隧道开挖及支护造变形严重，尤其是靠掌子面附近的初期支护(LK136成巨大影响，主要体现为初期支护大变形，并诱发+210～+236)出现偏压特性，线路左侧明显向洞内收多次坍方。针对以上情况，对该隧道穿越多条断层敛，监控量测数据反映水平收敛3天就达10cm以上，破碎带采取了多种处治措施和施工方案。其中在LK136+230处已出现侵限，初支混凝土变形、2断层的发现、特征和对施工的影拉裂、脱落。I18型钢钢架(有一段采用的格栅钢架)扭曲变形，同时出现渗水，局部出现股水、涌水。响针对以上突发情况，采用地质雷达对隧道岩壁2.1断层的发现和判定进行纵横向探测，测试结果显示：右侧洞室外酸水湾隧道出口攀枝花端左线开挖至LK136+4～5.5m处有一明显强反射界面，其范围内杂波极210处时，掌子面岩性为灰色、灰黑色千枚岩、炭质多，5.5m以外雷达异常波形渐少，根据雷达探测结果66 2010年第2期西南公路XINANGONGLU杨元军：隧道穿越平行(小角度相交)断层施工方案探讨集中涌水处结合隧道掘进情况和现场观察判定该破碎软弱夹层(随着开挖上下移动)为一受区域断裂构造影响发育的断层构造，该断层角砾破碎带宽度6～8m,走向与隧道轴线呈5～10°小角度、粉轴向与断层走向小角度相交的隧道施工方案探讨灰末黑相交，倾角65°～75°，倾向掌子面左侧，随着隧色混含杂炭千状枚千道掘进断层破碎带会逐步向掌子面中、左侧偏移，岩开挖线杨元军枚岩并将在相当长范围内对隧道的开挖和支护产生影响、石（四川路桥公路隧道分公司成都610200）掘进过程中破英（见图2）。碎带移动方向脉图3断层破碎带地质素描西昌【摘要】根据西昌至攀枝花高速公路酸水湾隧道攀枝花端，穿越与隧道轴线小角度相交断层破碎带2.3断层破碎带对施工的影响的施工方案，主要探讨与隧道轴线小角度相交的断层对隧道开挖和初期支护的影响，及相应处理措施和成效。断层与隧道小角度相交对施工的影响主要分为预计断层【关键词】隧道；断层；小角度相交；施工方案出露段三个阶段。【中图分类号】U455【文献标识码】B2.3.1断层逐渐接近隧道开挖轮廓线阶段的影响由于断层破碎带走向与隧道轴线呈小角度相掌子面LK136+210交，在该阶段断层破碎带虽然位于开挖轮廓以外为千枚岩，岩层走向与隧道轴向成小角度相交，岩层断层出露点LK136+2221概述隐伏状态，但实际隧道开挖和初期支护已经处于其倾向洞左侧，倾角65°～75°，受构造影响严重。影响范围以内，虽然掌子面反映的岩性还相对较掌子面右侧拱腰为一黑色炭质千枚岩软弱夹层，厚西昌至攀枝花高速公路酸水湾隧道为双线分离断层好，但洞室岩壁在开挖后塑性区扩大不能抵挡断层度约为2.5m，挤压揉皱强烈，质软，片块碎镶嵌结式隧道，全长3261m（单洞），地处安宁河及支流白破碎带地应力释放，最终导致该段初期支护严重变构，含石英岩脉，且有淋水~股状涌水，涌水量为隧道断层沙沟东坡，为一向西倾斜的斜坡地形。隧址地处斜影响段形（见图4）。50～60L/min。开挖后该软弱夹层填充物在地下水侵坡中下部，地形坡度23°～40°。蚀下，快速泥化，具流塑性，稳定性极差，易坍塌出口攀枝花端的城门洞沟为深切割大冲沟，围LK136+244（见图1）。岩主要为深灰色千枚岩，变晶结构，千枚构造，层理发育，岩层总体走向NE5°～20°，与隧道轴线呈m断层围岩塑性变形区断2.5层地5°～10°小角度相交，岩层倾向隧道右侧，倾角7°应力攀枝花释放～80°，受构造影响严重，发育两组节理组成X共轭集中涌水处灰图2断层与隧道平面位置示意图初期支护变形区剪节理，围岩以Ⅱ类为主，稳定性差。(随着开挖上下移动)黑色含炭2.2断层的特征该隧道在施工过程中所遇不良地质情况主要千开挖线千掘进过程中软弱枚该断层破碎带主要具有以下特征（见图3）：枚岩有：断层破碎带、含炭千枚岩软弱夹层、局部地段岩夹层移动方向图4断层对初期支护的影响（1）构造强烈、地应力大。该断层破碎带岩性突涌水（突泥）、酸水湾巨型滑坡等，特别是隧道图1LK136+210掌子面为灰绿色、灰黑色千枚岩、炭质千枚岩含石英岩脉，该阶段情况较为隐蔽，不易及时发现和做出有穿越断层和炭质千枚岩软弱夹层时，高地应力、偏同时发现，LK136+210～+244段已完成的初支强风化，薄层状，经过剧烈地质构造挤压揉皱强烈，质针对性的施工调整，因此病害较为严重，处治也相压、突涌水、突泥等不利因素对隧道开挖及支护造变形严重，尤其是靠掌子面附近的初期支护(LK136软，呈角砾、粉末状块碎镶嵌结构，宽度6～8m。对复杂，此种情况在酸水湾隧道集中体现在成巨大影响，主要体现为初期支护大变形，并诱发+210～+236)出现偏压特性，线路左侧明显向洞内收（2）地下水发育。有淋水～股状涌水，涌水量LK136+236~LK136+222段，该段开挖揭示围岩为深多次坍方。针对以上情况，对该隧道穿越多条断层敛，监控量测数据反映水平收敛3天就达10cm以上，为50～60L/min，断层破碎带填充物在地下水侵蚀下灰色变质千枚岩，掌子面左右各发育一组结构面呈破碎带采取了多种处治措施和施工方案。其中在LK136+230处已出现侵限，初支混凝土变形、快速泥化，具流塑性，稳定性极差，在股状涌水处三角形交汇于拱顶，结构面光滑，内夹炭质千枚岩2断层的发现、特征和对施工的影拉裂、脱落。I18型钢钢架(有一段采用的格栅钢架)扭易出现突泥现象。填充物，地下水发育呈淋雨状，受构造和地下水影曲变形，同时出现渗水，局部出现股水、涌水。（3）走向与隧道轴线小角度相交。该断层破碎响，拱顶易产生掉大块，当时现场判定为Ⅲ类偏响针对以上突发情况，采用地质雷达对隧道岩壁带与隧道轴线呈5～10°小角度相交，导致该不良地弱，支护采用80cm格栅钢架，支护完成后监控量测2.1断层的发现和判定进行纵横向探测，测试结果显示：右侧洞室外质构造对隧道施工产生长时间影响（影响段落超过数据显示该段拱顶下沉和水平收敛一直处于发散状酸水湾隧道出口攀枝花端左线开挖至LK136+4～5.5m处有一明显强反射界面，其范围内杂波极100m），并在断层破碎带出露和渐灭段落对初期支态，伴随喷射砼开裂，格栅钢架严重扭曲变形，最210处时，掌子面岩性为灰色、灰黑色千枚岩、炭质多，5.5m以外雷达异常波形渐少，根据雷达探测结果护造成严重偏压。大开张裂缝超过10cm，随时都有坍塌可能。变形发6667 西南公路生后，施工单位在该段架设了工字钢架临时支撑，（4）帷幕注浆加固。由于初期支护变形未稳变形趋势有所减小，但却一直未能达到稳定。定，对该段初期支护采取注浆固结周边松散围岩，2.3.2断层破碎带出露并逐渐向隧道掌子面另一侧改良初支受力，注浆部位为上导坑1800范围，采用发展阶段的影响ф42注浆小导管,长度3.5m间距0.8m梅花型布置，单该阶段断层破碎带只占据掌子面的部分范围，孔注浆量控制在0.6m3。由于围岩岩性的不均匀，其对隧道开挖和支护的影（5）初期支护封闭成环。在进行下导坑施工响主要体现在高偏压，但由于断层破碎带已经出时，仰拱增加初期支护，将初期支护闭合成环优化露，能根据断层的地质情况在开挖和初期支护上采受力。取有针对性的工程措施。（6）及时跟进二次衬砌。下导坑施工后，及时2.3.3隧道在断层破碎带中穿越的阶段跟进二次衬砌，二次衬砌采用钢筋防水砼。该阶段隧道将在断层破碎带中穿行，主要的特3.2.2掘进施工方案点是高地应力和突水、突泥的处治。（1）开挖方式选择。针对断层破碎带为混杂状、粉末状块碎镶嵌结构，围岩软弱且稳定性极差3小角度穿越断层的工程措施开挖后极易坍塌，开挖断面需符合围岩稳定性要3.1工程措施选用的基本思路求。拟开挖采用多台阶、预留核心土法（见图5）。穿越该断层的基本思路是针对断层对隧道开挖和支护产生影响的三个阶段的不同特点，并根据开①②m3挖揭示出来的断层破碎带的地质特征，分阶段、分＜步骤采用不同的工程措施。主要有三个重点：对初③期支护病害的处理、掘进施工方案、特殊不良地质条件下的施工方案。④⑥⑤3.2小角度穿越断层的施工方案3.2.1对初期支护病害的处理由于在断层接近隧道开挖轮廓线的时候初期支⑦护未采取相应针对措施，受该断层影响LK136+236~LK136+222段初期支护出现严重变形，为防止坍图5开挖示意图塌事故发生，确保下步掘进施工能够安全顺利开开挖方式采用挖掘机配合人工开挖，其中①、展，首先要对变形初期支护进行处理，处理具体方②部采用人工手持风镐开挖以减少对围岩的扰动。案如下。其余部分采用挖掘机开挖，遇到孤石采用多眼弱爆（1）临时支撑加固，封闭掌子面，对变形段落破处理。开挖进尺控制在0.6m以内。①、②、③部超初期支护内侧架设临时I18工字钢拱架环向支撑，并前⑤、⑥、⑦部4～5m施工。在拱脚加设I18工字钢横向支撑，支撑间距0.5m/榀，（2）加强超前支护。采用双排φ42小导管超前临时支撑在落底施工完成后二次衬砌施工前拆除；支护，在断层破碎带影响范围内设置，单排环向间距（2）加强锁脚。上导坑初期支护每榀钢架两侧30cm，长度5.0m，搭接1.5m，小导管超前注浆，单根注拱脚各增加3根(每榀共6根)锁脚锚杆，长度6.0m，锁3浆量控制在0.3m，地下水出露部分应有计划预留导管不脚锚杆采用φ42注浆无缝钢管，并在管中插入φ予注浆，以便于排泄地下水，减小围岩静水压力。22螺纹钢增加其刚度并注浆填充密实。落底施工前（3）加强初期支护刚度，由于该断存在偏压且必须先施工锁脚小导管，落底采用左右分幅跳槽开在断层破碎带内开挖洞室，系统锚杆的作用相对降挖，每循环1~2榀，落底完成后及时施工二次衬砌。低，初期支护的稳定主要取决于其刚度是否能抵抗断（3）排引地下水减小静水压力。对地下水集中层的巨大地应力，因此初期支护的刚度要足够强，在部位，打入φ42钢花管排引，长度3.5m。本隧道的掘进过程中，开挖预留沉降量20cm，初期支68 西南公路杨元军：隧道穿越平行(小角度相交)断层施工方案探讨生后，施工单位在该段架设了工字钢架临时支撑，（4）帷幕注浆加固。由于初期支护变形未稳护全断面封闭成环,采用I18工字钢架，间距3榀采取跳孔压浆，注浆压力在0.5～1MPa，单孔注浆量变形趋势有所减小，但却一直未能达到稳定。定，对该段初期支护采取注浆固结周边松散围岩，/m，φ6.5钢筋网,网眼间距为20cm*20cm，喷射砼厚度控制在0.3m3，超过后可停止注浆。2.3.2断层破碎带出露并逐渐向隧道掌子面另一侧改良初支受力，注浆部位为上导坑1800范围，采用25cm，系统锚杆长度为3.50m，0.8*0.8m梅花形布置；3.3施工过程中的监控量测发展阶段的影响ф42注浆小导管,长度3.5m间距0.8m梅花型布置，单（4）加强锁脚。上导坑初期支护每榀钢架两侧在掘进施工过程中，监控量测工作要加强，监该阶段断层破碎带只占据掌子面的部分范围，孔注浆量控制在0.6m3。拱脚各增加3根（每榀共6根）锁脚锚杆，长度控点位埋设应改加密到5m一个断面，在特殊地质地由于围岩岩性的不均匀，其对隧道开挖和支护的影（5）初期支护封闭成环。在进行下导坑施工6.0m，采用φ42注浆小导管，并在管中插入φ22螺纹段还要根据现场实际情况临时埋设；监控频率应响主要体现在高偏压，但由于断层破碎带已经出时，仰拱增加初期支护，将初期支护闭合成环优化钢增加其刚度。12h测量一次，如数据异常应缩短到8h/次。露，能根据断层的地质情况在开挖和初期支护上采受力。（5）加强二次衬砌，二次衬砌采用厚度50cm钢4施工效果评估及几点总结取有针对性的工程措施。（6）及时跟进二次衬砌。下导坑施工后，及时筋防水砼。2.3.3隧道在断层破碎带中穿越的阶段跟进二次衬砌，二次衬砌采用钢筋防水砼。3.2.3特殊不良地质条件的针对性措施4.1施工效果评估该阶段隧道将在断层破碎带中穿行，主要的特3.2.2掘进施工方案在以上施工方案的基础上根据该断层的一些特通过采用以上施工方案，酸水湾隧道在通过该点是高地应力和突水、突泥的处治。（1）开挖方式选择。针对断层破碎带为混杂殊不良地质条件，还采取更有针对性的辅助措施。小角度相交断层的施工过程中，达到了安全、快状、粉末状块碎镶嵌结构，围岩软弱且稳定性极差（1）断层破碎带松散角砾粉末混杂状围岩的处速、经济的目的，取得了预期的效果，为在该类地3小角度穿越断层的工程措施开挖后极易坍塌，开挖断面需符合围岩稳定性要理，由于围岩极其破碎松散，普通锚杆锚固效果有质条件下施工大断面隧道总结了宝贵经验。3.1工程措施选用的基本思路求。拟开挖采用多台阶、预留核心土法（见图5）。限，针对此种情况系统锚杆采用Φ42注浆导管，长4.2总结穿越该断层的基本思路是针对断层对隧道开挖3.5m，按间距80×80cm梅花形拱部1200范围以外到（1）加强超前地质预报的作用，超前地质预报和支护产生影响的三个阶段的不同特点，并根据开拱脚布置，通过导管注浆改良围岩地质条件，注浆应该采用多种方法相结合，预报范围不应局限于沿①②m3挖揭示出来的断层破碎带的地质特征，分阶段、分＜3采用水泥单浆液，单根注浆量控制在0.3m以内。线路轴线，应包括对洞室侧壁进行探测，以便及时步骤采用不同的工程措施。主要有三个重点：对初③（2）突水、突泥地段的处理，该段地下水主要发现不良地质情况，及时采取针对措施，避免造成期支护病害的处理、掘进施工方案、特殊不良地质采用排引为主的处理方式，但在突水、突泥地段，病害引发事故。条件下的施工方案。④⑥⑤由于其突然性大，危害高，为防止出现坍塌事故，（2）小角度断层有着其独特性，应该针对其对3.2小角度穿越断层的施工方案确保开挖安全和工程措施的顺利实施，综合考虑岩隧道开挖、初期、支护和二衬影响的三个不同阶段3.2.1对初期支护病害的处理体围岩松散程度、岩性与地下水作用,结合凝胶时采取不同的处理措施。由于在断层接近隧道开挖轮廓线的时候初期支⑦间,决定在此种段落采用水泥、水玻璃双液浆注浆止（3）在偏压地段或穿越断层破碎带，隧道初期护未采取相应针对措施，受该断层影响LK136+水，水泥与水玻璃比1:0.6,水泥浆水灰比1:1。支护的稳定主要取决于初期支护的刚度，系统锚杆236~LK136+222段初期支护出现严重变形，为防止坍图5开挖示意图单孔注浆量由浆液扩散半径及围岩的孔隙率确的作用会相应降低。塌事故发生，确保下步掘进施工能够安全顺利开开挖方式采用挖掘机配合人工开挖，其中①、定。参照公式:（4）隧道在穿越断层破碎带时会遇到突发不良展，首先要对变形初期支护进行处理，处理具体方②部采用人工手持风镐开挖以减少对围岩的扰动。Q=πR2LNαβ地质情况，因此施工方案不应一成不变，应灵活机案如下。其余部分采用挖掘机开挖，遇到孤石采用多眼弱爆式中：Q为浆液注入量(m3)；R为浆液有效扩散动，加强针对性。（1）临时支撑加固，封闭掌子面，对变形段落破处理。开挖进尺控制在0.6m以内。①、②、③部超半径(m)，取0.3；L为注浆段长度(m)，取8；N为围岩（5）在不良地质条件下开挖隧道要突出监控量初期支护内侧架设临时I18工字钢拱架环向支撑，并前⑤、⑥、⑦部4～5m施工。裂隙率(%)，取0.3～0.5；α为浆液的充盈系数,取测的作用，用量测数据指导施工方案的制定和调在拱脚加设I18工字钢横向支撑，支撑间距0.5m/榀，（2）加强超前支护。采用双排φ42小导管超前0.8；β为超耗系数(超注，跑冒消耗)，取1.2。注浆时整，保证方案的科学性和针对性。临时支撑在落底施工完成后二次衬砌施工前拆除；支护，在断层破碎带影响范围内设置，单排环向间距（2）加强锁脚。上导坑初期支护每榀钢架两侧30cm，长度5.0m，搭接1.5m，小导管超前注浆，单根注拱脚各增加3根(每榀共6根)锁脚锚杆，长度6.0m，锁3浆量控制在0.3m，地下水出露部分应有计划预留导管不脚锚杆采用φ42注浆无缝钢管，并在管中插入φ予注浆，以便于排泄地下水，减小围岩静水压力。22螺纹钢增加其刚度并注浆填充密实。落底施工前（3）加强初期支护刚度，由于该断存在偏压且必须先施工锁脚小导管，落底采用左右分幅跳槽开在断层破碎带内开挖洞室，系统锚杆的作用相对降挖，每循环1~2榀，落底完成后及时施工二次衬砌。低，初期支护的稳定主要取决于其刚度是否能抵抗断（3）排引地下水减小静水压力。对地下水集中层的巨大地应力，因此初期支护的刚度要足够强，在部位，打入φ42钢花管排引，长度3.5m。本隧道的掘进过程中，开挖预留沉降量20cm，初期支6869