铁路隧道工程断层破碎带专项施工方案

铁路隧道工程断层破碎带专项施工方案 一、编制依据⒈隧道工程地质勘察报告。⒉铁道部《铁路隧道施工规范》（TB10204—2002）。⒊铁道部《铁路隧道设计规范》10003—2005。⒋**至***线六狼山隧道设计图、施工图。⒌六狼山ZSKZ-1标段施工组织设计二、工程概况**铁路六狼山特长隧道全长15175m， 单线隧道，进口里程为改DK20+575，出口里程为改DK35+750。进口至改DK35+450以14％的坡度上坡，改DK35+450至出口以9％的坡度上坡。翼墙式洞门,隧道最大埋深为443m。为开辟施工工作面，加快施工进度，隧道设5座斜井，斜井共长4650.8m，其中1#斜井长557.1m、3#斜井1116.67m、4#斜井1396.11m、5#斜井1068.86m、6#斜井512.56m。1#斜井为双车道斜井，其余斜井为单车道斜井。1#、4#斜井在施工完毕后改做紧急出口，用于隧道发生灾难是的逃生疏散通道。3#、5#、6#斜井在正洞施工完毕后，整理好斜井内排水系统后封堵。隧道正洞Ⅱ及围岩占22.1％、Ⅲ级围岩占29.1％、Ⅳ级围岩占23.6、Ⅴ级围岩占25.2％。围岩级别变换频繁，施工方法需频繁转换。隧道经过三个断层带，围岩破碎，节理发育。其中改DK24+887~DK24+937段、DK27+025~DK27+145段断层破碎带，岩体破碎3斜0+60~3斜1+10段、4斜8+04~4斜9+60段、5斜6+65~5斜7+15段、5斜8+93~5斜9+38段、6斜0+57~6斜0+80段洞身通过断层破碎带，围岩很破碎。岩性主要为片岩、页岩、砂岩且夹薄层泥灰岩，节理、层理及裂隙发育，层面交错，风化严重，呈压碎状态，致使围岩自稳能力差，极易发生坍塌事故，成型困难。为保证隧道正洞或斜井在通过围岩断层破碎带时的施工安全、质量、进度，特制定本专项方案。三、施工方案1、台阶法开挖针对上述情况，结合施工生产能力，按照“管超前、严注浆、短开挖、不(弱)爆破、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则， 立足于各工序间协调统一，措施得当，快速通过破碎带。在拱部超前小导管或者管棚注浆预结围岩的保护下，根据断层破碎带与隧道的位置关系，采用全断面或台阶法开挖。当采用台阶法开挖时，正洞及双车道斜井采用三步台阶法进行施工，单车道斜井采用两步台阶法施工。在破碎带围岩风化严重至几乎没有自稳能力的情况下，采用中留核心土，周边采用风镐环形开挖，待环形开挖完成并初期支护后，再用挖掘机开挖核心土部分。下断面施工采用分部开挖法，先行开挖中槽，再左右交错开挖马口，接下部钢架。施工均遵循“随挖、随接、随喷”的原则。如图1、2、3。 2、断层破碎带与隧道的位置关系隧道穿过断层地段,施工难度主要取决于断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层活动性以及隧道轴线和断层构造线方向的相互关系正交、斜交或平行。在其他条件相差不大的前提下，两者的相互关系直接影响到施工的难易程度、工艺和工期。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，施工难度相对较小；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。下图为几种预计的隧道与断层破碎带的位置关系。图4 断层出现在拱部如图4-a这种情况对隧道的影响相对较小，施工难度主要取决于拱部断层带的宽度。当宽度只有数米时，仍可采用全断面开挖方法，但进尺应缩短，并采用微震爆破技术，加强拱部的初期支护强度；当拱部断层宽度较大时，为安全起见，应改为半断面台阶法施工。为便于人工翻碴，台阶长度不宜过长，一般宜≤5m。断层出现在隧道侧面如图4-b这种情况，施工不当极易造成侧壁整体滑塌，应注意辅以钢架支护和喷射混凝土加强，并在侧壁断层范围布设小导管注浆加固断层岩体；当断层延伸至拱部范围或断层带穿过拱圈大部范围时，如图4-c，坍塌的几率增大，应注意调整开挖方法。隧道整个从断层破碎带中通过当隧道通过较大规模的断层即断面全部穿越断层时，如图4-d。采用分台阶＋分部开挖法，即先行贯通上半断面至较好围岩，再采用中部拉槽左右交错开挖马口的方法分部进行下半断面的开挖。3、断层破碎带状况的地质超前预报断层的超前预报对隧道施工来说，是一项基础性的重要工作。若断层走向与隧道轴线接近正交的话，它的出现具有一定的突然性，如没有意识到断层的存在，依然采用常规的施工方法，将导致断层带出现塌方而影响到整个工程的施工。收集和熟悉与工程有关的地质资料，研究隧道施工所涉及到的主要地质问题，制定地质超前预报方案。（另单独编制专项方案） 运用TSP203地质预报仪、超前钻孔长期预报和地质雷达探测、水文地质观察和素描短期预报相结合进行地质预报。预测开挖面前方的地质情况，包括围岩的整体性以及断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响，地下水活动情况等，以便采取相应的技术措施。4、初期支护加强支护及提高围岩整体稳定是隧道通过断破碎带最基本的施工要求。主要包括：加厚混凝喷层厚度、加密加长锚杆、加强钢筋网、加密钢架距，提高钢架强度和刚度等。锚喷钢筋网联合支护喷射混凝土是使钢架、锚杆、钢筋网组成统一受力整体的关键工序，它可以在围岩表面形成很薄的半刚性衬砌，并在短时间内达到平衡，从而把围岩本身转变成一种有效的承重结构。喷射混凝土具有良好的抗爆破震动和抗冲切性能，能很好地防止坍塌的产生。采用超前小导管预注浆预支护＋格栅支撑＋系统锚杆＋拱墙仰拱挂网喷混凝土联合强支护体系，必要时超前帷幕注浆。锚喷网联合支护施工步骤：根据设计图，初喷砼3㎝～5㎝,及时封闭岩面。锚杆：拱部采用Φ25CD反循环注浆锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆。锚杆均长2.5m，间距1.0m，梅花形布置。当断层破碎及其严重或隧道整个从断层中通过时，可以视情况加密加长锚杆。钢筋网：纵向φ6×环向φ8，网格尺寸20×20㎝， 钢筋网与锚杆焊接。当破碎严重时，视情况采用更大直径的钢筋并缩小网格尺寸，或采用双层钢筋网。钢架(格栅)支护：钢架(格栅)间距75~120㎝，钢架(格栅)间设置φ20连接筋，连接筋环向间距1.0m，钢架(格栅)内外缘交错布置。图5拱顶断层带的初期支护处理当断层破碎带位于隧道侧面(图-b、图-c)时，除加长加密Φ22砂浆锚杆外，还需加强边墙的钢筋网；当隧道整个从断层带通过时，Φ25CD锚杆、Φ22砂浆锚杆均加长加密，钢筋网加强，钢架(格栅)的间距缩小。小导管超前支护预注浆超前小导管的作用：浆液被超前压注到岩体裂隙中并硬化后，既能将破碎岩块或颗粒胶结成整体的预加固，有能起超前支护作用。同时，注浆填充了裂隙，阻隔地下水向坑道渗流的通道，对断层破碎带及富水断层破碎带的稳定能力有很大的增强作用。超前小导管采用φ42㎜，壁厚3.5㎜无缝钢管，拱部间距33㎝。在开挖轮廓上按设计位置及角度打入。钢管实际打入长度不得小于平均每根实际打入长度30㎝，否则开挖一循环后应补管、注浆。根据破碎程度，导管长3.5~6.0m。如图6。 图6超前小导管注浆预加固破碎带注浆前上半断面掌子面采用喷射混凝土封闭，厚度10㎝~15㎝，以免注浆时渗漏浆液。注浆参数及压浆方案的确定，综合考虑到凝胶时间，结合岩体围岩破碎程度与抗压强度、施工操作，以往工程验证，注浆采用水泥、水玻璃双液浆；水泥与水玻璃体积比1:0.15，水泥浆水灰比1:1，水玻璃浓度控制为35°Be，模数取214；单孔注浆量有浆液扩散半径及围岩的孔隙率确定。参照下式：Q=PR2LNAB式中，Q－浆液注入量(m3)；R-浆液有效扩散半径(m)，取0.13； L－注浆段长度(m)，取8m；N－围岩裂隙率(%)，取0.13~0.15；A－浆液的充盈系数，取0.18；B－超耗系数(超注，跑冒消耗)，取1.12，当超前地质显示断层破碎严重时，可以适当加大超耗系数。注浆过程中要经常检查浆液质量，控制好浆液水灰比、注浆压力、注浆量并逐管填写注浆记录；对水灰比、注浆压力、注浆量、材料耗用量、异常情况及其处理等详细记录，为下一循环断层破碎带收集施工决策依据。支护加固与注浆补强采用半断面开挖时，下班断面开挖时前，必要时进行了对上半断面初期支护背后进行注浆处理，填充初期支护背后可能出现的空隙，加强支护体系与围岩的整体性。注浆孔深1m~2m，孔距1.0m~1.5m，梅花形布置。上半断面初期支护及注浆完成后，开挖下半断面时，为防止拱顶出现下沉，必要时对拱脚处加设对口支撑。特别是当断层出现在侧部时，拱脚与变强须用φ42㎜小导管注浆加固。小导管长5m，环向纵向间距1.0m，靠近钢架(格栅)处的小导管下插打入，并与钢架(格栅)焊接，注浆后形成上部支护的拱座，又能作为下部边槽开挖的棚护，能有效放置拱顶下沉。如图7。 图7拱脚小管棚示意图测量布孔钻孔钻杆退出安装孔口管效果核查安装止浆塞结束注浆浆液制备钻机固定图8注浆施工工艺框图机具就位施工准备超前围幕注浆支护根据超前地质预报，当隧道洞身整个通过断层破碎带，且破碎带富水时，采用超前帷幕注浆支护工艺，可形成较大范围的筒状加固区。超前帷幕注浆作用原理：对于破碎岩层，采用中低压力将浆液压注到上述地层中的裂隙、裂缝、空隙里凝固后将岩土或颗粒胶结为整体，以改善、增强破碎带的自稳能力。超前帷幕注浆支护施工工艺：根据地质超前预报结果进行超前注浆，注浆施工工艺详见图8 。在超前探明掌子面前方10～15m有大的裂隙水时，沿施工掌子面放射状布设超前注浆孔，固结隧道开挖线外3m左右的岩体，一次固结长度15m，开挖12m，预留下段止水盘3m。注浆参数注浆参数是一个动态的参数，一般是随岩性和充填物的性质，并通过试验确定。初步可按以下参数设计，施工过程中根据实际情况再作调整。注浆范围:隧道开挖轮廓线以外约3.0m。扩散半径：单孔注浆浆液扩散半径为2m。注浆压力：一般控制在1.0～3.5MPa。注浆材料：采用水泥、水玻璃混合液（即CS浆液）。浆液配比：水玻璃：模数m为2.4～3.4，浓度35Be（配置后）水灰比：浓浆0.8：1；稀浆1.25：1～1.5：1水泥浆与水玻璃浆体积比：1：1胶凝时间：浆液凝结时间可通过改变水灰比、水玻璃用量及缓凝剂掺量控制，一般可按3分钟确定，如遇富水情况应先1～2分钟，待水压小后可改为3分钟。单孔注浆量Q按Q＝πR2Lnαβ控制，式中Q为单孔注浆量（m3）；R为单孔有效扩散半径（m）；L为注浆孔长（m）；n为岩层裂隙率，取3％；α为浆液在岩体裂隙中的充填系数，取0.5；β为浆液消耗率，取1.1。n、α、β可在施工中根据具体情况调整。注浆管采用φ 50热轧钢管，壁厚5mm，周边外插角在保证注浆半径不小于3.0m前提下，根据施工中的设备确定。注浆方式：采用分段前进式注浆。注浆钻孔平面图、纵断图、注浆孔位布置图及分段前进式注浆示意图分别详见图9～图10。 设备选择与配置注浆孔的孔口段采用YQ-100潜孔钻机开孔，该机带有冲击器，开孔直径较大，适合于钻浅孔和深孔的孔口段。孔口段成孔后，改用ZYG150型全液压钻机。注浆泵采用ZG6310单液注浆泵，该机可通过变速箱实现两种转速、两种流量，而且流量稳定，压力波动小，是帷幕注浆的主力泵；2TGZ60／210双液泵由于流量小，注浆压力高，主要用超高压注浆。注浆主要设备机具表序号名称型号数量主要参数备注1液压地质钻ZYG1502台钻深150m，孔径φ65，φ89，φ115主力机2潜孔钻机YQ1002台钻深30m，孔径φ85～130开口用３双液注浆泵KBY50／707台流量0.05m3/min，压力0.5～0.7MPa补充注浆用4单液注浆泵ZG63104台流量0.07～0.209m3/min，压力3.5～10MPa主力机5双液注浆泵2TGZ60／2104台流量0.016～0.06m3/min，超高压注浆用 压力6～21MPa6水泥搅拌机JZ3504台容量0.35m37水泥浆储浆桶自制4个容量1.0m38混合器自制20台Ｔ型、Y型各10台9钻孔注浆台车自制2台作业平台可升降10高压阀18个11孔口闸阀10个12泄压阀10个13高压软管200ｍφ32 注浆施工要点所有注浆参数，包括注浆范围、浆液配比、胶凝时间、注浆孔数、注浆孔位、注浆顺序、注浆压力等均应通过实验进行必要调整，以便符合现场情况，达到预期压注效果。止浆墙施工,为防止未注浆段地下水涌向作业面及注浆时跑浆，注浆起始处掌子面应以喷射混凝土做成止水浆墙，厚度不小于20cm。后续循环注浆施工，利用预留的止浆岩盘作为止浆墙，止浆岩盘厚度根据围岩结构和岩性而定；第一环节止水盘长度为5m，其余均为3m；止浆岩盘本身要注浆密实，不留注浆盲区和死角；对于围岩极破碎、预测涌水压力很大、利用注浆加固还难以承受高压地下水的止浆岩盘，采用2～3m的模喷砼予以加强。钻孔：钻孔先外圈后内圈，先近后远，同一圈间隔施工，开钻段采用YQ-100型冲击钻钻孔，孔口管安装后，改用ZYG-150型液压钻机从孔口管内不断接杆钻孔至设计深度。钻孔时，采用木制角度控制尺按设计钻孔外插角度严格控制好角度。施钻开始时要轻加压、慢速度、多给水。施钻过程中，认真做好孔位、进尺、起讫时间、岩体裂隙情况、孔内出涌水量、涌水压力等原始记录。当单孔出水量小于30Ｌ/min时，可继续施钻，单孔出水量大于30Ｌ/min时，立即停止钻进并进行注浆。孔口管安装及防漏浆措施：孔口管与孔壁连接处采用一端焊有法兰盘的钢管，长度根据需要确定，一般为2～3m；安装前，先在钢管上缠绕麻丝，用钻机强力推入孔中并用膨胀镙栓加固。 必要时，在孔口管段注水泥——水玻璃双液浆充填管壁与围岩间的间隙。注浆栓塞安装：安装前检查止浆塞的磨损程度，若发现止浆塞不能有效密封止浆，立即更换，以防止返浆或凝固后使注浆芯管无法拔出，影响正常施工。在一般水压的钻孔中，栓塞采用人力送入孔中，采用机械膨胀栓塞；当静水头很高时，普通的止水栓塞难以人力送入孔中，必需选用小直径高膨胀压式栓塞。栓塞的耐压强度应大于15MPa，安装时用钻机送入孔中，在钻孔夹紧状态下加压膨胀。通过中心管向地层注浆。浆液制备：根据选定的浆液配合比搅拌好浆液后，采用1mm×1mm网筛过滤，再利用叶片立式搅拌机进行二次拌和，以确保浆液均匀。压水试验：先对注浆管路系统压水，检查管路的通畅性和密封性，防止管路堵塞和滴漏；之后通过管路压注清水冲洗岩体裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充填裂隙的密实性。注浆顺序及方式：注浆顺序应分批进行，为避免钻孔串浆应钻一孔注一孔，先疏后密，待每个环节注完后，可钻2～3个检查孔检查注浆效果，如未达到预期效果，应以小导管压注1：1水泥—水玻璃浆补充注浆，小导管采用φ42热轧钢管，壁厚3.5mm。注浆速度：当单孔涌水量≥50L/min时，注入速度80～150L/min；当单孔涌水量＜50L/min，注入速度35～80L/min。注浆结束标准：按终压、进浆量和封堵后的出水量进行控制，达到以下标准时即可结束：注浆压力逐步升高达到设计终压并继续注浆10min以上； 单孔注浆量与设计注浆量大致相同，注浆结束时的进浆量小于20L/min；注浆异常情况处理钻孔过程遇有突泥和单孔涌水量大于30L/min时，停止钻进退杆立即进行注浆。掌子面如遇小裂隙漏浆，先用水泥浆浸泡过的麻丝填塞裂隙，并调整浆液配比，缩短凝胶时间。若仍跑浆，可在漏浆处采用普通风枪钻浅眼注浆固结。若在掌子面前方５m以外大裂隙串浆或漏浆，可采用止浆塞穿过裂隙进行后退式注浆。注浆过程中，如果注浆压力突然增加，表明裂隙变小，浆液通路变窄，这时可改清水或纯水泥浆，待泵压恢复正常后，重新注浆；注浆过程中，如果进浆量很大，而泵压长时间不升高时，表明遇到较大裂隙，这时可调整浆液浓度和配比，缩小凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液在岩层裂隙中尽快凝胶，也可采用间歇式注浆方式处理。深孔注浆通过注浆可改善围岩稳定性，达到防止突水涌泥的目的。深孔注浆分为深孔充填注浆和深孔劈裂注浆。深孔注浆施工要点如下：施工准备：调查地质情况、配备施工机具及施工人员。 设置止浆墙：一般地段网喷厚度为15～20cm的C20混凝土，坍方地段灌筑1.0m厚混凝土墙。止浆墙上按设计预埋1.5～2.0m的孔口管；双液注浆加固孔口周围及填充墙背，注浆压力控制在0.2Mpa～0.8Mpa。钻孔注浆：采用液压凿岩台车、地质钻机或锚杆钻机钻孔，先用单液注浆，压力为2Mpa～3Mpa；当出现串漏浆液时，改用双液注浆封口。注浆顺序一般自下而上，先两侧后中间，初始压力0.4Mpa～1.0Mpa，终压3.0Mpa～4.0Mpa。双液浆配合比：水灰比0.8～1.5，水玻璃浓度为35Be，水泥与水玻璃浆液体积比为1：1，胶凝时间为1～2min。4.4.6开挖面周边浅孔注浆堵水周边浅孔注浆适用于地下水发育的隧道施工，为了截水及加固地层，防止断层突泥涌水；在开挖前需进行截水及加固地层注浆。浅孔注浆长度一般为6m～8m，开挖时预留2～3m作下段注浆的止浆岩盘。注浆采用全孔一次压入式，一般情况下孔距定为0.8m，沿周边轮廓线单排布置，当发现前方有较大的涌水或岩层破碎时，为保证注浆效果，采用双排孔布置，注浆孔外插角一般为5～10°。施工要点如下：钻注浆孔：用凿岩台车或锚杆钻机一次成孔。安装注浆管：注浆管用沾有CS胶泥的麻丝堵塞管外空隙，并填充CS胶泥，以实现注浆管的止浆和固定。设置止浆岩盘：喷射15～25cm厚的C20混凝土与开挖面原始岩体共同形成止浆岩盘。 注浆作业：同深孔注浆大致相同。注浆结束：正常情况下采用定压注浆，当压力达到或接近设计终压而出现较大范围窜浆时，经间歇注浆后结束。5、断层破碎带局部坍塌处理及施工要点当施工不当造成断层破碎带局部坍塌时，需加强超前支护和初期支护的施工力度，并注意对塌空部位及时封闭，及时回填。回填可采用浆砌片石，但宜在塌空部位出现在侧部时采用。拱部塌空时，为保证良好的成拱作用，宜用泵送砼回填。施工中若遇较大的涌水，应按照“治坍先治水”的原则，埋(挂)设引水管线，将水流集中引排，防止漫流而引起坍方加剧。断层施工中应注意施工安全，初喷混凝土前，对断层部位的危石应先清除干净。对于坍塌以处理的部位，要全面钻孔检测注浆混凝土的密实度和厚度，对有空洞的地方，在不影响掌子面施工的前提下要进一步注浆或泵送砼。钢架(格栅)立好后一定要经检查合格后才能复喷混凝土。如坍塌部位出现在侧部，应加强墙脚以上2米范围内的喷射混凝土厚度。断层带在不影响掌子面施工的前提下应及早进行仰拱施工，使支撑体系形成封闭环，增大结构的承压能力。断层规模和危险性较大时，应及时对断层地段整体作好二次衬砌，以保证施工安全。监控量测(另编制专项方案) 监控量测为断层破碎带和软弱地层施工管理及时提供围岩稳定性、支护、衬砌可靠性的信息和二次衬砌的合理施作时间，为施工中调整围岩级别、修改支护参数提供依据。断层破碎带和软弱地层必须加大量测的频率和布点的密度。四、质量保证措施1、成立质量领导小组指挥部成立以总工为组长，工程部长为副组长，各分部总工、分部技术员为组员的“断层破碎带施工质量领导小组”，健全组织、体制，保证施工质量。2、熟悉图纸，配合超前地质预报，探明断层地带情况施工前，熟读设计图纸，并执行“超前地质预报专项方案”，以便掌握断层情况，为正确施工提供支持。3、严格按照图纸施工施工前，技术员根据施工图纸和超前地质预报反馈信息，做好技术交底并及时交底至施工班组，现场施工员监督班组按照图纸、技术交底施工。4、加强过程监控，保证各工序施工质量格栅钢架、钢拱架、锚杆、钢筋网、喷射砼等的施工质量，与断层破碎带的施工质量有密切关系，格栅、钢拱架、锚杆、钢筋网的质量要从下料加工到成品安装，全程控制施工质量；喷射砼从地材、水泥等原材料的质量，结合天气状况(地材含水率)和配合比等，控制喷射砼的质量，以确保断层破碎带初期支护的施工质量。 5、加强监控量测严格执行“监控量测专项方案”，为后续施工收集、整理施工数据，优化施工。五、安全保证措施1、组织机构指挥部成立以安质部长为组长，第一项目部、第二项目部安质部长为副组长，各分部经理、安全员为组员的“断层破碎带施工安全领导小组”，建立健全组织机构，各尽其责，使安全监控有序进行。2、现场安全监控管理进入隧道，所有人员一律佩戴安全帽。严禁携带火种进入隧道。机械操作严格执行操作规程。3、施工安全措施防排水作业对富水断层，在每个掘进循环中，向隧道前进方向钻凿2个以上、深度大于4m的超前钻孔，以探明地下水情况。随着工作面的向前推进，挖好排水沟，必要时加以辅砌。斜井均为反坡掘进，所以必须准备足够的抽水设备，并安排适当的集水坑。坑避或隧顶有水流出时，应凿眼安置套管集中引排，不让水漫流。4、施工工序尽量缩短断层带的各工序之间的距离，尽快地使全断面封闭衬砌，减少岩层的暴露、松动和地压增大。 5、开挖作业采用爆破掘进时，严格掌握炮眼数量、深度及装药量。风镐掘进可行时，尽量不采用爆破掘进。采用分台阶、分部开挖法。当分部两侧岩石软硬不同时，按先软后硬顺序交错进行。6、支护作业断层地带的支护宁强勿弱，且经常检查加固。破碎带开挖面要及时喷护，紧跟假设拱架(格栅)。7、衬砌作业断层破碎带施工，衬砌紧跟开挖面。衬砌断面尽早封闭。