隧道过断层破碎带区的超前探孔预测及施工方法

隧道过断层破碎带区的超前探孔预测及施工方法

林辉

中交二公局上海远通路桥工程有限公司上海200135

摘要：介绍G7京新高速公路韩集段苏木山隧道隧区内发育的一条正断层，断层的产状为125°∠50°，地质为上太古界集宁群（Ar31jn）片麻岩，断裂的破碎带宽度约17m。为保证施工安全，通过导管的超前探孔进行判断，验证原监控预报的相关数据，并进一步准确判定出该围岩破碎带的位置、宽度、围岩条件、地下水情况。根据具体的探孔结合超前地质预报，选择更加有效、安全的施工方式及方法。为同类工程提供参考。

关键词：隧道断层、超前探孔、施工方法

1．前言

围岩破碎断层是隧道施工过程中较为常见的不良地质情况，他的存在，在不同程度上破坏了岩体的连续性和完整性，大大降低了围岩的整体支护体系，对开挖、支护及其他工序的施工提出了挑战。更确切的说，断层破碎带分布区段处存在围岩突变、夹层等，他的不稳定性，容易造成了出现塌方、突水、洞内泥石流等灾害，更需要采取不同的施工工艺进行调整。断层破碎带处围岩的突变和不稳定，需要通过进一步的超前探孔预测、实地预测，进一步准确判定断层破碎带的位置、宽度、围岩条件、地下水情况，为接下来的断层段采取不同施工方法提供依据。

2．超前探孔预测方案确定

2.1根据施工可行性，施工进度、经济效益、结合现场实际条件综合比选，确定施工顺序为：测量定位→安装导向管→机械就位→钻进。

2.2测量定位

在初支断面的周边施钻5个孔，施钻角度同路线纵坡，通过测量准确定位。钻孔位置：先行导洞2个，后行导洞3个，具体位置如下图：

2.3安装导向管

超前探孔采用深孔施工，为准确定位钻孔轨迹，在掌子面设置导向管。用Φ120mm风动钻机沿路线轴线方向打2米深的钻孔，纵坡同路线纵坡，然后灌满砂浆，在砂浆初凝前将导向管装入，确保导向管定位准确及导向管与岩壁之间砂浆填充密实。导向管采用Φ1106mm的无缝钢管，每根长度为2m，一端用速凝水泥砂浆封住钢管与围岩的间隙，另一端安装耐高压阀门，可保证有效控制超前钻孔涌出高压地下水。

2.4机械就位

超前钻孔采用轮胎式自行高效气动钻机进行。首先搭设满足操作要求的钻机平台，并采用全站仪确定控制基准点，利用吊锤挂线和钻杆自身导向架导向措施，进行钻头、钻杆的位置调整，保证钻进轴线和导向管轴线重合。搭设的钻机平台确保满足安全防护要求，并能够承受机具、材料、人员荷载的荷载。

2.5钻进

自行钻机钻进过程中，根据地质情况和机器性能确定相关的钻速及风压，保证顺利钻进，避免钻进过快。过程中按照要求测定钻孔的角度、深度，及时发现过程误差并进行纠正。根据钻机钻进的情况，可以确定相关的钻孔参数，钻渣性能，围岩情况，是否突水等情况，进行资料的详细记录，并根据要求留存钻渣样本。

2.6注意事项：

a、钻机平台及基础牢固无沉降，钢管管口安装耐高压阀门。

b、为保证钻孔的准确性，超前探孔施工前后钻孔之间至少搭接5米。

c、随着钻进过程中钻孔的深入，为避免各层次岩层的岩粉掺和在一起，造成超前钻探的围岩各岩层不好辨别或辨别误差，在钻进一定深度时（可根据情况控制），用水进行冲洗，把钻孔洗净后再钻进。

d、钻孔时如有流泥、流砂或涌水时，立即停止钻进，采取关闭导向管等防范措施，并速报上级。

e、在断层区全段进行超前钻孔，布设的探孔呈区段式放射性布置，对监控量测单位的超前探测报告中的围岩异常段，需增加钻探密度和数量，保证准确掌握围岩信息。

3．断层破碎带判定

3.1、宽度（分布里程）：

通过超前探孔，钻透断层破碎带，钻进过程中详细记录钻进情况、地层岩性、各种不良地质情况及其相应深度，确定各种不良地质情况的里程，通过数据整理与地质超前预报进行比对分析，最终确定断层破碎带宽度。

a、颜色及渣样鉴定：根据排出的渣样，进行有效分析围岩的力学性能，必要时采用试验进行辨别。孔口排出渣体的颜色，也是体现各地层岩性的主要特征之一，在钻进一定深度时（可根据情况控制），用水进行冲洗，把钻孔洗净后再钻进，钻进中注意孔口排出物的颜色变化，对变化处作详细记录。

b、速度和声音鉴定：风动冲击器钻进过程中，声音和钻进速度作为各地层岩性的主要特征之一。钻进速度突然变快可能就是遇见变软岩层，出现卡钻现象可能是破碎或断层，不冲击不转动就推进应是空洞，不冲击只转动推进是泥岩或砂土，过程中对声音和速度变化处需要做详细记录。

c、气味鉴定：施工前做好隧道内有害气体管理相关制度。在超前钻孔中，把瓦斯（CH）、硫化氢（HS）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）作为主要监测对象，而把一些含量低、浓度小的有害气体作为辅助监控对象。排出的风内如异常，经专业技术人员鉴定，对空气中的含量进行判别，给出对策。

3.2断面分布情况：

经过对5个不同位置超前钻孔探测到围岩的深度进行综合分析，从而更加准确的确定隧道开挖断面和隧道断层的裂隙之间构造线方向的空间关系，利用力学模型，判别断层对隧道断面的影响力。

3.3、地下水情况：

通过对掌子面的观察及超前探孔内的出水情况，定性、定量分析，确定地下水级别，主要分为3个级别：

Ⅰ级：潮湿或点状出水；

Ⅱ级：水压或水量较小的淋雨状或涌水状出水，水压≤0.1MPa、单位用水量≤10L（minm）

Ⅲ级：水压或水量较大的淋雨状或涌水状出水、水压0.1MPa、单位用水量10L（minm）

3.4、围岩情况

将各孔的钻进情况、钻进速度、岩石颜色、风化程度、岩性、硬度、水量、水压、水质、空洞宽度，软弱面宽度及成分、破碎岩体的破碎程度汇总，做出本次超前探孔前方30米范围内围岩描述。

3.5、与地质超前预报进行对比

将超前探孔结果与监控量测单位出具的地质超前预报进行对比分析，最终确定掌子面前方断层位置，围岩特性，水量和断层构造线方向的组合关系（正交、斜角、平交）。

4、断层段施工方案选择

4.1施工指导原则

a、先治水：超前钻探适当结合红外探水、反射法等，提前预判，施工采用引、排、堵相等方式进行处理。

b、管超前：根据围岩情况，选择超前支护形式，在开挖断面上方形成保护罩。

c、短开挖、弱爆破：施工应根据地质情况，按照短进尺的施工原则，爆破采取多打眼、浅打眼、弱爆破的原则，尽量减轻对周边围岩的扰动。

d、强支护：施工按照设计要求进行，并采取锚、喷、架、网联合支护。

e、勤量测：对施工过程中的动态及时进行监测，并掌握围岩变化情况。

f、早衬砌：在围岩稳定后，尽早施工衬砌结构，改善环形受力情况。

4.2、通过超前探孔结果、监控量测单位出具的超前地质预报结果、设计地勘资料等，查明断层的位置，走向、与开挖断面夹角，断层宽度，岩石性能，地下水情况，并最终确定围岩等级。根据确定的围岩级别及断层特性采用相应施工方案：

a、当断层宽度较小，围岩组成物为坚硬紧密岩块（稳定性相对较好），仅有少量渗水，隧道通过这样的断层，采用设计施工方法（双侧壁导坑法），避免频繁变更施工方法，施工过程中做好相应的监控预测。

b、当断层宽度较宽，岩体组成物为软硬岩块结合且较破碎，围岩稳定性相对较差，渗水严重，隧道通过这样的断层，施工方法采用双侧壁导坑法，同时加强相应超前支护形式，施工过程中注意观测，以便及时采用相应的应对措施。

c、当断层宽度大，岩体极破碎，围岩稳定极差，渗水严重，隧道通过这样的断层，施工方法采用双侧壁导坑法，超前支护采用洞内注浆管棚，管棚长度15m～30m（纵向两组管棚的搭接长度5.0m）。超前管棚采用Φ1086mm无缝钢管，环向钢管中心间距为45cm。

d、当断层出水量较大时，根据超前探孔出水量采用以下两种堵水方案：

1）当断层破碎带超前探孔中23孔出水且出水总量大于10立方米小时的情况采用全断面注浆堵水方案；

2）当断层破碎带超前探孔中总出水量小于10立方米小时，但个别探孔出水量大于2立方米小时的情况采用局部注浆堵水方案。

注浆堵水材料采用水泥-水玻璃双液浆液，水灰比WC=0.6-1.1，水玻璃波美度30-40Be，双液体积比CS=0.7-1.4，双液浆液凝固时间按实际情况调整。

e、当断层宽度较宽，岩体组成物为软岩，仰拱围岩承载力不够，会产生初支和二衬的整体下沉，易产生坍塌，此时在下导拱架成环前增设注浆花管，加密环向间距盒纵向间距，加长导管的长度，再行施工。

4.3、通过断层破碎带区时，各导洞间距离不宜超过10米，掌子面（后行导洞）与仰拱间距不宜超过40米，掌子面（后行导洞）与二次衬砌间距不宜超过80米。

4.4、通过监控量测及时掌握围岩动态，调整施工方法、预留变形大小、开挖进尺数及支护参数等，保证围岩稳定及二衬施工的确切时间。

5、验证

5.1、断层施工过程中，超前探孔预制是重要的一环，探孔过程中需要不断改进探测施工，提高预报准确率，为施工提供依据。

5.2、具体而言，应随着断层的施工过程中，准确记录不良地质带位置、性质、规模等的位置，并与预报相结合，从中分析成功和失败原因，便于下一步工作的开展。

参考资料

[1]《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009

[2]《浅谈断层及破碎隧道施工》城市建设理论研究2013年15期