1、复杂地质条件下溶蚀断层破碎带施工技术研究摘要： 隧道工程施工中经常遇到溶蚀断层破碎带这种不良的复杂地质构造，造成开挖、支护施工难度增大，并且容易出现安全事故，是隧道施工的薄弱环节，只有合适的工法才能保证隧道施工安全与质量。本文针对隧道突水涌泥的基本情况，总结了溶蚀断层破碎带突水涌泥过程中采取的施工技术方法，详细论述了相关施工工艺。结合数值仿真，依据隧道突水后的地下水在隧道中的运动形态的模拟，有效优化隧道预警过程中的逃生路线。实践证明，此施工方法能有效减小突水、涌泥等灾害事故的影响，达到溶蚀断层破碎带区安全施工的目的。 关键词：溶蚀断层破碎带；隧道施工；涌水突泥；数值仿真 中图分类号：U45 文
2、献标识码：A 引言 复杂地质条件下隧道施工中，溶蚀断层破碎带突水涌泥已成为隧道建设中最为常见的一种地质灾害和工程隐患。不但危及隧道施工和人员安全，处理不当还会造成隧道建成后运营环境恶劣。因此，开展溶蚀断层破碎带隧道施工控制关键技术研究，有效遏制突水、涌泥等灾害事故的发生，保障隧道工程的安全施工，成为隧道工程研究领域亟待解决的关键科学技术难题。 本文通过介绍施工段隧道左洞突水涌泥的基本情况，总结了溶蚀断层破碎带突水涌泥过程中采取的施工技术，并详细论述了相关施工工艺。结合数值分析，依据隧道突水后的地下水在隧道中的运动形态的模拟，有效优化隧道预警过程中的逃生路线，从而为指导断层破碎带处隧道的施工提供
3、有效依据。 一、工程概况 该隧道工程施工段是一座上下行分离式隧道，进口位于一座小山脊的端部，出口位于两沟交汇口处，左洞起止桩号为：，长 ；右洞起止桩号为：，长。隧址区遍布岩溶洼地、落水洞、溶洞、断层以及暗河等不良地质构造，穿越和两条断层，多处存在规模较大的岩溶堆积体和软岩地段。施工段隧道以其长度和地质条件的复杂性列为典型控制性隧道工程。 二、水文地质概况 隧址区主要发育有、两条次级断层。断层规模不大，无活动迹象，其走向约 315 度。断层在地表 （地 下）与线 路 交于75750（72800） ，断层两侧地层时代明显不同，该断层洞身影响范围较大。隧道的左右线进入断层带后，洞身围岩大部分为洞穴堆
4、积物及破碎灰岩，一直持续在断层溶蚀破碎带向东延续的顺层溶洞边缘和洞穴充填物中掘进，多处有空洞，均为黄泥夹灰岩砾块，夹泥可塑，含水量较大，部分为硬塑状，部分呈软塑至流塑状，稳定性差，极易坍塌掉块。左洞在72185 里程上半断面右侧出现颗粒状炭质页岩充填物，结构松散。岩砾约占块石土总量的，块石直径不等，为炭酸盐岩或颗粒状炭质页岩，表面有水锈和溶蚀痕迹，杂乱分部于泥土中间。 经勘查表明在施工段附近有一条暗河，其伏流走向与隧道轴线呈小角度延伸。对整个断层带均有较大影响，隧道左线的渗水、股状流水等现象和岩溶水、基岩裂隙水的发育情况均受其控制，而这些涌水涌泥和破碎区对隧道洞身的稳定性影响极大。在隧道的实际
5、施工过程中，7220772184 里程段的岩性主要为泥夹块石状的洞穴填充物，其夹泥可塑，孤石直径在范围内，并在隧道的拱部及拱腰部位附近多次揭露出小型的溶蚀洞穴；自72184 的里程开始，线路前进方向的右侧边墙出现炭质页岩填充沉淀层，填充沉淀层逐渐向线路左侧及拱部发展，直至72141 里程段消失。而在72167里程处的突水，突水刚发生时，其突水量约为，水量经过初始阶段的迅速释放，现在涌水量基本保持稳定，约为，而且其水质清澈，水量也基本不受地表降水的影响，据此可判断此处的涌水主要来自于岩溶水。 三、段连续突涌泥情况 隧道施工至72156166 里程段一台阶工作面拱顶偏右侧位置处有鼓裂脱落现象发生，
6、随即出现少量股状浑水，扩大形成孔洞，直径约，孔洞向拱顶和开挖方向扩展。涌泥规模逐渐扩大，涌泥口扩展至近 1.0的直径。涌泥过程中的涌泥频率约min 左右，每经过半小时左右，就会发生大规模的涌泥情况。最大一次涌泥，瞬间冲击二衬台车，造成该台车掉轨倾覆，衬砌模板脱落，并伴有较大流水、风力和声响，水流涌至71940 处，二衬台车已经被推至71990，二衬台车总移位距离，估算水流量。 涌出物为炭质页岩和泥质页岩的混合体，遇水软化呈饱和状，状如泵送混凝土，夹杂少量块石，最大块石直径，多半涌出物为粉细颗粒，黑色，保水性良好。段共计发生涌泥四次，大变形两次，坍塌一次，涌出物总计万方左右，溶腔坍塌的形象示意图
7、如图所示。 图溶腔坍塌物的形象示意图 四、施工技术处理 4.17219072180 段 （）施工思路 首先对该区域范围（该段支护开裂、变形、侵限，大面积淋水）布浅孔或埋灌浆嘴的方法进行漏水和裂缝的加固处理，为下一步作业改善施工条件；然后，采用径向分段式注浆固结围岩，确保该段支护安全稳定。 （）主动支护形式 由于现场布满钢支撑，无法按要求布置钻机进行加固钻孔。应用滤排水式压浆由主动支护方法逐步撤除原先被动支护的钢支撑，为布置钻机按要求钻孔创造施工的空间条件。主动支护位置和工程量主要根据布设钻机打孔要求进行布置和设计。 （）固结和锚固加固施工 7219072180 段支护面梅花形布设注浆孔。布设范
8、围由隧道左右边墙底部向上 50起，其中排距 1.5，排内孔距 1.2，每排分两序孔进行施工，梅花型布设。序孔深 10，最终达到4.05.0灌浆压力；序孔深，高压灌浆和锚固式压浆，锚固压浆压力控制在.。 4.27218072158 段 采用“前进式分段控制液”注浆工艺进行超前灌浆加固施工，在位置处以向上倾斜的角度（）进行钻孔（） ，孔深，孔数个，按原隧洞开挖线要求在位置埋深以上，进行分段高压灌浆；同样在位 置 处 以 向 上 倾 斜 的 角 度 （）进 行 钻 孔（） ，孔深，孔数个，在位置处埋深约，然后进行分段高压灌浆，其施工图如图所示。 图超前灌浆加固施工图 4.37217072145 段
9、由于进口72163 处多次出现突水和涌泥，并且 145 至 170 段长时间处于封闭状态，在开挖右侧导洞之前需对 170145 段进行加固，防止出现危害性涌泥（图） 。 图段平面图 五、溶蚀断层破碎带施工工艺 5.1 钻孔工艺技术 序孔钻进用风动冲击方式。钻机就位用高速金刚石专用钻机，薄壁金刚石钻头开孔深左右（打穿钢筋层）序孔钻孔（ ）下射浆管灌浆待凝达终孔后再从原孔重 钻孔（，深）分三段灌浆（图） 。左右的序孔完成后可进行序孔施工序孔钻孔（，深）下 无缝钢管分三段灌浆，压浆压力达.05.0。 序孔灌浆结束后，再选总量的序孔，在 钢管内钻进至孔深作排水孔，孔径选 。 图打孔及灌浆示意图 钻孔首
10、先使用高速薄壁金钢石钻头打穿支护钢筋层（1.5）后，序孔钻孔先采用 小钻头钻进，孔深尽量深，然后下射浆管先灌一次浆，灌浆压力，待凝后，再采用 牙轮钻从原孔重新钻至，分三段灌浆，自外而内分段灌浆，灌浆压力达4.05.0结束。序孔灌浆完成后，序孔钻孔可采用风动冲击钻进至孔深，下 无缝钢管（进行滤排水式压浆的锚固施工） ，使洞壁具有较强锚固整体作用，然后进行高压灌浆。序孔灌浆完成后，其中约的序孔扫孔钻进并加深（即）留作排水孔。 5.2 灌浆工艺方法 （）注浆顺序 加固灌浆孔分排分序，同排按分序加密的原则施灌，先灌序孔，后灌序孔。同序孔中，先灌低高程孔，后灌高高程孔，第序孔在周围的第序孔施工完毕后方可
11、实施钻灌。灌浆采用孔内分段、自 外而内分段纯压式灌浆法，射浆管采用 钢管，滤排水式压浆锚固选用 钢管搭配使用。灌浆管在一次成孔后分段安装好然后再分段阻塞压浆，阻塞封隔长度。 第一段灌浆结束后使用高压水冲通第一、第二段之间的封隔器，保证灌浆管畅通，然后再进行下一段的灌浆。如此循环，直至终孔段结束灌浆。 （）灌浆机具、材料及制浆灌浆 控制性水泥灌浆采用灌浆泵结合高压化学灌浆泵，制浆采用双桶的高速搅拌机。 选用普通硅酸盐水泥，强度级别不低于.33.5。灌浆过程中使用化学控制液，对凝胶时间进行控制，并有效提高灌浆压力。化学控制液以水玻璃为主。使用量约为水泥浆灌入总量的左右。 施工现场设集中制浆站，制浆
12、站的搭设以方便灌浆施工、不干扰其它施工和不阻碍交通为准。日贮存水泥量吨左右，制浆站设一台双桶高速搅拌机拌制浆液，灌浆所用浆液搅拌时间均在 30以上，浆液从制备至用完不超过；灌浆现场以储浆桶存储浆液，确保灌浆的连续性和所灌浆液的均匀性。 六、数值仿真模拟试验 根据重力驱动型隧道突水的定义及其特征，以隧道工程段突水为工程案例，进行不同工况下的突水运动形态模拟。在重力梯度驱动型突水模拟的研究过程中，主要考虑了影响突水的四个因素，分别是隧道特征、揭露面积、突水体规模和突出物特性。由图可以看出，前 140的时间里，突水基本由左线隧道排出。其主要原因为横通道的底面稍微高于隧道的最低面。而在 140以后，排
13、水基本由右线排出，其主要原因为左线隧道的速度降低，动能减少，而由于重力作用，导致初始阶段的涌水开始向隧道掌子面流动，从而形成湍流。即突水在隧道中的流动可以分为三个阶段： 图右线隧道出口排水速率随时间变化曲线 （）前 100，由于速度较大，虽然是在逆坡的情况下，突水也不能形成回流，所以基本都直接从左线排出。 （）100140，速度开始降低，回流从左线隧道口开始产生，并逐渐向掌子面方面运动，此时涌水仍然从左线排出。 （）在 140左右，湍动能达到最大，回流已经运动至横通道附近，此时湍动能与涌水的动能基本相抵，涌水已经不能从左线涌出，而随着突水口涌水的继续，左线隧道的水面不断抬升，直至没过横通道底面
14、。此时突水开始通过横通道向右线隧道流动。由于逆坡的原因，涌水首先充满掌子面附近，然后才从右线排出。依据隧道突水后的地下水在隧道中的运动形态的模拟，可以有效地优化逃生路线。在隧道突水的一瞬间，如果选择正确的求生方式，往往就可以安全逃生或者躲避待援，否则后果就不堪设想。对于此种规模的突水，如果在横通道附近，可以右线向另一隧道逃生，否则的话建议就近选择爬梯等设备，躲至隧道高处待援。七、结语 针对施工过程中遇到的溶蚀断层破碎带大规模突水涌泥等地质灾害，采用“前进式分段控制液”注浆工艺，工作面涌水涌泥带来的流塑状态下围岩成孔效率极高，注浆固结可控，效果极佳。而炭质页岩涌出物为流塑状，饱含水分，无自稳能力
15、，围岩压力大，通过高压劈裂注浆，岩体得到了良好的改良，提高了围岩的自稳能力，在技术上有了很大的改进。依据隧道突水后的地下水在隧道中的运动形态的模拟，可以有效优化隧道预警过程中的逃生路线。根据突水总量、突水压力和突水时间等突水参数，借助于突水模拟，可以估算突水体的大小和规模，从而为下一步的治理工作提供依据。 参考文献 刘招伟，何满潮，王树仁圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究 岩土力学，2006，27（）：228236. 王国斌，晏鄂川，杨文东乌池坝隧道岩溶发育特征与突水机理研究 武汉理工大学学报，2008，30（）： 陈绍林，李茂竹，陈忠恕，等四川广（安）渝（重庆）高速公路华蓥山隧道岩溶突水的研究与整治 岩石力学与工程学报，2002，21（）：13441349 李忠，杨维训浙江苍岭隧道左线凝灰岩突水现象工程地质特 征研究 铁道工程学报，2007（7）：
