乌鞘岭隧道
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关于兰新乌鞘岭隧道穿越断层影响带遇到的特殊地质条件下
安全顺利开挖隧道及针对可能出现病害的预防措施
（北京垦特莱科贸有限公司 王润厚）
乌鞘岭隧道所穿越围岩为奥陶纪中统组地层，局部有鞍山岩侵入。在该隧道预计穿越F4和F5断层时，其断层影响带范围大约在590米左右。其中：F4断层的影响带范围大约在450米左右，F5断层的影响带范围大约在140米左右。由于受断层挤压或其他力学因素的影响，加之岩层本身强度低的因素，使得该隧道在穿越断层影响带的围岩大多在Ⅴ—Ⅵ类之间，围岩产状特点为节理和微裂隙比较发育，地层松软、破碎，岩层的力学指标比较抵。该隧道围岩地层还有另外一个特点，就是受断层面影响，其地下水比较丰富。对开挖影响比较大的各类地下水经断层联系，其地表水、浅层地下水已经与深层地下水形成相互影响、相互补充的态势，不排除有承压水存在的可能性。由水文孔资料得知，预计单头工作面日涌水量达2500立方米，单头小时涌水量为53—106立方米。
隧道几何尺寸为：净宽度7.2米，净高度为10.1米,断面形式为直墙半圆拱。隧道一次支护形式为挂网喷浆加系统锚杆加固，二次支护形式为砌旋混凝土。
综合考虑上述地质情况的特殊性，我们认为有必要在该段隧道开挖过程当中,对隧道的拱部、边墙及墙拱结合部采取局部的预防性安全技术加强措施，以确保该隧道洞身在穿越断层影响带施工期及投入使用后的稳定和安全。
1.基本原则
1.1 在断层影响带开挖大断面隧道，首先要考虑围岩的稳定性。切割岩石时，严禁放大炮开挖，以防对围岩地层的深层产生松动破坏和避免给以达平衡极限的围岩带来大的扰动，唤醒隧道边墙腰线处、拱墙结合部和拱顶部的已存在潜在塌落趋势的楔形塌滑体或塌落体。
1.2 所有措施都应考虑以主动防护为主。在开挖过程中尽量减少被动防护措施，即以封、堵、拉为原则，尽量少采取松、放、顶的被动方案，避免由于开挖扰动带来新的较大的应力失衡，给软弱围岩增加不必要的集中应力，对隧道后期的稳定带来不安全隐患。
1.3 要以很强的技术保障和足够的安全储备来应付隧道内的各种集中或非集中、均布或非均布、线性或非线性的各个方向上的应力。由于开挖影响，可能会对已经失去平衡的破碎围岩围岩产生不必要的压力，也会给隧道洞身增加或产生的各个方向的弯、剪、纽的组合力量。
1.4 施工期间应尽量减少施工用水量及防止意外跑水造成水患，对工作面积水要保持畅通排放。钻孔时要采取高压压风排渣，只要风路是通的，就能进行固结注浆施工。要及时对工作面进行封堵，对工作面涌水要额外注意，避免由于地下水形成连通情况而造成工作面泥水突出或其他地质灾害。
1.5 在穿越断层滑动面50—100米范围内，要特别注意围岩的应力变化。对突发性的冒顶或塌方现象要认真对待，不可盲目和粗心大意，该段即易出现大规模和大范围大体积的塌方。
1.6 在该类围岩内开挖隧道，不管围岩介质如何、也不管其应力如何分布，我个人观点，都把它视为松软破碎的堆积体。在此基础上考虑技术措施和结合国际、国内已经取得的成功经验和技术参数，安全可靠性还是比较高的。
1.7 采用任何一种技术措施都应在施工现场做试验，以获取基本技术参数，调整施工技术措施的技术参量。
2. 隧道开挖的技术措施
2.1 在断层影响带开挖隧道和对该段的边墙、拱部及墙拱结合部采取局部加固的预防措施，当钻孔施工时，很可能出现不易成孔或经常塌孔情况，建议采用自钻式中空预应力锚杆技术直接对超前固结注浆锚杆和系统固结注浆锚杆及墙拱结合部采取局部加固的侧向下斜稳定拱角的锁角固结注浆锚杆进行钻孔、注浆、安装施工 。
2.2 在隧道工作面内，采用长度为6m的29/13或29/15型自钻式中空预应力锚杆沿设计开挖线外侧10cm处，布置一圈超前固结注浆锚杆，孔间距40cm，角度为向外侧倾斜10～15度左右。在钻进过程中，以每钻进50cm时，退钻集中冲孔一次。超前固结注浆锚杆注浆压力为1Mpa以上（根据围岩破碎情况，注浆压力可适当调整，最大压力为2Mpa为宜），并采取间隔孔注浆的方法。每支锚杆注浆量不得低于60L，水灰比0.45左右，并加入3%左右的水玻璃，增加早期凝固强度。注浆时采取间隔开泵的方法，以开泵2—3分钟、停泵2—3分钟为宜，使浆液更均匀的分散，直至注到额定压力或注浆量为止。在注浆泵出浆管侧增加一个三通卸压、回液节门，使多余浆液返回到浆液罐体内。每5m一个循环。使开挖线外侧形成厚约1～2m的已由水泥浆液胶结的保护壳体。
2.3 钻孔时，采用该自钻式中空预应力锚杆系统特有的前后混合排渣降温的一字形、人字形、十字形合金钢或珠齿形、锥齿形、草帽形全钢钻头和多功能钎具，并采取高压压风排渣技术，利用普通气腿式风钻进行钻设、安装自钻式中空预应力锚杆系统，只要风路是通的，证明钻头和锚杆周围没有堵死，就能进行超前固结注浆施工。如果遇到承压水或塌孔特别严重的情况出现，来不及排渣，还可采取一边钻进、一边注浆的特殊工艺来施工和安装锚杆。
2.4 开挖时，循环段距不得大于80cm，要沿设计开挖线挖出一条高150～180cm，深约80cm的弧形槽，然后立即架设钢拱格栅支架，钢拱格栅支架拱角和墙脚处用15mm厚钢板做一个250×300mm的刚性钢靴撑力结构焊接于拱角和墙脚下端，在钢拱格栅支架拱脚处两侧各焊接一块底边为250mm、高度为300mm的三角形加筋肋板，加强钢拱支架拱脚处的刚性。在墙拱结合部，每两钢拱支架之间增加一段长度为2—3m、夹角为墙拱结合部夹角的10#—16#的工字钢，并且与锁角锚杆尾部连接，加强墙拱结合部的抗弯、抗剪能力。如条件不允许一次开挖整个弧形槽，可分段开挖。在架设定位的钢拱格栅支架上下两侧各加挂一层钢筋网，钢筋网参数为：钢筋直径大于12mm、间距要小于200×200mm，然后喷射厚度为5cm、强度为C20的混凝土。
2.5 沿设计开挖线，布置一圈长度为3—5m的29/13或29/15型自钻式中空预应力系统固结注浆锚杆，孔间距100cm，角度为与拱弧线的切线垂直，钻进参数和排渣方法同上，然后进行系统固结注浆锚杆施工，注浆压力为1Mpa以上（根据围岩破碎情况，注浆压力可适当调整，最大压力为2Mpa 左右为宜）。每支锚杆注浆量不得低于50L，水灰比0.45左右，并加入5%左右的水玻璃，增加早期凝固强度，注浆方法和注浆参数同上。这样使开挖线外侧进一步形成厚约3～5m的保护壳体。有利与围岩的稳定。
2.6 待系统固结注浆锚杆注浆体强度达到70%以上时，用该系统的托板、螺帽锁紧，每支锚杆施加120—150kN左右的预应力，再补喷厚度为5—10cm的混凝土。进一步加强初期支护的整体受力能力，也给钢拱格栅支架的稳定受力产生力学支撑体，同时利用系统锚杆向上的拉力，将初期支护结构层吊起，为墙部开挖创造了有利条件。
2.7 墙拱置换时，要间隔开挖墙部，以2m为宜，即留2m柱、挖2m墙，然后支钢拱格栅支撑，进行挂网喷浆，随后再挖剩余墙部，再支钢拱格栅支撑，进行挂网喷浆，参数同上。在墙拱结合部，墙部钢拱格栅支撑要与拱部钢拱格栅支撑牢固焊接并在每两钢拱支架之间增加一段长度为2—3m、夹角为墙拱结合部夹角的10#—16#的工字钢，加强墙拱结合部的抗弯、抗剪能力。在墙拱结合部采取2—3支局部加固的侧向下斜稳定拱角的锁角固结注浆锚杆。
2.8 锁角的固结注浆锚杆采用长度为6—8m的29/13或29/15型自钻式中空预应力锚杆孔间距25—50cm，角度为向外侧倾斜15～75度左右，钻进参数和排渣方法同上。该类注浆锚杆注浆压力为3.5Mpa以上（根据围岩破碎情况，注浆压力可适当调整，最大压力为4.5Mpa为宜），并采取间隔孔注浆的方法。每支锚杆注浆量不得低于200—400L，水灰比0.55左右，并加入3%左右的水玻璃，增加早期凝固强度。注浆时采取间隔开泵的方法，以开泵2—3分钟、停泵2—3分钟为宜，使浆液更均匀的分散，直至注到额定压力或注浆量为止，最后使锚杆周围形成直径约30—40cm的浆液凝固体。最后将锚杆尾部用托板螺帽与加强墙拱结合部位的10#—16#的工字钢连接。
2.9 隧道洞体下部分步分段开挖时，要对墙体进行系统锚杆支护，采用长度为3—4m的29/13或29/15型自钻式中空预应力系统固结注浆锚杆，孔间距100cm，角度为垂直墙体，钻进参数和排渣方法同上。然后进行系统固结注浆锚杆施工，注浆压力为1Mpa以上（根据围岩破碎情况，注浆压力可适当调整，最大压力为2Mpa 左右为宜）。每支锚杆注浆量不得低于50L，水灰比0.45左右，并加入3%左右的水玻璃，增加早期凝固强度，注浆方法和注浆参数同上。
2.9 隧道开挖到底，沿隧道轴线长度至30m左右时即进行仰拱施工（如果设计要求的话），可分左右两部施工，仰拱施工完成后，采用长度6～8m的29/13或29/15型自钻式中空预应力垂直向下的系统锚杆直接钻孔、高压固结注浆、安装施工，间距为2×2m。然后对垂直向下的系统锚杆施加预应力，建议施加预应力吨位数不得低于150kN，强行制止仰拱的起鼓、开裂和位移。仰拱左右结合部及仰拱与拱墙结合部要连接牢固，有必要在墙部钢拱格栅支撑体下端也采取钢拱格栅支撑支架拱脚处的加固措施，以加强墙部钢拱格栅支架脚部的刚性，同时利于与仰拱的结合。
2.9 隧道开挖并仰拱施工完成30m左右时即进行二次衬砌混凝土施工，二次衬砌完成后，重复上述施工工序，形成正轨循环。
3 技术经济性的说明
采用自钻式中空预应力锚杆技术作为超前固结注浆支撑系统，意在替换目前大量采用的超前大管棚技术。超前大管棚技术有造孔费用高、下管困难、不宜形成水泥浆液胶结的围岩应力圈的特点。下面就二者的几方面进行对比和讨论。
3.1 工期对比：按上述条件计算，若采用超前大管棚技术，间距按0.6m计算每一圈需布置19支钢管，直径80mm，管长10m，每7m一个循环，这样在590m断层影响带中开挖隧道，要用到钢管约16000m。若采用地质钻机施工孔径85—90mm的管棚孔，每个工作面布置3台，2台工作，1台备用，每台钻机的造孔速度按3m/h计算，则光施工这16000m管棚孔就要占用2670小时，加上每循环下管时间按4小时计算，共85个循环，总计时间约为3000小时；若采用自钻式中空预应力锚杆技术，间距按0.4m计算，每一圈需布置28支超前自钻式中空预应力锚杆，直径30mm，杆长6m，每5m一个循环，这样在590m断层影响带中开挖隧道，要用到锚杆约19800m ，若采用普通YT—28风动凿岩机施工孔径46—51mm的锚杆孔，每个工作面布置6台，5台工作，1台备用，每台风钻的造孔速度按3m/h计算，则施工这19800m管棚孔要占用1320小时，不存在安装锚杆时间。
3.2 费用对比：若采用超前大管棚技术，施工这16000m管棚孔，每米造孔费用按85元计算，则施工费用为1360000元，钢管采购按每吨3000元、每米重9kg计算，则每米费用约为27元，钢管总的采购费用为432000元，两项合计费用为1792000元；若采用自钻式中空预应力锚杆技术，
