隧道穿越断层破碎带施工技术
胡世所
（中铁十六局集团第三工程有限公司浙江湖州 313000）
摘要：结合广昆铁路秀宁隧道施工，详细介绍铁路隧道穿越断层破碎带施工技术，为今后类似工程施工提供参考作用。
关键词：铁路；隧道；断层破碎带；帷幕注浆；台阶七步开挖法；施工技术
1 概述
秀宁隧道位于成昆铁路广通至昆明段范围内，设计时速为200km/h的双线隧道，总长13187m，里程DK993＋173～DK1006＋360。
隧道净宽11.5m（行车道8.8m）,净高8.15m，最大埋深约550m。
隧道所处地质情况较差，超前及初期支护采用超前大（中）管棚、超前小导管、钢拱架、拱部采用中空注浆锚杆、边墙采用砂浆锚杆、喷射钢纤维混凝土等综合支护。
衬砌结构采用复合式衬砌，Ⅵ、Ⅴ级采用钢筋混凝土衬砌，Ⅱ、Ⅲ级采用素混凝土衬砌。
秀宁隧道出口于2008年10月5日正式进洞，设计为Ⅴ级围岩。
开挖方法采用双侧壁导坑法施工，施工揭示围岩为断层角砾板岩，局部富水，从施工情况看，实际地质情况比设计的地质情况要差得多，也复杂得多。
出口隧址通过罗茨～易门大断裂，该断裂为一条规模巨大的区域性控制断层，断层深部为断面倾向东、断距约1km的正断层，而地表则为断层倾向西的逆冲断层。
断层在测区范围内走向为北东向，炭质板岩夹砂岩，在断层带附近小折曲、揉皱极其发育，岩层扭曲、破碎，产状凌乱。
沿断层有褐红色、灰褐色，钙质胶结的角砾岩发育，且分布较广，断层内为压碎岩，褐灰色、灰黄色、灰绿色等，系板岩、白云岩、砂岩等受挤压破碎而成，多呈角砾状或碎块状，呈稍密～中密状。
在施工该断层时出现以下主要问题：（1）部分断层围岩压碎严重，扭曲，岩体呈角砾碎石夹土状镶嵌，断层内的角砾碎石夹土对水的敏感性极强，施工时发生突泥现象，涌出物呈断层泥状，灰黑色，出现局部拱顶地表塌陷；（2）初期支护施工虽采用了复合式结构，但由于地质太差，开挖时常会发生坍方；（3）初期支护严重变形并侵入二衬断面。
基于该围岩地质特性，采用常规的超前支护加固措施是难以做到对掌子面岩体以及开挖周边围岩的固结作用，故出现了已开挖段初支严重变形侵限甚至发生突泥现象。
经方案比选，对于该断层破碎带施工采用全断面超前帷幕注浆方案和台阶七步开挖法，既安全、快速又经济，下面将这一施工技术作一详细介绍。
2 全断面超前帷幕注浆方案的设计及施工工艺
2.1帷幕注浆方案的设计
根据断层围岩地质特性，该隧道全断面帷幕注浆预加固见图1所示。
通过全断面超前帷幕注浆，将对隧道开挖周边围岩及掌子面前方围岩进行预加固，以达到安全开挖、开挖后变形可控的目的。
图1中，第一、二、三环孔是对隧道周壁地下水进行封堵；第四、五、六环孔及中心孔是对每循环注浆的最后5m岩体进行加固，以封堵正面水，并为下一循环注浆加固止浆岩盘。
超前帷幕注浆加固
范围为：开挖轮廓线以外4m，每一循环开挖20m，预留5m的止浆岩盘。
2.1.1全断面超前帷幕注浆参数（见表1）
图1 全断面帷幕注浆预加固示意图（单位：cm）
表 1 全断面超前帷幕注浆参数表
2.1.2 注浆材料
根据该断层地质情况及加固要求，拟采用硫铝酸盐水泥单液浆为主、普通水泥-水玻璃双液浆为辅。
施工过程根据涌水情况及地质情况进行选择调整。
硫铝酸盐水泥单液浆具有快硬早强、凝胶时间相对较短的特性，特别适合快速加固围岩、加快注浆进度、实现控域注浆；普通水泥-水玻璃双液浆具有凝胶时间短的特性，主要用来治理跑浆、漏浆、封堵围岩裂隙水。
根据室内试验结果测试，浆液性能见表2，浆液配比参数见表3。
表2 注浆材料性能参数表
表3 浆液配比参数表
2.2 注浆施工工艺
全断面超前帷幕注浆主要采用前进式分段注浆施工工艺，工艺流程见图2所示。
2.2.1 注浆顺序
为了更好地控制注浆范围，保证注浆效果，施工过程严格按照由外及内、间隔跳孔原则进行，每序孔施工过程按跳孔跳排分二序施工，实现约束挤密的注浆方式。
2.2.2 前进式分段注浆施工要点
图2 前进式分段注浆工艺流程图
（1）标定孔位确定钻进外插角后，采用Φ130mm钻头低速钻进至2.2m，安设孔口管；
（2）孔口管采用Φ108mm、δ=5mm的无缝钢管加工，管长2.0m，孔口管外壁缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型，采用钻机冲击安设到要求深度，并用水泥基锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固不漏浆；
（3）注浆钻孔过程中原则上每钻深3～5m后安设注浆堵头进行注浆施工，当该段注浆达到设计结束标准后，拆除注浆堵头在原孔深基础上再钻进3～5m，达到注浆结标准，再钻孔再注浆，如此循环直到钻注到设计深度，施工中可根据地质情况适当调整钻注分段长。
2.2.3 注浆结束标准
（1）单孔注浆结束标准
单孔注浆以定量定压相结合。
定量标准：注浆量根据地层围岩孔隙率15%～20%，单孔每米设计注浆量控制在2.0m3，当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5～2倍，压力仍然不上升，可采取调整浆液配比缩短凝胶时间或进行间歇注浆等工艺使注浆压力达到设计终压，结束该孔注浆。
定压标准：根据地层特性，本次注浆兼具劈裂、扩散、挤密特性，注浆终压暂定为：5.0～6.0MPa （注浆过程根据浆液扩散情况并结合注浆量大小对注浆压力终值进行验证，确定合适的注浆终压力），单孔注浆压力达到设计终压并维持10min以上可结束该孔。
（2）全段结束标准
（1）设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象；
（2）按总注浆孔的10%作为检查孔，检查孔满足设计要求。
3 洞身开挖
帷幕注浆结束后，及时进行洞身开挖，开挖按照“短进尺、少扰动、早封闭、强支护、早衬砌”的原则进行，采用台阶七步开挖法施工工艺（见图3），其步骤及要求如下：
第1步：上步弧形导坑开挖。
在拱部超前支护后进行，环向开挖上步弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5m ，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2，开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.0m ，开挖后立即出喷3～5cm 混凝土。
上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设拱架，打设锁脚锚杆（管）。
第2、3步：左、右侧中台阶开挖。
开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过 1.0m ，开挖高度宜为3～3.5m ，左、右台阶错开2～3m ，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设拱架，打设锁脚锚杆（管）。
第4、5步：左、右侧下台阶开挖。
开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过 1.0m ，开挖高度宜为3～3.5m ，左、右台阶错开2～3m ，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设拱架，打设锁脚锚杆（管）。
第6步：上、中、下台阶预留核心土开挖。
各台阶分别
开挖预留核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。
第7步：隧底开挖。
每循环开挖长度宜为2～3m ，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m 。
4 结语
秀宁隧道针对地质条件发生巨大变化，及时调整了设计和施工方案，将地质发生变化的断层破碎带施工变更为全断面超前帷幕注浆方案和台阶七步开挖法。
经实践检验，该施工技术取得了较好的效果，安全、质量和进度均满足要求，对今后类似工程施工具有一定的指导作用。
参考文献：
[1] 铁道部第二工程局. 铁路工程施工技术手册—隧道[M]. 北京：中国铁道出版社，1998. [2] 杨晓东. 锚固与注浆技术手册（第二版）[M]. 北京：中国电力出版社，2009.
图 3 台阶七步开挖法示意图。
