斷層破碎帶施工作業(yè)指導書

斷層破碎帶施工作業(yè)指導書斷層破碎帶是由于斷層兩盤相對滑動而使兩側(cè)巖層被錯斷磨碎，形成一個長條狀與斷層面方向基本一致的巖層破碎帶。破碎帶的寬度與巖性、斷距及斷層性質(zhì)有關(guān)。破碎帶中的巖石受斷裂作用形成構(gòu)造巖，按其破碎程度不同，構(gòu)造巖有構(gòu)造角礫巖、磨礫巖、糜棱巖和斷層泥。斷層破碎帶是隧道施工中常見的一種地質(zhì)現(xiàn)象，如認識不夠，施工不當，常會造成塌方，小則幾米，大則幾十米，不僅給隧道施工帶來極大困難，而且延誤工期，耗費資金，并且給隧道的施工和運營安全帶來隱患。因此斷層破碎帶的施工必須制定安全、穩(wěn)妥的施工方案，采取積極、有效的施工措施，切忌盲目冒進。4.4.1斷層的基本類型按斷層兩盤相對位移關(guān)系，斷層可分為正斷層、逆斷層和平移斷層三種。1、正斷層沿斷層巖面傾斜方向，斷層的下盤相對上升，上盤相對下降的斷層為正斷層。正斷層主要是地殼受水平方向張拉力和重力作用形成的。斷層面傾角較陡，斷層線較平直。2、逆斷層斷層的下盤相對下降，上盤相對上升的斷層為逆斷層。逆斷層主要是地殼受水平擠壓作用形成的，斷層兩盤多閉合。3、平移斷層斷層兩盤沿斷層走向線方向發(fā)生相對位移的為平移斷層。斷層面近于直立，傾角很陡，它是在地殼水平運動影響下，由剪切作用形成的。4.4.2斷層與隧道的相互關(guān)系隧洞穿過斷層地段，施工難度主要取決于斷層的性質(zhì)、斷層破碎帶的寬度、填充物、含水性和斷層活動性以及隧洞軸線和斷層構(gòu)造線方向的組合關(guān)系（正交、斜交或平行）。在其他條件相差不大的前提下，兩者的相互關(guān)系直接影響到施工的難易程度、工藝和工期。當隧洞軸線接近于垂直構(gòu)造線方向時，斷層規(guī)模較小，破碎帶不寬，且含水量較小時，條件比較有利，施工難度相對較?。坏斔矶摧S線斜交或者平行于構(gòu)造方向時，則隧洞穿過破碎帶的長度增大，并有強大側(cè)壓力，應(yīng)加強支護體系，及時封閉。根據(jù)斷層產(chǎn)狀、寬度和隧道軸線的相互關(guān)系，隧道通過斷層帶時，大致可分為以下幾種情況。（a）（a）（b）（c）（d）（f）（e）圖斷層帶與隧道的相互關(guān)系1、斷層出現(xiàn)在拱部如圖（a），這種情況對隧道的影響相對較小，施工難度主要取決于拱部斷層帶的寬度。當寬度只有數(shù)米時，仍可采用全斷面開挖方法，但進尺應(yīng)縮短，并采用微震爆破技術(shù)，加強拱部的初期支護強度；當拱部斷層范圍較大時，如圖（c），為慎重起見，應(yīng)改為半斷面臺階法施工，為便于人工翻碴，臺階長度不宜太長，一般宜≤5m。2、斷層出現(xiàn)在側(cè)部如圖（b），這種情況，施工不當極易造成側(cè)壁整體滑塌，應(yīng)注意輔以鋼架支護和噴射砼加強，并在側(cè)壁斷層范圍布設(shè)小導管注漿加固斷層巖體；當斷層延伸至拱部范圍時，如圖（d），坍塌的幾率增大，應(yīng)注意調(diào)整開挖方法。3、隧道整個從斷層中通過這種情況當隧道通過較大規(guī)模的斷層時經(jīng)常遇到?？煽紤]采用半斷面+分部開挖法，即先行貫通上半斷面至較好圍巖，再采用中部拉槽左右交錯開挖馬口的方法分部進行下半斷面的開挖。4、斷層占斷面絕大部分面積可參照第三種情況處理。4.4.3斷層的超前預報斷層的超前預報對隧道施工來說，是一項基礎(chǔ)性的、很重要的工作。因為斷層若其走向與隧道軸線接近正交的話，它的出現(xiàn)具有一定的突然性，如沒有意識到斷層的存在，依然采用常規(guī)的施工方法，將導致斷層帶出現(xiàn)塌方而影響到整個工程的施工。斷層的主要預測手段包括：1、傳統(tǒng)地質(zhì)法：即工程地質(zhì)法，根據(jù)地質(zhì)資料結(jié)合實際地質(zhì)素描，進行初步的地質(zhì)分析。斷層帶在隧道中是有一定的延伸長度的，斷層的出現(xiàn)也是有一個由小到大的過程的，若隧道局部圍巖破碎、石質(zhì)較差，且圍巖軟硬分界明顯，應(yīng)小心對待，可根據(jù)巖層的走向、傾角等預測前方可能出現(xiàn)的斷層破碎帶。在實際鑿巖作業(yè)中，若鉆速突然加快，巖漿有異常變化時，則肯定存在明顯的軟硬巖層分界面，應(yīng)探明情況并及時采取相關(guān)措施。2、超前地質(zhì)鉆孔：對重點懷疑地段，采用Φ89空心鉆。根據(jù)巖芯和鉆進過程中的巖粉、鉆速和水質(zhì)情況，判斷前方水文、地質(zhì)條件；取巖芯，并利用巖芯作式樣進行試驗，對鉆進的地質(zhì)狀態(tài)進行判斷；鉆速測試，根據(jù)鉆機在巖石中的鉆進速度和巖石特性之間的關(guān)系來判斷。另外比較先進的預測手段還包括地質(zhì)雷達、TSP203地質(zhì)超前預報系統(tǒng)等。4.4.4斷層帶的合理施工方法如前所述，對各種不同的情況，采取的施工方法也不盡相同，但基本的開挖支護原則是一致的。4.4.4.1施工原則斷層施工應(yīng)遵循“短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的基本原則，其施工方法立足于穩(wěn)、準、快。穩(wěn)，即穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營，各工序間環(huán)環(huán)相扣，協(xié)調(diào)統(tǒng)一；準，即施工方法得當，安全優(yōu)質(zhì)；快，即速度快，保工期。1、短進尺：為減少爆破開挖對圍巖的擾動及盡量控制坍塌方量，每次爆破開挖的進尺應(yīng)控制在1.0～1.5米。2、弱爆破：當遇斷層地段時，為防止塌方，應(yīng)嚴格控制炮眼的數(shù)量、深度及裝藥量，盡量減少爆破對圍巖的震動。當采用光面爆破時，周邊眼間距應(yīng)控制在30cm～40cm，周邊眼最小抵抗線控制在65cm～70cm左右。3、強支護：（1）開挖后對斷層范圍立即初噴一層砼，厚度5～8cm，及時封閉圍巖面；（2）在斷層臨近范圍沿徑向施作系統(tǒng)錨桿，錨桿長度3.5～4.0m，間距0.5～0.8m，梅花形布置；（3）鋪掛雙層鋼筋網(wǎng)，間距20×20cm，必要時在錨桿之間加焊Φ22鋼筋網(wǎng)；（4）架立型鋼鋼架（或格柵鋼架），鋼架間距0.5～1.0m；（5）復噴一層砼，厚度10～15cm，噴射總厚度應(yīng)保證15～20cm；4、緊封閉：通過斷層帶的各施工工序之間的距離應(yīng)盡量縮短，初期支護應(yīng)盡量靠近掌子面，以減少巖層的暴露時間，并盡快使全斷面襯砌封閉成環(huán)。5、勤量測：施工過程中應(yīng)加大監(jiān)控觀察力度，隨時注意觀察洞內(nèi)圍巖的受力及變形情況，檢查支護結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了較大的變形，砼噴層有無剝落等。并加強對塌方地段的監(jiān)控量測，及時處理現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)，并將信息及時反饋到施工現(xiàn)場，必要時對支護參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整，以保證施工安全。4.4.4.2開挖方法雖然采用傳統(tǒng)的分部開挖法有較高的安全性，但其施工速度慢且多次爆破開挖對圍巖擾動較大，因此不提倡采用。為了使用鑿巖臺車等高效率的施工機械，進一步提高隧道的施工速度，更主要的是為了能應(yīng)用新奧法施工技術(shù)開挖和支護隧道，在軟弱圍巖及斷層破碎帶施工時，區(qū)別于傳統(tǒng)的施工概念，通常要求盡量采用大斷面方法施工。在不宜采用全斷面開挖時，結(jié)合實際斷層情況，應(yīng)盡量采用半斷面微臺階或上下斷面順序開挖法，采用減輕地震動控制爆破技術(shù)。1、半斷面微臺階法1、開挖方法本方法適用于斷層局部或大部分貫穿隧道拱部時，采用新奧法施工，具有足夠的作業(yè)空間和較快的施工速度。開挖后及時進行錨噴支護，有利于斷層破碎帶的穩(wěn)定和下部的施工安全。微臺階法的上臺階超前3～5m，以滿足新奧法施工工作平臺的需要，而后拱部與洞身的下半部可同時爆破開挖，斷面閉合較快。2、施工優(yōu)點此法與傳統(tǒng)的分部開挖法相比，具有以下優(yōu)點：a）生產(chǎn)效率高，洞身上下同時爆破，作業(yè)空間廣，可充分發(fā)揮大型機械施工的優(yōu)勢。b）減輕了對圍巖的擾動次數(shù)和爆破產(chǎn)生的地震動強度。c）工序簡單、干擾較少。超前的工作面主要是開挖和臨時支護，后面的永久支護可與之平行作業(yè)。d）工作面施工條件大大改善，作業(yè)面寬敞，通風排水條件較好。e）最大限度的減少了圍巖的暴露時間，為及時支護，及時封閉圍巖，保護圍巖自身的穩(wěn)定創(chuàng)造了良好條件。f）降低了比裝藥量和比鉆眼量，減少了炸藥和雷管的總消耗量，降低了工程的成本。2、上下斷面順序開挖法上下斷面順序開挖法，就是上半斷面全部貫通斷層帶后，再進行下半斷面的開挖和支護。該法適用于隧道穿過較大規(guī)模斷層，且斷層穩(wěn)定性較差。該法常須結(jié)合上斷面環(huán)形開挖法（留核心土）和下斷面分部開挖法施工。斷層破碎帶的施工方法通常采用半斷面微臺階法，但在破碎帶巖石風化破碎程度嚴重以致幾乎沒有自穩(wěn)能力的情況下，建議采用中留核心，周邊先行環(huán)形爆破的方法，環(huán)形開挖后，即行臨時支護，然后爆破開挖核心部分。環(huán)形開挖法的主要優(yōu)點體現(xiàn)在：（1）第一次開挖量小，出碴時間短，有利于盡快進行初期支護；（2）核心部分可作為初期支護的施工平臺，萬一出現(xiàn)坍塌，也可作為工作平臺，有利于塌方處理；（3）核心部分能對掌子面起支撐作用，一般不會引起正面塌方；（4）周邊的環(huán)形槽，在后續(xù)主體部分爆破時能起到較好的減震作用，有利于周邊圍巖的穩(wěn)定。下斷面施工采用分部開挖法，先行開挖中槽，再左右交錯開挖馬口，接下部鋼架。施工應(yīng)遵循“隨挖、隨接、隨噴”的原則。分部多少視斷層破碎穩(wěn)定程度而定，可分兩層進行施工。3、微震爆破技術(shù)（1）施工原則斷層破碎帶與一般軟弱巖體相比，最大的不同之處在于前者破碎，后者軟弱。從單軸抗壓強度來說，前者一般均高于后者；其次，前者的自穩(wěn)能力相對來說要比后者強，雖然節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，但互相嵌接的巖體有一定的自身承載能力。因此斷層破碎帶的爆破除常規(guī)的縮短循環(huán)進尺，控制裝藥量外，關(guān)鍵是合理設(shè)計周邊部位的鉆眼、裝藥參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)，保證良好的成形，盡可能維護開挖輪廓線以外圍巖的原始狀態(tài)。其次應(yīng)采用適宜的掏槽形式、鉆爆參數(shù)及起爆順序。因斷層常有一定的自穩(wěn)能力，如不過分擾動，及時進行初期支護，一般安全是不會有問題的。（2）技術(shù)措施1）綜合控制爆破技術(shù)：拱部采用光面爆破，邊墻采用預裂爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用拋擲爆破。2）炮眼布置：原則上應(yīng)先布置掏槽眼、周邊眼，然后是底板眼、內(nèi)圈眼、二臺眼，最后布置中間眼。通常內(nèi)圈眼應(yīng)比中間眼密一些，比周邊眼稀一些，其間距為周邊眼間距的1.5倍左右，抵抗線為間距的0.7倍左右。周邊眼參數(shù)經(jīng)驗計算式：間距：E=（8～12）d（d為炮眼直徑），cm；抵抗線：W=（1.0～1.5）E，cm；裝藥集中度：q=0.04～0.19kg/m。3）爆破器材的選擇：炸藥應(yīng)首選低爆速和專用光爆炸藥。為避免震動強度的疊加作用，雷管最好跳段使用，特別是第1～5段的低段雷管。段間隔時差應(yīng)控制在100ms左右。4）掏槽形式：從減小掏槽爆破的地震動強度出發(fā)，一般宜選用楔形掏槽，眼深稍大時，最好采用多重楔形掏槽、直眼分層掏槽并結(jié)合大直徑中空眼。5）底板眼的爆破與起爆順序：隧道爆破產(chǎn)生的地震動強度除掏槽最大外，其次是底板眼的爆破，所以應(yīng)改變傳統(tǒng)的習慣做法，將底板眼分成幾個段分開起爆。4.4.5支護方法加強施工支護，提高整體穩(wěn)定是隧道通過斷層破碎帶時，最基本的施工要求。主要包括：加厚砼噴層厚度、加密加長錨桿、加強鋼筋網(wǎng)、加密鋼架間距，提高鋼架強度和剛度等。1、噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護噴射砼是使鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)組成統(tǒng)一受力整體的關(guān)鍵工序，它可以在圍巖表面形成很薄的半剛性襯砌，并在短時間內(nèi)達到平衡，從而把圍巖本身轉(zhuǎn)變成一種有效的承重結(jié)構(gòu)。噴射砼具有良好的抗爆破震動和抗沖切性能，可很好的防止坍塌的產(chǎn)生。為保證后續(xù)工序的施工安全，首先應(yīng)對斷層范圍進行初噴砼施工，噴射厚度3～5cm，及時進行巖面封閉。之后對臨近范圍進行錨桿和鋼筋網(wǎng)施工，錨桿直徑22mm，單根長3～3.5m，呈梅花形布置，間距1.0×1.0m或適當加密；布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20×20cm，最好為雙層，并與錨桿焊接。當斷層在拱部出露范圍較小時，可考慮在斷層兩側(cè)施作徑向錨桿，在斷層范圍用22mm鋼筋編網(wǎng)，并與錨桿焊接牢固，噴射砼之后形成臨時支護。如圖2。斷層帶斷層帶錨桿鋼筋網(wǎng)+噴射砼圖2拱頂斷層帶的支護處理2、鋼架支護鋼架支護是通過斷層破碎帶時必不可少的措施之一。鋼架支護可以加強初期支護，減少圍巖變形，并為超前支護提供可靠的支點。鋼架間距根據(jù)每循環(huán)開挖進尺而定，要求“隨挖而立”，初噴后立即進行鋼架架設(shè)。鋼架應(yīng)盡量與掌子面抵緊，并與圍巖密貼，不給圍巖松弛以機會；鋼架間距視斷層帶破碎程度，一般控制在0.5～1.0m，縱向連接采用Φ22螺紋鋼筋或拉桿，環(huán)向間距0.5～1.0m，橫向與系統(tǒng)錨桿焊接牢固，最后復噴砼至與鋼架表面齊平，使其與錨桿、鋼筋網(wǎng)形成統(tǒng)一的受力整體。鋼架類型應(yīng)根據(jù)施工條件和圍巖情況綜合確定，對于承受圍巖壓力較大處，宜采用型鋼鋼架。推薦采用U型鋼架，其連接方式是采用U型鋼間一定長度搭接并用連接扣件壓緊，根據(jù)開挖實際情況可適當調(diào)整搭接長度從而實現(xiàn)與圍巖的密貼。當鋼架背后與圍巖間空隙較大時，應(yīng)采用砼預制塊或補噴砼填實。施工拱部鋼架時，應(yīng)加強鎖腳錨桿的施工質(zhì)量，必要時應(yīng)設(shè)拱腳支撐。下半斷面采用中部拉槽左右相錯開挖馬口的方法時，每次拉槽不得超過2榀鋼架，采取開挖一榀支護一榀的方式，嚴禁一次開挖多榀使拱腳脫空。開挖完后及時接邊墻段鋼架，要求接頭牢靠，底腳穩(wěn)固。3、超前管棚施工由于斷層破碎帶開挖后，圍巖的自穩(wěn)時間較短，當不能保證安全的完成初期支護時，就應(yīng)該在開挖前對前方的巖層進行超前支護。沒有超前支護，斷層穩(wěn)定性差時，就無法進行大斷面開挖。斷層破碎帶施工時，常用的超前支護方法有超前管棚和超前小導管注漿。超前管棚宜選用較大直徑的鋼管制作，長度4～6m，鋼管前端呈尖錐形，尾部焊上8mm鋼筋勁箍，利用最靠近掌子面的兩榀鋼架作為支點，與洞軸線成10～15度傾角打入拱部圍巖，在拱頂形成棚架，以保證施工安全和穩(wěn)定拱部圍巖。管棚鋼管橫向間距30～50cm，縱向間距一般不超過2m，視圍巖破碎情況而定。管棚支護的橫向?qū)挾纫话銥楣绊斁€長的1/2～3/4，管棚在橫向上交錯布置，尾部與相連鋼架焊接牢固，以保證整體穩(wěn)定性。4、超前小導管注漿超前小導管注漿可對斷層帶破碎巖體起到良好的固結(jié)作用，當斷層巖體達到一定的自承能力后，才能為后續(xù)掘進、支護創(chuàng)造條件。小導管單根長3.5～4.0m，拱部間距0.3～0.4m。注漿前上半斷面掌子面采用噴射砼封閉，厚度10～15cm，以免注漿時滲漏漿液。注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿或單液水泥漿。采用水泥、水玻璃雙液漿，漿液加固效果較好，應(yīng)優(yōu)先選用，水泥漿濃度1.25:1～0.8:1，水泥漿與水玻璃體積比1:1～1:0.6。采用單液水泥漿時水泥漿水灰比分為1.5:1、1:1、0.8:1三個等級，漿液由稀到濃逐級變換，為了注漿后能盡快進行開挖，注漿宜用525#普通水泥或早強水泥，注漿終壓約為1.0MPa。小導管應(yīng)在開挖輪廓上按設(shè)計位置及角度打入。鋼管實際打入長度不得短于平均每根實際打入長度30cm，否則開挖一循環(huán)后應(yīng)補管、注漿。注漿順序環(huán)向應(yīng)從兩側(cè)拱腳往拱頂先下后上進行。漿液凝固強度達80%以后方可進行開挖。單孔注漿量不得少于平均每孔注漿量的80%。注漿過程中應(yīng)經(jīng)常檢查漿液質(zhì)量，控制好漿液水灰比、注漿壓力、注漿量并逐管填寫注漿記錄；對水灰比、注漿壓力、注漿量、材料耗用量、異常情況及其處理等應(yīng)詳細記錄，注漿完后要求檢查注漿固結(jié)效果。注漿效果直接關(guān)系到下一步開挖施工的安全，因此應(yīng)認真對待，必要時必須補管注漿。5、支護加固與注漿補強采用半斷面開挖時，下半斷面開挖前，必要時應(yīng)對上半斷面初期支護背后進行注漿處理，填