CN108678777B - 隧道断层破碎带区段的支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道断层破碎带区段的支护方法，包括超前地质预报、超前支护、砂浆锚杆、挂钢筋网、工字钢拱架支撑以及喷射混凝土，在隧道的开挖轮廓线外形成柔性封闭环，支撑隧道断层破碎带区段，充分限制围岩变形，从而防止在隧道断层破碎带区段开挖施工极易出现坍塌、冒顶等安全事故，确保施工安全以及工程质量，在隧道断层破碎带区段施工时，采用有效的支护方法，可以在施工时减少对山体的扰动，有效的保护自然环境，有利于水土保持。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体地，涉及一种隧道断层破碎带区段的支护方法。
背景技术
断层是地壳内部的岩层或岩体在应力作用下产生的面状破坏或面状流变带，其两侧的岩块发生明显位移，而形成断层的地质背景、断层的运动方式、断层的形成机制以及断层的识别方法非常复杂，并且在勘察设计过程中很难准确的查明隧道内断层破碎带的具体地质情况，所以在不同的隧道施工中遇到的断层破碎带地段，其断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层活动性以及隧道轴线和断层构造线方向的组合关系均不相同，进而很难形成系统的、科学的隧道在断层破碎带的施工处理技术，导致隧道在断层破碎带的施工工程事故的频发。
断层破碎带具有稳定性差、强度低、透水性大、容易变形和压缩性差等特点，在隧道开挖过程中，遇到断层破碎带，由于破坏了岩体原有的应力平衡，经常出现坍塌、冒顶等事故，而造成安全事故，因此，在断层破碎带施工过程中，需要采取有效的断层破碎带支护方法。但是，目前的断层破碎带支护方法依然不能很好的限制断层处的隧道围岩变形，极易在隧道开挖施工过程中出现坍塌、冒顶等事故，影响施工安全和工程质量。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种隧道断层破碎带区段的支护方法，以解决现有支护方法不能很好的限制围岩变形，极易出现坍塌、冒顶等安全事故的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述隧道断层破碎带区段的支护方法，包括超前地质预报、超前支护、砂浆锚杆、挂钢筋网、工字钢拱架支撑以及喷射混凝土，在隧道的开挖轮廓线外形成柔性封闭环，支撑隧道断层破碎带区段，
其中，超前地质预报包括：对断层破碎带进行超前水平探孔，在断层破碎带设置多个瓦斯传感器，通过瓦斯传感器探测孔内瓦斯浓度，通过瓦斯监控系统实时监测断层破碎带施工过程中的一氧化碳含量和风速，当测量得到的瓦斯浓度超过瓦斯突出标准，隧道洞内安装的动力电源自动切断，并启动预警装置，发出警报信号，且启动瓦斯排放装置，将瓦斯排出围岩；
超前支护包括：在开挖围岩断面的拱部钻孔，在钻孔中打入双层超前小导管，内层导管长4.5米，外层导管长3.5米，在超前小导管与隧道开挖断面的交接工作面喷射混凝土，通过双层超前小导管注入浆液，待浆液凝固强度达到80％，进行隧道开挖；
砂浆锚杆包括：对隧道围岩断层段喷射混凝土，进行岩面封闭，在隧道围岩断面钻锚杆钻孔，在锚杆钻孔内注入砂浆，将砂浆锚杆放置于锚杆钻孔中，多根砂浆锚杆呈梅花形布置；
挂钢筋网包括：贴近隧道围岩面布设双层钢筋网片，且钢筋网片与砂浆锚杆焊接固定；
工字钢拱架支撑包括：在隧道围岩面采用工字钢支护，多个工字钢沿围岩面形成拱架支撑，并采用锁脚锚杆固定，工字钢间距75厘米，工字钢纵向通过螺纹钢筋连接，横向与锁脚锚杆焊接固定；
喷射混凝土包括：在隧道围岩表面初次喷射混凝土形成半刚性衬砌，施工砂浆锚杆、钢筋网以及工字钢拱架支撑之后，再次喷射混凝土至与工字钢拱架支撑表面平齐，使得砂浆锚杆、钢筋网和工字钢拱架支撑统一受力。
优选地，所述超前小导管打入围岩断面的长度不小于超前小导管实际长度的90％，单个钻孔的注浆量不小于每个钻孔平均注浆量的80％。
优选地，隧道的开挖长度小于超前小导管的注浆长度，预留出下一次施工循环的止浆墙。
优选地，在超前小导管进行施工时，先打入双层超前小导管作为锁口段，注入砂浆，再进行初期支护，初期支护完成之后，在距离锁口2米处打入第二环的外层超前小导管，距离锁口3米处打入第二环的内层超前小导管。
优选地，在隧道内的集中出水点处钻孔，并在钻孔内安装导管，进行集中排水。
优选地，在隧道内的大面积出水点处，利用土工布或防水板进行覆盖，将出水引导至边墙，在边墙后埋设排水管，通过排水管将出水排至排水沟内，再通过排水沟将出水排至隧道洞外。
优选地，采用全断面帷幕注浆堵水，注浆范围为隧道围岩开挖面轮廓线外5米，扩散半径为2米，注浆段分两次进行，第一次注浆孔距离开挖断面边界0.5米，第二次注浆孔距离开挖断面边界1.0米，第一次注浆孔的外岔角为9.3度，第二次注浆孔的外岔角为9.7度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过采用超前地质预报、超前支护、砂浆锚杆、挂钢筋网、工字钢拱架支撑、喷射混凝土等手段，在隧道断层段围岩外形成一柔性封闭环，充分限制围岩变形，从而防止在隧道断层破碎带区段开挖施工极易出现坍塌、冒顶等安全事故，缩短施工周期，节约施工成本。且通过超前地质预报测量瓦斯浓度，减少隧道断层破碎带开挖施工风险，确保施工安全以及工程质量。在隧道内地下水渗出较多的地方，钻排水孔或者通过土工布、防水板等材料覆盖，将出水引出岩体。
在隧道断层破碎带区段施工时，采用有效的支护方法，可以在施工时减少对山体的扰动，有效的保护自然环境，有利于水土保持。
附图说明
图1是本发明所述隧道断层破碎带区段的支护方法流程示意图；
图2是本发明超前支护中超前小导管注浆施工流程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1-图2来详细说明本实施例。
图1是本发明所述隧道断层破碎带区段的支护方法流程示意图，如图1所示，本发明所述隧道断层破碎带区段的支护方法包括：超前地质预报、超前支护、砂浆锚杆、挂钢筋网、工字钢拱架支撑以及喷射混凝土，在隧道的开挖轮廓线外形成柔性封闭环，支撑隧道断层破碎带区段，从而避免在隧道断层破碎带区段施工时出现坍塌、冒顶等安全事故，确保施工安全和工程质量。采取有效的支护方法，在隧道开挖施工时，可以减少施工对山体的扰动，保护自然环境。
超前地质预报包括：对断层破碎带进行超前水平探孔，在断层破碎带设置多个瓦斯传感器，通过瓦斯传感器探测孔内瓦斯浓度，通过瓦斯监控系统实时监测断层破碎带施工过程中的一氧化碳含量和风速，当测量得到的瓦斯浓度超过瓦斯突出标准，隧道洞内安装的动力电源自动切断，并启动预警装置，发出警报信号，且启动瓦斯排放装置，将瓦斯排出围岩。其中，瓦斯突出标准是指隧道安全施工所允许的探孔内的瓦斯浓度。
采用超前水平探孔，可以根据岩芯以及钻进过程中岩粉、钻速和水质情况，判断施工前方水文以及围岩地质情况，在钻孔过程中，全程记录地质情况、地下水情况以及钻孔内瓦斯情况。
通过瓦斯监控系统对瓦斯情况进行实时监测，包括在隧道洞口监控中心设置主控机、通信接口、UPS电源、避雷器和打印机等，监控主控机通过通信接口与隧道洞内的两台分站连接，分站用于隧道洞内的传感器的通信和控制。其中，瓦斯浓度、一氧化碳含量以及风速均通过在隧道洞内设置的传感器进行测量。
在未布置传感器的位置或瓦斯监控系统无法正常获取瓦斯信息的位置，通过人工检测实现隧道洞内瓦斯信息的采集和记录。
在隧道洞内安装风电、瓦电闭锁对隧道施工实施联锁，当瓦斯浓度超过瓦斯突出标准时，洞内动力电源自动切断，并启动预警装置和瓦斯排放装置，以保证隧道洞内的施工安全。
图2是本发明超前支护中超前小导管注浆施工流程示意图，如图2所示，超前支护包括：预先制作超前小导管，根据超前小导管在围岩上的设计位置和打入角度，在开挖围岩断面的拱部钻孔，且钻孔直径比导管直径大3-5毫米(mm)。用锤击或钻机在钻孔中打入双层超前小导管，内层导管长4.5米(m)，外层导管长3.5m，在超前小导管与隧道开挖断面的交接工作面喷射混凝土，封闭厚度10-15厘米(cm)，以密封孔口与超前小导管之间的缝隙，避免注浆时渗漏浆液，防止工作面坍塌，或者用塑胶泥封堵孔口及其周围缝隙。在注浆前进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确。注浆施工前进行注浆试验以确定合适的注浆参数值，通过双层超前小导管注入浆液，注浆量达到设计注浆量或注浆压力达到设计终压时，结束注浆，待浆液凝固强度达到80％，进行隧道开挖。在注浆过程中，随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆和漏浆。
为了加快超前小导管的注浆速度和充分发挥机械设备的效率，在超前小导管注浆时，可以选择群管注浆，例如，一次性地给3-5根超前小导管注入浆液。
注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆或单液水泥浆，注浆终压力约为1.0兆帕(MPa)。制作的超前小导管为
热轧无缝钢管，一端封闭，预留止浆段约100mm，另一端呈尖锥形，尖端约10mm。在超前小导管壁面上，每间隔15mm交错位置开设出浆孔，出浆孔尺寸为
为了避免在隧道开挖进行一个循环之后补充超前小导管，在安装超前小导管时，超前小导管打入围岩断面的长度不小于超前小导管实际长度的90％，并用高压风将导管内的砂石吹出，注浆顺序环向从两侧拱脚往拱顶先下后上进行。单个钻孔的注浆量不小于每个钻孔平均注浆量的80％，隧道的开挖长度小于超前小导管的注浆长度，预留出下一次施工循环的止浆墙。在注浆过程中，经常检查浆液质量，控制好浆液水灰比、注浆压力、注浆量并逐个写入注浆记录，以便于注浆完成后检查注浆固结效果，必要时，进行补管注浆。
在超前小导管进行施工时，先打入双层超前小导管作为锁口段，打完锁口段对超前小导管注入砂浆，再进行开挖拱部和喷射混凝土等初期支护，初期支护完成之后，在距离锁口2米处打入第二环的外层超前小导管，距离锁口3米处打入第二环的内层超前小导管。
在进行超前支护之后，要进行砂浆锚杆和挂钢筋网施工。其中，砂浆锚杆施工包括：对隧道围岩断层段喷射混凝土，进行岩面封闭，在隧道围岩断面钻锚杆钻孔，在锚杆钻孔内注入砂浆，将砂浆锚杆放置于锚杆钻孔中，多根砂浆锚杆呈梅花形布置。选用的锚杆直径为22mm，单根锚杆长度为3.5～4.5m，多根砂浆锚杆间距1.0×1.0m，可根据实际施工需求进行加密。
挂钢筋网包括：贴近隧道围岩面布设双层钢筋网片，且钢筋网片与砂浆锚杆焊接固定，钢筋网片的网格间距为20×20cm。
工字钢拱架支撑包括：在隧道围岩面采用工字钢支护，多个工字钢沿围岩面形成拱架支撑，并采用锁脚锚杆固定，工字钢间距75厘米，工字钢纵向通过螺纹钢筋连接，环向间距0.5m，横向与锁脚锚杆焊接固定。
在一个可选的实施例中，工字钢采用I18工字钢，锁脚锚杆采用长度为3.5m的φ22药卷锚杆，以防止拱架支撑下沉。
本发明中，喷射混凝土包括：在隧道围岩表面初次喷射混凝土形成半刚性衬砌，以将围岩本身转变成有效的承重结构，在施工砂浆锚杆、钢筋网以及工字钢拱架支撑之后，再次喷射混凝土至与工字钢拱架支撑表面平齐，使得砂浆锚杆、钢筋网和工字钢拱架支撑形成一个整体，统一受力，具有良好的抗爆破振动和抗冲切性能，从而防止坍塌的发生。
本发明中，隧道断层破碎带区段比较破碎，且富含大量的水，极易在施工过程中出现涌水等现象。利用探测方法，提前确定出水位置，利用超前探孔，进行超前探水，提前将出水排出隧道洞外，从而防止出现涌水。优选地，在隧道内的集中出水点处钻孔，并在钻孔内安装导管，进行集中排水。在隧道内的大面积出水点处，利用土工布或防水板进行覆盖，将出水引导至边墙，在边墙后埋设排水管，通过排水管将出水排至排水沟内，再通过排水沟将出水排至隧道洞外。其中，在边墙后设置的排水管的数量和间距由实际出水量而定。
本发明中，当在隧道破碎带区段施工出现大量涌水时，采用全断面帷幕注浆堵水，注浆范围为隧道围岩开挖面轮廓线外5米，扩散半径为2米，注浆段分两次进行，第一次注浆孔距离开挖断面边界0.5米，第二次注浆孔距离开挖断面边界1.0米，第一次注浆孔的外岔角为9.3度，第二次注浆孔的外岔角为9.7度。全断面共布设38个孔，第一次钻孔数18个，第二次钻孔数20个。
帷幕注浆采用套管柱塞方式，在注浆孔前端安装φ108×4mm套管，套管长3m，孔口外露20～30cm。每循环超前预注浆前设置5m厚左右的止浆墙，施工30米作为一个施工循环，成孔注浆采用分段注浆，套管安装完毕后，每钻进5～7m即开始注浆，注浆达到设计要求之后开始下一段钻孔注浆。每一个施工循环中，开挖长度30m，其中包括5m厚的止浆墙，注浆长度为35m。
在帷幕注浆时，为了防止串浆，第一次注浆与第二次注浆之间间隔2-3小时。注浆后，总出水量小于2m/小时，且单处出水量小于0.6m/小时，可以结束注浆。在帷幕注浆过程中，注浆压力突然升高，应停止水玻璃注浆泵，只注入水泥浆或清水。当进浆量很大，注浆压力长时间不升高，则应调整注浆浓度以及配合比。当注浆压力达到3MPa。进浆量小于100L/min，而且注浆压力升高较快则可以停止注浆，最大注浆压力不能超过5MPa。
在帷幕注浆结束之后，进行堵水注浆效果检查，在出水点附近设置至少5个检查孔，测量孔内涌水量，或者进行压水试验，在0.75MPa的压力下，吸水量小于2L/min。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种隧道断层破碎带区段的支护方法，其特征在于，包括超前地质预报、超前支护、砂浆锚杆、挂钢筋网、工字钢拱架支撑以及喷射混凝土，在隧道的开挖轮廓线外形成柔性封闭环，支撑隧道断层破碎带区段，
其中，超前地质预报包括：对断层破碎带进行超前水平探孔，在断层破碎带设置多个瓦斯传感器，通过瓦斯传感器探测孔内瓦斯浓度，通过瓦斯监控系统实时监测断层破碎带施工过程中的一氧化碳含量和风速，当测量得到的瓦斯浓度超过瓦斯突出标准，隧道洞内安装的动力电源自动切断，并启动预警装置，发出警报信号，且启动瓦斯排放装置，将瓦斯排出围岩；其中，通过瓦斯监控系统对瓦斯情况进行实时监测，包括在隧道洞口监控中心设置主控机、通信接口、UPS电源、避雷器和打印机，监控主控机通过通信接口与隧道洞内的两台分站连接，分站用于隧道洞内的传感器的通信和控制；
超前支护包括：在开挖围岩断面的拱部钻孔，在钻孔中打入双层超前小导管，内层导管长4.5米，外层导管长3.5米，在超前小导管与隧道开挖断面的交接工作面喷射混凝土，通过双层超前小导管注入浆液，待浆液凝固强度达到80％，进行隧道开挖，其中，在超前小导管进行施工时，先打入双层超前小导管作为锁口段，注入砂浆，再进行初期支护，初期支护完成之后，在距离锁口2米处打入第二环的外层超前小导管，距离锁口3米处打入第二环的内层超前小导管，在钻孔中打入超前小导管时，用高压风将导管内的砂石吹出，在超前小导管注浆时，采用群管注浆方式，注浆顺序环向从两侧拱脚往拱顶先下后上进行；
砂浆锚杆包括：对隧道围岩断层段喷射混凝土，进行岩面封闭，在隧道围岩断面钻锚杆钻孔，在锚杆钻孔内注入砂浆，将砂浆锚杆放置于锚杆钻孔中，多根砂浆锚杆呈梅花形布置；
挂钢筋网包括：贴近隧道围岩面布设双层钢筋网片，且钢筋网片与砂浆锚杆焊接固定；
工字钢拱架支撑包括：在隧道围岩面采用工字钢支护，多个工字钢沿围岩面形成拱架支撑，并采用锁脚锚杆固定，工字钢间距75厘米，工字钢纵向通过螺纹钢筋连接，横向与锁脚锚杆焊接固定；其中，所述工字钢采用I18工字钢，锁脚锚杆采用长度为3.5m的φ22药卷锚杆；
喷射混凝土包括：在隧道围岩表面初次喷射混凝土形成半刚性衬砌，施工砂浆锚杆、钢筋网以及工字钢拱架支撑之后，再次喷射混凝土至与工字钢拱架支撑表面平齐，使得砂浆锚杆、钢筋网和工字钢拱架支撑统一受力；
采用全断面帷幕注浆堵水，帷幕注浆采用套管柱塞方式，在注浆孔前端安装φ108×4mm套管，套管长3m，孔口外露20～30cm，每循环超前预注浆前设置5m厚的止浆墙，施工30米作为一个施工循环，成孔注浆采用分段注浆，套管安装完毕后，每钻进5～7m即开始注浆，注浆达到设计要求之后开始下一段钻孔注浆。
2.根据权利要求1所述的隧道断层破碎带区段的支护方法，其特征在于，所述超前小导管打入围岩断面的长度不小于超前小导管实际长度的90％，单个钻孔的注浆量不小于每个钻孔平均注浆量的80％。
3.根据权利要求1所述的隧道断层破碎带区段的支护方法，其特征在于，隧道的开挖长度小于超前小导管的注浆长度，预留出下一次施工循环的止浆墙。
4.根据权利要求1所述的隧道断层破碎带区段的支护方法，其特征在于，在隧道内的集中出水点处钻孔，并在钻孔内安装导管，进行集中排水。
5.根据权利要求1所述的隧道断层破碎带区段的支护方法，其特征在于，在隧道内的大面积出水点处，利用土工布或防水板进行覆盖，将出水引导至边墙，在边墙后埋设排水管，通过排水管将出水排至排水沟内，再通过排水沟将出水排至隧道洞外。
6.根据权利要求1所述的隧道断层破碎带区段的支护方法，其特征在于，
注浆范围为隧道围岩开挖面轮廓线外5米，扩散半径为2米，注浆段分两次进行，第一次注浆孔距离开挖断面边界0.5米，第二次注浆孔距离开挖断面边界1.0米，第一次注浆孔的外岔角为9.3度，第二次注浆孔的外岔角为9.7度。
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