浅谈超前小导管在隧道穿越断层中的应用

[摘 要]超前小导管方法是一种超前预支护技术，在隧道穿越浅埋、软弱破碎地层等不良地段的施工中发挥了重要作用。文章根据铁山隧道设计密布超前小导管成功穿越断层的体会，提出设计中需注意的问题，对隧道设计有一定借鉴意义。

[关键词]超前小导管；隧道；穿越；断层

中图分类号：U452.1 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）08-0084-02

1.工程概况

G319国道泸溪绕城线公路铁山隧道地处构造侵蚀型山岭斜坡地貌，临沅水。隧道设计长度为198m（K2+522～K2+720），出口段工程地质情况复杂，K2+660路段长约27m为一条断层，断层的南东盘即进口段为石灰岩，北西盘即出口段为页岩。灰岩段洞身为Ⅲ级围岩，页岩段洞身为Ⅴ级围岩。出口处25m为明洞，紧接的23m及断层带洞身采用超前管棚。

工程施工自出口端开始向进口段方向采用单头掘进，施工过程中，断层段由于页岩风化、破碎严重，掌子面拱顶石块掉落，形成了一个直径约8m左右的漏斗，并致使临掌子面的一榀钢花拱变形，对隧道施工带来极大的安全隐患。根据洞身的监测报告，漏斗形成前期洞身无收敛，洞身始终存在偏压情况，仰拱施工后偏压变形有所减缓，但未回弹。在病害工程处治设计方案上，先行对漏斗进行封闭处理，再设计密布的超前小导管穿越断层带，获得成功。

2.水文地质条件

隧道场地水文地质条件简单，地下水类型主要为基岩裂隙水与岩溶裂隙水，含水层分别为寒武系下统页岩与二叠系下统灰岩，其次为断层裂隙水，接受大气降水补给。由于隧道周边地形陡峭，切割较深，地面纵坡大，隧道位置相对较高，总体不利于地下水赋存，水量较贫乏，施工期间隧道洞身未见有渗水现象，地下水对隧道的施工不构成影响。

场内地层结构简单，基岩出露，岩性为二叠系下统灰岩与寒武系下统页岩，断层产状105°∠65°，断层破碎带宽1～3m，破碎带挤压破碎现象明显，局部可见断层角砾岩，成分为页岩、灰岩等，大小一般在0.2～10cm不等，磨圆度为次圆～次棱角状，胶结物为岩粉及少量石英、白云石脉，断层两盘牵引褶皱较为发育，北西盘下降，南东盘上升，属正断层。北西盘为二叠系下统灰岩，岩层倾向约130°，倾角约15°，呈深灰色，中风化，主要矿物成分为方解石，细晶结构，薄层-中厚层状，属较硬岩，岩芯多呈短-长柱状，节理不发育，岩体较完整，为中厚层结构。南东盘为寒武系下统页岩，岩层倾向约150°，倾角约45°，呈灰黄～青灰色，主要成分为粘土矿物，泥质结构，薄层状，强～中风化，属软～较软岩，岩芯多呈片状与碎块状，少量短柱状，节理很发育，岩体破碎，为裂隙块状结构。

3.漏斗形成原因分析

综合场地工程水文地质环境条件等因素，认为漏斗产生的原因有以下几个方面：

（1）由于断层带岩体破碎，节理、裂隙发育，薄层状页岩岩体被分割成小块状，石块间粘结性差，胶结松散。石块小、石块间的结合力低是漏斗易形成的客观条件。

（2）隧道掘进施工过程中，在形成初期支护的工作面以前，拱顶下的石块已被掏走，形成只有简易支护的孔洞，拱顶上的岩体的支撑环境逐渐变差，施工造成对岩体的扰动，掉块开始形成，随着初期支护面与掌子面的距离增大，拱顶部的石块掉落的速度加大，加之施工中的防护措施不力，最终导致漏斗的形成，岩体失去支撑条件是漏斗形成的诱发因素。

4.工程处治设计

漏斗形成后，洞内堆积了大量的垮塌体松散石块，但漏斗壁较为光滑，坑壁干燥，无渗水，在不继续扰动松散体的情况下漏斗壁自行垮塌漏斗规模扩大的可能性小，对漏斗进行封闭施工而言是极为有利的条件。形成漏斗的部位岩石节理、裂隙发育，薄层状的页岩岩石破碎，岩层间胶结结合差，工程设计方案重点考虑防止隧道掘进施工中漏斗的再次形成。

4.1对漏斗的封闭

4.1.1准备工作

停止洞身开挖、仰拱施工、边墙衬砌、废渣清运工作。先行对已形成漏斗的岩面的危岩进行清除，再喷射10cm厚的C25混凝土对岩体表面进行支护。阻止漏斗坑壁上的松散体的进一步垮塌，阻止漏斗规模的扩大。其后进行废渣的清运，清理出用于搭设拱架的工作场地。

4.1.2漏斗封闭设计方案

隧道拱顶部的漏斗已经形成，隧道曲墙以上部位是敞开的，类似于明洞工程，设计采用混凝土圬工进行漏斗的封闭。

（1）在钢花拱支撑部位与漏斗的临空面间，搭设I20a工字钢等型钢支架与拱架，支架前端和临空面的山体紧密接触，然后浇筑曲墙及拱部C25混凝土，对漏斗进行封闭；拱部混凝土厚度1.0m。

（2）在漏斗封闭处的混凝土强度达到设计强度的80%以上时，在其顶部施工C25混凝土进行拱部回填，回填体的高度以顶部和相邻部位平齐为原则，最小厚度为1.0m。在回填完成，且混凝土强度达到设计强度的80%后进行仰拱的施工。

4.2密布超前小导管穿越断层带

在以上工作完成，且漏斗处拱部回填的混凝土强度达到设计强度的80%以上时，进行洞身的掘进施工。穿越断层带的设计方案为密布超前小导管加系统锚杆配合，采用4m长的注浆小导管进行超前支护，外插角为35°，纵向安设间距为1m，环向间距为0.2m。初期支护钢拱架采用I18工字钢，纵向间距0.5m，并采用间距为1m的Φ22钢筋纵向连接。系统锚杆长3m，环向间距1.5m，纵向间距1m，并与钢拱架焊接成一个整体，从而增加其整体刚度和稳定性。

4.3工程设计中需注意的问题

（1）在漏斗已经形成时，如何防止漏斗再次的形成是工程设计方案关注的重点。在隧道掘进施工中，开挖步长对隧道掌子面的荷载、水平位移、竖向应力、水平应力均有较大影响，合理的步长是防止漏斗再次形成的关键要素之一。

（2）超前小导管的环向分布范围对掌子面拱顶和拱腰的受力影响较大，而对起拱线的受力影响较小。

（3）超前小导管管径的变化对掌子面的竖向荷载和位移的变化影响较小，增加管径并不能有效改善掌子面的受力。

（4）超前小导管的外插角须根据岩层的倾角确定，外插角必须大于岩层的倾角，否则超前小导管的作用要大打折扣。

（5）超前小导管的环向间距、导管的长度也是防止漏斗形成的关键要素，需根据岩石的破碎程度确定。

5.结语

在隧道穿越断层等不良地质地段时，工程设计方案及施工措施应着重考虑防止掉块以及避免漏斗的形成。超前小导管的存在，改变了掌子面和衬砌的荷载和应力的分布，将隧道开挖释放的荷载向前传递给掌子面前方的围岩，向后传递给初期支护体系，使得掌子面所承受的荷载减小，而初期支护体系所承受的荷载增加，体现了超前小导管的荷载传递作用。借助密布的超前小导管，形成对岩体的卡固与托底支撑作用，可有效实行断层带的穿越。但超前小导管的外插角、环向间距、导管的长度以及施工的步长是成功穿越断层的关键要素所在，要依据具体的工程水文地质环境条件合理确定。

参考文献

[1]廖书志.超前小导管在隧道穿越软弱围岩中的应用[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2007（6）.

[2]刘新，方俊杰.超前小导管注浆技术在某隧道断层中的应用[J].林业建设，2010（4）.

作者简介：李樟林，（1979-），男，工程师，主要从事公路勘察设计与研究。