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1、断层破碎带施工作业指导书断层破碎带是由于断层两盘相对滑动而使两侧岩层被错断磨碎，形成一个长条状与断层面方向基本一致的岩层破碎带。破碎带的宽度与岩性、断距及断层性质有关。破碎带中的岩石受断裂作用形成构造岩，按其破碎程度不同，构造岩有构造角砾岩、磨砾岩、糜棱岩和断层泥。断层破碎带是隧道施工中常见的一种地质现象，如认识不够，施工不当，常会造成塌方，小则几米，大则几十米，不仅给隧道施工带来极大困难，而且延误工期，耗费资金，并且给隧道的施工和运营安全带来隐患。因此断层破碎带的施工必须制定安全、稳妥的施工方案，采取积极、有效的施工措施，切忌盲目冒进。4.4.1断层的基本类型按断层两盘相对位移关系，断层可分
2、为正断层、逆断层和平移断层三种。1、正断层 沿断层岩面倾斜方向，断层的下盘相对上升，上盘相对下降的断层为正断层。正断层主要是地壳受水平方向张拉力和重力作用形成的。断层面倾角较陡，断层线较平直。2、逆断层 断层的下盘相对下降，上盘相对上升的断层为逆断层。逆断层主要是地壳受水平挤压作用形成的，断层两盘多闭合。3、平移断层 断层两盘沿断层走向线方向发生相对位移的为平移断层。断层面近于直立，倾角很陡，它是在地壳水平运动影响下，由剪切作用形成的。4.4.2断层与隧道的相互关系隧洞穿过断层地段，施工难度主要取决于断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层活动性以及隧洞轴线和断层构造线方向的组合关系
3、（正交、斜交或平行）。在其他条件相差不大的前提下，两者的相互关系直接影响到施工的难易程度、工艺和工期。当隧洞轴线接近于垂直构造线方向时，断层规模较小，破碎带不宽，且含水量较小时，条件比较有利，施工难度相对较小；但当隧洞轴线斜交或者平行于构造方向时，则隧洞穿过破碎带的长度增大，并有强大侧压力，应加强支护体系，及时封闭。根据断层产状、宽度和隧道轴线的相互关系，隧道通过断层带时，大致可分为以下几种情况。（a）（b）（c）（d）（f）（e）图 断层带与隧道的相互关系1、断层出现在拱部如图（a），这种情况对隧道的影响相对较小，施工难度主要取决于拱部断层带的宽度。当宽度只有数米时，仍可采用全断面开挖方法，
4、但进尺应缩短，并采用微震爆破技术，加强拱部的初期支护强度；当拱部断层范围较大时，如图（c），为慎重起见，应改为半断面台阶法施工，为便于人工翻碴，台阶长度不宜太长，一般宜5m。2、断层出现在侧部 如图（b），这种情况，施工不当极易造成侧壁整体滑塌，应注意辅以钢架支护和喷射砼加强，并在侧壁断层范围布设小导管注浆加固断层岩体；当断层延伸至拱部范围时，如图（d），坍塌的几率增大，应注意调整开挖方法。3、隧道整个从断层中通过这种情况当隧道通过较大规模的断层时经常遇到。可考虑采用半断面+分部开挖法，即先行贯通上半断面至较好围岩，再采用中部拉槽左右交错开挖马口的方法分部进行下半断面的开挖。4、断层占断面绝大
5、部分面积可参照第三种情况处理。4.4.3断层的超前预报断层的超前预报对隧道施工来说，是一项基础性的、很重要的工作。因为断层若其走向与隧道轴线接近正交的话，它的出现具有一定的突然性，如没有意识到断层的存在，依然采用常规的施工方法，将导致断层带出现塌方而影响到整个工程的施工。断层的主要预测手段包括：1、传统地质法：即工程地质法，根据地质资料结合实际地质素描，进行初步的地质分析。断层带在隧道中是有一定的延伸长度的，断层的出现也是有一个由小到大的过程的，若隧道局部围岩破碎、石质较差，且围岩软硬分界明显，应小心对待，可根据岩层的走向、倾角等预测前方可能出现的断层破碎带。在实际凿岩作业中，若钻速突然加快，
6、岩浆有异常变化时，则肯定存在明显的软硬岩层分界面，应探明情况并及时采取相关措施。2、超前地质钻孔：对重点怀疑地段，采用89空心钻。根据岩芯和钻进过程中的岩粉、钻速和水质情况，判断前方水文、地质条件；取岩芯，并利用岩芯作式样进行试验，对钻进的地质状态进行判断；钻速测试，根据钻机在岩石中的钻进速度和岩石特性之间的关系来判断。另外比较先进的预测手段还包括地质雷达、TSP203地质超前预报系统等。4.4.4断层带的合理施工方法如前所述，对各种不同的情况，采取的施工方法也不尽相同，但基本的开挖支护原则是一致的。4.4.4.1施工原则 断层施工应遵循“短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的基本原则，其
7、施工方法立足于稳、准、快。稳，即稳扎稳打，步步为营，各工序间环环相扣，协调统一；准，即施工方法得当，安全优质；快，即速度快，保工期。1、短进尺：为减少爆破开挖对围岩的扰动及尽量控制坍塌方量，每次爆破开挖的进尺应控制在1.01.5米。2、弱爆破：当遇断层地段时，为防止塌方，应严格控制炮眼的数量、深度及装药量，尽量减少爆破对围岩的震动。当采用光面爆破时，周边眼间距应控制在30cm40cm，周边眼最小抵抗线控制在65cm70cm左右。 3、强支护：（1）开挖后对断层范围立即初喷一层砼，厚度58cm，及时封闭围岩面；（2）在断层临近范围沿径向施作系统锚杆，锚杆长度3.54.0m，间距0.50.8m，梅
8、花形布置；（3）铺挂双层钢筋网，间距2020cm，必要时在锚杆之间加焊22钢筋网；（4）架立型钢钢架（或格栅钢架），钢架间距0.51.0m；（5）复喷一层砼，厚度1015cm，喷射总厚度应保证1520cm；4、紧封闭：通过断层带的各施工工序之间的距离应尽量缩短，初期支护应尽量靠近掌子面，以减少岩层的暴露时间，并尽快使全断面衬砌封闭成环。 5、勤量测：施工过程中应加大监控观察力度，随时注意观察洞内围岩的受力及变形情况，检查支护结构是否发生了较大的变形，砼喷层有无剥落等。并加强对塌方地段的监控量测，及时处理现场量测数据，并将信息及时反馈到施工现场，必要时对支护参数作相应调整，以保证施工安全。4.4
9、.4.2开挖方法虽然采用传统的分部开挖法有较高的安全性，但其施工速度慢且多次爆破开挖对围岩扰动较大，因此不提倡采用。为了使用凿岩台车等高效率的施工机械，进一步提高隧道的施工速度，更主要的是为了能应用新奥法施工技术开挖和支护隧道，在软弱围岩及断层破碎带施工时，区别于传统的施工概念，通常要求尽量采用大断面方法施工。在不宜采用全断面开挖时，结合实际断层情况，应尽量采用半断面微台阶或上下断面顺序开挖法，采用减轻地震动控制爆破技术。1、半断面微台阶法1、开挖方法本方法适用于断层局部或大部分贯穿隧道拱部时，采用新奥法施工，具有足够的作业空间和较快的施工速度。开挖后及时进行锚喷支护，有利于断层破碎带的稳定和
10、下部的施工安全。微台阶法的上台阶超前35m，以满足新奥法施工工作平台的需要，而后拱部与洞身的下半部可同时爆破开挖，断面闭合较快。2、施工优点此法与传统的分部开挖法相比，具有以下优点：a）生产效率高，洞身上下同时爆破，作业空间广，可充分发挥大型机械施工的优势。b）减轻了对围岩的扰动次数和爆破产生的地震动强度。c）工序简单、干扰较少。超前的工作面主要是开挖和临时支护，后面的永久支护可与之平行作业。d）工作面施工条件大大改善，作业面宽敞，通风排水条件较好。e）最大限度的减少了围岩的暴露时间，为及时支护，及时封闭围岩，保护围岩自身的稳定创造了良好条件。f）降低了比装药量和比钻眼量，减少了炸药和雷管的总
11、消耗量，降低了工程的成本。2、上下断面顺序开挖法上下断面顺序开挖法，就是上半断面全部贯通断层带后，再进行下半断面的开挖和支护。该法适用于隧道穿过较大规模断层，且断层稳定性较差。该法常须结合上断面环形开挖法（留核心土）和下断面分部开挖法施工。断层破碎带的施工方法通常采用半断面微台阶法，但在破碎带岩石风化破碎程度严重以致几乎没有自稳能力的情况下，建议采用中留核心，周边先行环形爆破的方法，环形开挖后，即行临时支护，然后爆破开挖核心部分。环形开挖法的主要优点体现在：（1）第一次开挖量小，出碴时间短，有利于尽快进行初期支护；（2）核心部分可作为初期支护的施工平台，万一出现坍塌，也可作为工作平台，有利于塌
12、方处理；（3）核心部分能对掌子面起支撑作用，一般不会引起正面塌方；（4）周边的环形槽，在后续主体部分爆破时能起到较好的减震作用，有利于周边围岩的稳定。下断面施工采用分部开挖法，先行开挖中槽，再左右交错开挖马口，接下部钢架。施工应遵循“随挖、随接、随喷”的原则。分部多少视断层破碎稳定程度而定，可分两层进行施工。 3、微震爆破技术（1）施工原则断层破碎带与一般软弱岩体相比，最大的不同之处在于前者破碎，后者软弱。从单轴抗压强度来说，前者一般均高于后者；其次，前者的自稳能力相对来说要比后者强，虽然节理裂隙发育、岩体破碎，但互相嵌接的岩体有一定的自身承载能力。因此断层破碎带的爆破除常规的缩短循环进尺，控
13、制装药量外，关键是合理设计周边部位的钻眼、装药参数及装药结构，保证良好的成形，尽可能维护开挖轮廓线以外围岩的原始状态。其次应采用适宜的掏槽形式、钻爆参数及起爆顺序。因断层常有一定的自稳能力，如不过分扰动，及时进行初期支护，一般安全是不会有问题的。（2）技术措施1）综合控制爆破技术：拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破，核心采用控制爆破，掏槽采用抛掷爆破。2）炮眼布置：原则上应先布置掏槽眼、周边眼，然后是底板眼、内圈眼、二台眼，最后布置中间眼。通常内圈眼应比中间眼密一些，比周边眼稀一些，其间距为周边眼间距的1.5倍左右，抵抗线为间距的0.7倍左右。周边眼参数经验计算式：间距：E=（812）d （d
14、为炮眼直径），cm；抵抗线：W=（1.01.5）E，cm；装药集中度：q=0.040.19kg/m。3）爆破器材的选择：炸药应首选低爆速和专用光爆炸药。为避免震动强度的叠加作用，雷管最好跳段使用，特别是第15段的低段雷管。段间隔时差应控制在100ms左右。4）掏槽形式：从减小掏槽爆破的地震动强度出发，一般宜选用楔形掏槽，眼深稍大时，最好采用多重楔形掏槽、直眼分层掏槽并结合大直径中空眼。5）底板眼的爆破与起爆顺序：隧道爆破产生的地震动强度除掏槽最大外，其次是底板眼的爆破，所以应改变传统的习惯做法，将底板眼分成几个段分开起爆。4.4.5支护方法加强施工支护，提高整体稳定是隧道通过断层破碎带时，最基
15、本的施工要求。主要包括：加厚砼喷层厚度、加密加长锚杆、加强钢筋网、加密钢架间距，提高钢架强度和刚度等。1、喷锚网联合支护 喷射砼是使钢架、锚杆、钢筋网组成统一受力整体的关键工序，它可以在围岩表面形成很薄的半刚性衬砌，并在短时间内达到平衡，从而把围岩本身转变成一种有效的承重结构。喷射砼具有良好的抗爆破震动和抗冲切性能，可很好的防止坍塌的产生。为保证后续工序的施工安全，首先应对断层范围进行初喷砼施工，喷射厚度35cm，及时进行岩面封闭。之后对临近范围进行锚杆和钢筋网施工，锚杆直径22mm，单根长33.5m，呈梅花形布置，间距1.01.0m或适当加密；布设钢筋网片，网格间距2020cm，最好为双层，
16、并与锚杆焊接。当断层在拱部出露范围较小时，可考虑在断层两侧施作径向锚杆，在断层范围用22mm钢筋编网，并与锚杆焊接牢固，喷射砼之后形成临时支护。如图2。断层带锚杆钢筋网+喷射砼图2 拱顶断层带的支护处理2、钢架支护 钢架支护是通过断层破碎带时必不可少的措施之一。钢架支护可以加强初期支护，减少围岩变形，并为超前支护提供可靠的支点。钢架间距根据每循环开挖进尺而定，要求“随挖而立”，初喷后立即进行钢架架设。钢架应尽量与掌子面抵紧，并与围岩密贴，不给围岩松弛以机会；钢架间距视断层带破碎程度，一般控制在0.51.0m，纵向连接采用22螺纹钢筋或拉杆，环向间距0.51.0m，横向与系统锚杆焊接牢固，最后复
17、喷砼至与钢架表面齐平，使其与锚杆、钢筋网形成统一的受力整体。钢架类型应根据施工条件和围岩情况综合确定，对于承受围岩压力较大处，宜采用型钢钢架。推荐采用U型钢架，其连接方式是采用U型钢间一定长度搭接并用连接扣件压紧，根据开挖实际情况可适当调整搭接长度从而实现与围岩的密贴。当钢架背后与围岩间空隙较大时，应采用砼预制块或补喷砼填实。施工拱部钢架时，应加强锁脚锚杆的施工质量，必要时应设拱脚支撑。下半断面采用中部拉槽左右相错开挖马口的方法时，每次拉槽不得超过2榀钢架，采取开挖一榀支护一榀的方式，严禁一次开挖多榀使拱脚脱空。开挖完后及时接边墙段钢架，要求接头牢靠，底脚稳固。3、超前管棚施工由于断层破碎带开
18、挖后，围岩的自稳时间较短，当不能保证安全的完成初期支护时，就应该在开挖前对前方的岩层进行超前支护。没有超前支护，断层稳定性差时，就无法进行大断面开挖。断层破碎带施工时，常用的超前支护方法有超前管棚和超前小导管注浆。超前管棚宜选用较大直径的钢管制作，长度46m，钢管前端呈尖锥形，尾部焊上8mm钢筋劲箍，利用最靠近掌子面的两榀钢架作为支点，与洞轴线成1015度倾角打入拱部围岩，在拱顶形成棚架，以保证施工安全和稳定拱部围岩。管棚钢管横向间距3050cm，纵向间距一般不超过2m，视围岩破碎情况而定。管棚支护的横向宽度一般为拱顶线长的1/23/4，管棚在横向上交错布置，尾部与相连钢架焊接牢固，以保证整体
19、稳定性。4、超前小导管注浆 超前小导管注浆可对断层带破碎岩体起到良好的固结作用，当断层岩体达到一定的自承能力后，才能为后续掘进、支护创造条件。小导管单根长3.54.0m，拱部间距0.30.4m。注浆前上半断面掌子面采用喷射砼封闭，厚度1015cm，以免注浆时渗漏浆液。注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆或单液水泥浆。采用水泥、水玻璃双液浆，浆液加固效果较好，应优先选用，水泥浆浓度1.25:10.8:1，水泥浆与水玻璃体积比1:11:0.6。采用单液水泥浆时水泥浆水灰比分为1.5:1、1:1、0.8:1三个等级，浆液由稀到浓逐级变换，为了注浆后能尽快进行开挖，注浆宜用525#普通水泥或早强水泥，注浆终
20、压约为1.0MPa。小导管应在开挖轮廓上按设计位置及角度打入。钢管实际打入长度不得短于平均每根实际打入长度30cm，否则开挖一循环后应补管、注浆。注浆顺序环向应从两侧拱脚往拱顶先下后上进行。浆液凝固强度达80%以后方可进行开挖。单孔注浆量不得少于平均每孔注浆量的80%。注浆过程中应经常检查浆液质量，控制好浆液水灰比、注浆压力、注浆量并逐管填写注浆记录；对水灰比、注浆压力、注浆量、材料耗用量、异常情况及其处理等应详细记录，注浆完后要求检查注浆固结效果。注浆效果直接关系到下一步开挖施工的安全，因此应认真对待，必要时必须补管注浆。5、支护加固与注浆补强采用半断面开挖时，下半断面开挖前，必要时应对上半
21、断面初期支护背后进行注浆处理，填充初期支护背后可能出现的空隙，加强支护体系与围岩的整体性。注浆孔深12m，孔距11.5m，梅花形布置。开挖下半断面时，为防止拱顶出现下沉，必要时拱脚处应加设对口支撑。特别是当断层出现在侧部时，拱脚与边墙部分宜用42mm小导管注浆加固，小导管长5m，环向纵向间距1m，靠近钢架处的小导管应下插打入，并与钢架焊接，注浆后形成上部支护的拱座，又是下部边槽开挖的棚护，能有效防止拱顶下沉。见下图。拱脚管棚注浆钢支撑小导管 图3 拱脚管棚示意图6、局部坍塌处理及施工要点当施工不当造成断层破碎带局部坍塌时，总的施工原则不变，但应加强超前支护和初期支护的施工力度，并注意对塌空部位
22、及时封闭，及时回填。（1）回填可采用浆砌片石回填，但宜在塌空部位出现在侧部时采用。拱部塌空时，为保证良好的成拱作用，宜用泵送砼回填。（2）施工中若遇到较大的涌水，应按照“治坍先治水”的原则，埋挂引水管路，将水流集中引排，防止漫流而引起坍方加剧。（3）断层施工中应注意施工安全，初喷砼前，对断层部位的危石应先予以清除。（4）对于坍塌已处理的部位，要全面钻孔检测注浆砼的密实度和厚度，对有空洞的地方，在不影响掌子面施工的前提下要进一步注浆或泵送砼。（5）钢架立好后一定要经检查合格后才能复喷砼。如坍塌部位出现在侧部，应加强墙脚以上2米范围内的喷射砼厚度。（6）断层带在不影响掌子面施工的前提下应及早进行仰拱施工，使支撑体系形成封闭环，增大结构的承压能力。（7）断层规模和危险性较达时，应及时对断层地段整体作好二次衬砌，以保证施工安全。