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【摘 要】 引水隧道通过破碎断层带施工中采用超前预注浆加固以及超前支护技术，本文通过对预注浆加固以及锚杆支护进行方案比选，详细说明超前加固支护施工的具体步骤及施工注意事项。采用该方法后隧道施工安全快速通过破碎带，为类似工程提供经验借鉴。
【关键词】 隧道;断层破碎带;超前预注浆;锚杆支护
引言：
为有效解决某市建设发展随之增长的人口用水问题，某县实施了引水延伸改建工程。本引水延伸改建工程总体分延伸工程和改造工程两部分，其中从取水口至水厂的延伸工程采用管道和隧洞结合方案。引水隧洞断面为2.5m×2.5m，为直墙无仰拱的马蹄形内轮廓型式，隧道开挖断面为3.32×3.32m，隧洞总长约8000m，共分四处。1#隧洞长约3000米，隧洞水力坡度为-0.05%;2#隧洞长约3000米，隧洞水力坡度为-0.051%;3#隧洞长约100米，隧洞水力坡度为-0.052%;4#隧洞长约2000米，隧洞水力坡度为-0.18%。
根据地质勘察报告，全线隧道围岩共分三类，即Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，对于不同围岩级别、周边环境选择相应工法进行施工，施工严格按照“先探测、管超前、严控水、强支护、弱爆破、早衬砌”的原则组织。由于本工程2#隧洞分布共5条断层破碎带，过断层破碎带施工隧洞时，由于破碎带内岩体挤压破碎，局部泥化，节理发育，岩体破碎，断层带内渗水量较大，施工开挖时可能会出现围岩洞顶坍塌、沿断层带产生渗水情况，给整个工程施工带来了很大的难题。为了保证施工安全及进度，隧洞断层带处采用全断面超前预注浆加固以及4.5m，长φ35自进式超前注浆锚杆超前支护。
一、全断面超前预注浆
（一）注浆设计
在本次引水隧洞施工前，先进行了超前探孔，根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合工程实际情况，针对隧洞内出现的裂隙水，经过反复研究，制订“以堵为主”的施工原则，采用了“注浆堵水，封堵裂隙水，加固破碎地带”的施工方案。根据隧洞破碎带段工程及水文地质，选用“全断面超前预注浆”加固断层及堵水措施。
全断面超前预注浆设计采用3m加固圈，注浆孔总数15个（根据现场实际），每循环注浆长度设计20m。在开挖工作面施作C20混凝土止浆墙，止浆墙厚度为3m。采用前进式分段注浆进行钻孔注浆方式，第一段12m，第二段8m。当达到设计强度70%的止浆墙混凝土强度，超前预注浆施工即可进行，开挖20m在每一个循环注浆完成后，预留6m作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。注浆设计如上图1所示。
图1 正洞全断面超前注浆设计图（单位：cm）
（二）注浆参数
表1 超前全断面预注浆参数表
参数名称 参数值
注浆加固范围 开挖面开挖轮廓线外3m
纵向加固段长度 20m
浆液扩散半径 R=2.0m
注浆速度 10～100L/min
注浆终压 3～4MPa
注浆分段长 1～5m
注浆孔数量 15个（一个断面，根據现场实际）
（三）注浆材料
注浆材料主要采用普通水泥-水玻璃双液浆、普通水泥单液浆进行注浆堵水施工，必要时辅以硫铝酸盐水泥浆等特殊浆材。注浆材料配比如表2所示，可根据现场情况适当调整。
表2 注浆材料配比表
浆液名称 原材料
浆液配比
普通水泥单液浆 P.O42.5普通硅酸盐水泥 水灰比W：C=0.6：1～1：1
普通水泥-水玻璃双液浆 P.O42.5普通硅酸盐水泥
35Be′以上水玻璃 水灰比W：C=0.6：1～1：1
水玻璃浓度30～35Be′
水泥浆、水玻璃体积比C：S=1：0.3～1：1
硫铝酸盐水泥浆 HSC或TGRM或其它 水灰比W：C=0.6：1～1：1
（四）注浆施工工艺
（1）注浆孔施工采用MKD-5S型钻机成孔，开孔直径φ115mm，终孔直径φ75mm。
（2）为防止钻进过程中突发涌水，注浆开始之前安装好孔口管。孔口管采用内径108mm无缝钢管加工，长度1.5m，孔口外露20～30cm，前端焊接法兰盘。在孔口管安设好后应安设和孔口管配套的高压闸阀。
（3）注浆孔自掌子面沿开挖方向以隧道中轴线为中心呈伞形辐射状布置，注浆孔间距小于1.0m，布置原则使各注浆孔扩散半径范围相互重叠，以避免出现“盲区”，造成隧道的用水和塌方，浆液扩散半径2m。
（4）超前预注浆采用前进式分段注浆工艺，分二段实施，钻一段，注一段，第一段12m，第二段8m，断面拱布置15个钻孔（根据现场实际），每个注浆段循环完成后预留6m不开挖作为后期注浆段的注浆岩盘。清孔钻进后再注浆，如此往复循环，直至终孔。随时遇涌水或因岩层破碎在钻进过程中，造成卡钻时，应停止立即注浆钻进，扫孔后再进行钻进。
（5）注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则（Ⅰ序孔采取跳孔，Ⅱ序孔采取间隔跳孔，Ⅲ序孔为余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。全断面超前预注浆施工工艺流程如图2所示。
二、隧道断层破碎带超前支护技术
（一）超前支护措施
结合设计，根据隧道工程地质条件，实施了对断层破碎带钢格栅拱架超前支护措施，沿整个断面等分为三段，钢格栅拱架为圆形，在三角形200mm@200mm@10mm钢板上每段两端焊接，以螺栓连接两钢板，其中螺母型号为AM20，螺栓型号为M20，钢格栅拱架沿洞轴向间距110m-榀，钢格栅拱架超前支护详图见图3。锚杆根据设计要求，采用迈式注浆钻进锚杆，如图4（a）。 图3 钢拱架超前支护详图（单位：cm）
（二）选择锚杆支护施工方案
根据图4（a），隧道施工锚杆设计采用迈式注浆钻进锚杆，结合长期使用系统砂浆锚杆的经验，要比设计方案优越，从工程地质条件和经济角度两方面对迈式注浆钻进锚杆和系统砂浆锚杆（见图4b）进行了对比。
图4 两种锚杆支护比较图
1、从地质条件分析
迈式锚杆施工复杂，施工时要安装钻头和垫板及螺母，在断层破碎带施工时，速度往往很关键，施工时来不及将钢筋钻进，就已经发生了坍塌或掉块，施工速度相对较慢，且在危岩下操作，施工人员安全受到威胁。系统砂浆锚杆施工简单，其施工程序为：钻孔）清孔）注浆）钻入钢筋。施工时，浆液是由小浪底水利枢纽工程原料生产基地生产的砂浆成品，筒状，长20cm，浸水泡3～5min即软化，可直接注入钻孔，简单方便。施工速度快，能及时阻止掉块或局部坍塌。
2、强度要求
按设计要求，迈式注浆锚杆的加固强度应达到6MPa，为了验证系统砂浆锚杆在施工中的可行性，在施工前通过洞口对系统砂浆锚杆进行拉拔试验（非破坏性），结果表明，其拉拔力能达到6～10MPa（非破坏性），在施工初期，根据设计要求，每施工一定数量的锚杆就进行一组拉拔试验（随机抽取3根，非破坏性），其结果都在6MPa以上（非破坏性），试验结果表明，采用系统砂浆锚杆完全符合设计要求。
因此，通过上述分析比较，在整个断层破碎带钢格、栅超前支护及隧道其它部位锚杆支护形式都采用了系统砂浆锚杆进行施工。
对隧道断层破碎带通过采用钢格栅拱架超前支护措施，使得整个隧道的临时支护、开挖任务得以快速、安全地完成，提前一个月按设计要求完成隧道临时支护和开挖工作;为建设单位节约了大笔资金，采用系统砂浆锚杆，该技术实践证明具有很好的推廣价值，已被很多隧道工程采用。
三、注浆效果检查评定
注浆结束后，应对注浆效果进行检查。满足设计要求方可恢复开挖，否则应进行补充注浆。注浆效果检查采用P-Q-t曲线检查法和钻孔检查法。
（一）检查孔法
检查孔选择注浆进行钻孔检查可能出现的薄弱环节。按注浆孔总数的10%检查孔数量，且深度小于注浆段长2～3m，总数不少于3个。检查孔不塌孔，无裂隙充填物涌出，涌水量小于0.2L/min。必要时检查孔取芯检查，以判断浆液的固结情况和注浆效果。
（二）P-Q-t曲线法
对注浆施工中进行P-t，Q-t曲线绘制通过所记录的注浆压力P、注浆速度Q，根据注浆机制、地质特征、注浆参数、设备性能等进行分析P-Q-t曲线，从而对注浆效果进行评判。
四、结束语
通过运用超前注浆以及超前支护的方案，能够满足工程的施工要求，对断层破碎带的加固效果非常良好，确保了引水隧道的施工质量。
参考文献：
[1]王乾，曲立清，郭洪雨，王全胜.青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术[J].岩石力学与工程学报，2011，04：790-802.
[2]王鹏.乌鞘岭隧道涌水原因分析及处治措施研究[D].长安大学，2012.
[3]汪磊.胶州湾海底隧道预注浆加固不良地质段的稳定性分析[D].北京交通大学，2009.
[4]张民庆，殷怀连.宜万铁路别岩槽隧道F3断层突发性涌水治理[J].铁道工程学报，2006（1）：67-69，78.
[5]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[K].北京：中国电力出版社，1999.
【关键词】 隧道;断层破碎带;超前预注浆;锚杆支护
引言：
为有效解决某市建设发展随之增长的人口用水问题，某县实施了引水延伸改建工程。本引水延伸改建工程总体分延伸工程和改造工程两部分，其中从取水口至水厂的延伸工程采用管道和隧洞结合方案。引水隧洞断面为2.5m×2.5m，为直墙无仰拱的马蹄形内轮廓型式，隧道开挖断面为3.32×3.32m，隧洞总长约8000m，共分四处。1#隧洞长约3000米，隧洞水力坡度为-0.05%;2#隧洞长约3000米，隧洞水力坡度为-0.051%;3#隧洞长约100米，隧洞水力坡度为-0.052%;4#隧洞长约2000米，隧洞水力坡度为-0.18%。
根据地质勘察报告，全线隧道围岩共分三类，即Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，对于不同围岩级别、周边环境选择相应工法进行施工，施工严格按照“先探测、管超前、严控水、强支护、弱爆破、早衬砌”的原则组织。由于本工程2#隧洞分布共5条断层破碎带，过断层破碎带施工隧洞时，由于破碎带内岩体挤压破碎，局部泥化，节理发育，岩体破碎，断层带内渗水量较大，施工开挖时可能会出现围岩洞顶坍塌、沿断层带产生渗水情况，给整个工程施工带来了很大的难题。为了保证施工安全及进度，隧洞断层带处采用全断面超前预注浆加固以及4.5m，长φ35自进式超前注浆锚杆超前支护。
一、全断面超前预注浆
（一）注浆设计
在本次引水隧洞施工前，先进行了超前探孔，根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合工程实际情况，针对隧洞内出现的裂隙水，经过反复研究，制订“以堵为主”的施工原则，采用了“注浆堵水，封堵裂隙水，加固破碎地带”的施工方案。根据隧洞破碎带段工程及水文地质，选用“全断面超前预注浆”加固断层及堵水措施。
全断面超前预注浆设计采用3m加固圈，注浆孔总数15个（根据现场实际），每循环注浆长度设计20m。在开挖工作面施作C20混凝土止浆墙，止浆墙厚度为3m。采用前进式分段注浆进行钻孔注浆方式，第一段12m，第二段8m。当达到设计强度70%的止浆墙混凝土强度，超前预注浆施工即可进行，开挖20m在每一个循环注浆完成后，预留6m作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。注浆设计如上图1所示。
图1 正洞全断面超前注浆设计图（单位：cm）
（二）注浆参数
表1 超前全断面预注浆参数表
参数名称 参数值
注浆加固范围 开挖面开挖轮廓线外3m
纵向加固段长度 20m
浆液扩散半径 R=2.0m
注浆速度 10～100L/min
注浆终压 3～4MPa
注浆分段长 1～5m
注浆孔数量 15个（一个断面，根據现场实际）
（三）注浆材料
注浆材料主要采用普通水泥-水玻璃双液浆、普通水泥单液浆进行注浆堵水施工，必要时辅以硫铝酸盐水泥浆等特殊浆材。注浆材料配比如表2所示，可根据现场情况适当调整。
表2 注浆材料配比表
浆液名称 原材料
浆液配比
普通水泥单液浆 P.O42.5普通硅酸盐水泥 水灰比W：C=0.6：1～1：1
普通水泥-水玻璃双液浆 P.O42.5普通硅酸盐水泥
35Be′以上水玻璃 水灰比W：C=0.6：1～1：1
水玻璃浓度30～35Be′
水泥浆、水玻璃体积比C：S=1：0.3～1：1
硫铝酸盐水泥浆 HSC或TGRM或其它 水灰比W：C=0.6：1～1：1
（四）注浆施工工艺
（1）注浆孔施工采用MKD-5S型钻机成孔，开孔直径φ115mm，终孔直径φ75mm。
（2）为防止钻进过程中突发涌水，注浆开始之前安装好孔口管。孔口管采用内径108mm无缝钢管加工，长度1.5m，孔口外露20～30cm，前端焊接法兰盘。在孔口管安设好后应安设和孔口管配套的高压闸阀。
（3）注浆孔自掌子面沿开挖方向以隧道中轴线为中心呈伞形辐射状布置，注浆孔间距小于1.0m，布置原则使各注浆孔扩散半径范围相互重叠，以避免出现“盲区”，造成隧道的用水和塌方，浆液扩散半径2m。
（4）超前预注浆采用前进式分段注浆工艺，分二段实施，钻一段，注一段，第一段12m，第二段8m，断面拱布置15个钻孔（根据现场实际），每个注浆段循环完成后预留6m不开挖作为后期注浆段的注浆岩盘。清孔钻进后再注浆，如此往复循环，直至终孔。随时遇涌水或因岩层破碎在钻进过程中，造成卡钻时，应停止立即注浆钻进，扫孔后再进行钻进。
（5）注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则（Ⅰ序孔采取跳孔，Ⅱ序孔采取间隔跳孔，Ⅲ序孔为余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。全断面超前预注浆施工工艺流程如图2所示。
二、隧道断层破碎带超前支护技术
（一）超前支护措施
结合设计，根据隧道工程地质条件，实施了对断层破碎带钢格栅拱架超前支护措施，沿整个断面等分为三段，钢格栅拱架为圆形，在三角形200mm@200mm@10mm钢板上每段两端焊接，以螺栓连接两钢板，其中螺母型号为AM20，螺栓型号为M20，钢格栅拱架沿洞轴向间距110m-榀，钢格栅拱架超前支护详图见图3。锚杆根据设计要求，采用迈式注浆钻进锚杆，如图4（a）。 图3 钢拱架超前支护详图（单位：cm）
（二）选择锚杆支护施工方案
根据图4（a），隧道施工锚杆设计采用迈式注浆钻进锚杆，结合长期使用系统砂浆锚杆的经验，要比设计方案优越，从工程地质条件和经济角度两方面对迈式注浆钻进锚杆和系统砂浆锚杆（见图4b）进行了对比。
图4 两种锚杆支护比较图
1、从地质条件分析
迈式锚杆施工复杂，施工时要安装钻头和垫板及螺母，在断层破碎带施工时，速度往往很关键，施工时来不及将钢筋钻进，就已经发生了坍塌或掉块，施工速度相对较慢，且在危岩下操作，施工人员安全受到威胁。系统砂浆锚杆施工简单，其施工程序为：钻孔）清孔）注浆）钻入钢筋。施工时，浆液是由小浪底水利枢纽工程原料生产基地生产的砂浆成品，筒状，长20cm，浸水泡3～5min即软化，可直接注入钻孔，简单方便。施工速度快，能及时阻止掉块或局部坍塌。
2、强度要求
按设计要求，迈式注浆锚杆的加固强度应达到6MPa，为了验证系统砂浆锚杆在施工中的可行性，在施工前通过洞口对系统砂浆锚杆进行拉拔试验（非破坏性），结果表明，其拉拔力能达到6～10MPa（非破坏性），在施工初期，根据设计要求，每施工一定数量的锚杆就进行一组拉拔试验（随机抽取3根，非破坏性），其结果都在6MPa以上（非破坏性），试验结果表明，采用系统砂浆锚杆完全符合设计要求。
因此，通过上述分析比较，在整个断层破碎带钢格、栅超前支护及隧道其它部位锚杆支护形式都采用了系统砂浆锚杆进行施工。
对隧道断层破碎带通过采用钢格栅拱架超前支护措施，使得整个隧道的临时支护、开挖任务得以快速、安全地完成，提前一个月按设计要求完成隧道临时支护和开挖工作;为建设单位节约了大笔资金，采用系统砂浆锚杆，该技术实践证明具有很好的推廣价值，已被很多隧道工程采用。
三、注浆效果检查评定
注浆结束后，应对注浆效果进行检查。满足设计要求方可恢复开挖，否则应进行补充注浆。注浆效果检查采用P-Q-t曲线检查法和钻孔检查法。
（一）检查孔法
检查孔选择注浆进行钻孔检查可能出现的薄弱环节。按注浆孔总数的10%检查孔数量，且深度小于注浆段长2～3m，总数不少于3个。检查孔不塌孔，无裂隙充填物涌出，涌水量小于0.2L/min。必要时检查孔取芯检查，以判断浆液的固结情况和注浆效果。
（二）P-Q-t曲线法
对注浆施工中进行P-t，Q-t曲线绘制通过所记录的注浆压力P、注浆速度Q，根据注浆机制、地质特征、注浆参数、设备性能等进行分析P-Q-t曲线，从而对注浆效果进行评判。
四、结束语
通过运用超前注浆以及超前支护的方案，能够满足工程的施工要求，对断层破碎带的加固效果非常良好，确保了引水隧道的施工质量。
参考文献：
[1]王乾，曲立清，郭洪雨，王全胜.青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术[J].岩石力学与工程学报，2011，04：790-802.
[2]王鹏.乌鞘岭隧道涌水原因分析及处治措施研究[D].长安大学，2012.
[3]汪磊.胶州湾海底隧道预注浆加固不良地质段的稳定性分析[D].北京交通大学，2009.
[4]张民庆，殷怀连.宜万铁路别岩槽隧道F3断层突发性涌水治理[J].铁道工程学报，2006（1）：67-69，78.
[5]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[K].北京：中国电力出版社，1999.