北碚隧道断层及岩溶段施工技术
王渝培
北碚隧道系国道212线重庆至合川高速公路上的特长隧道，位于重庆市沙坪坝区与北碚区交界处，双洞分离布置，洞轴线间距35m，左洞长4025m，右洞长4045m，该隧道已于2001年12月顺利贯通。
北碚隧道自背斜两翼向轴部依此穿越侏罗系中统新田沟组（J2X），侏罗系中下统自流井组（J1-2Z），侏罗系下统珍珠冲组（J1Z），三叠系上统须家河组（T3Xj），三叠系中统雷口坡组（T2L），三叠系下统嘉陵江组(T1j)，三叠系下统飞仙关组(T1f)，二叠系中统长兴组(P2C)和龙潭组(P2L)地层，背斜西翼嘉陵江组和雷口坡组地层将出现大田湾逆断层，隧道通过雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组灰岩时，会遇道突发性涌水及岩溶，可能会引起地下水位下降。针对该隧道所遇断层及岩熔的具体特征，以新奥法为依托，加强地质预报、预测，采用预加固（管棚，小管棚注浆加固）预封闭（局部及全面堵水注浆），预排放（钻孔排水）等措施和合理的开挖方法、稳妥的支护手段，保证了隧道施工安全，实现了隧道新奥法施工快速掘进。
1 断层破碎带
1.1 断层特征
原狮子门逆断层地表断于大田湾嘉陵江组二段（T1J2）白云岩与雷口坡组（T2L）白云岩之间，缺失嘉陵江组三段（T1J3）和四段（T1J4），断距200米，破碎带宽20米，产状105°～120°∠75°～85°，地貌呈一狭长沟谷（槽谷）；通过隧道里程K21＋688，破碎带宽8～15m，为高角度逆断层。
在隧道掘进过程中，从K21+728～21+442范围内先后出现了多条断层，即是说：原来的单一断层变成了复合断层，向扫帚一样由地表向下撒开，改变了原隧道内地层组合，原飞仙关组三段灰岩（T1f3，Ⅴ类围岩）、四段泥岩（T1f4，Ⅳ类）缺失，由嘉陵江组一段灰岩（T1j1）由三段灰岩（T1j3）代替，并形成宽286米（K21＋728～K21＋442）的破碎带，大大降低了围岩稳定性，其破碎程度又受复合断层内断层或次级断层制约，出现了破碎带中的破碎带，加大了施工难度，好在为枯水季节施工，断层水量不大。
1.2 预注浆加固围岩
采用超前小导管预注浆，快速止水加固四周围岩（见图示），在开挖面沿拱墙按环向间距0.25～0.5米（根据地质情况确定间距），孔深5.0m，外插角15°钻孔，采用外径Φ42MM，壁厚4MM的热轧无缝钢管加工制成，长5.0米，钢管前端加工成锥形，尾部焊接Φ6钢筋加劲箍，管壁四周钻四排Φ6压浆孔，超前小导管注浆设不小于己于1.0米的的搭接长度，浆液采用水泥——水玻璃浆，水灰比0.5:1～1:1，水泥采用425号水泥，水玻璃波美度为40，模数为2.4，（水泥水玻璃参数根据现场注浆效果进行调整，纯水泥浆的基本性能、单液水泥浆基本性能、水泥速凝早强剂对初、终及抗压强度的影响、水泥浆（加4.5%水玻璃）现场配制表见后），注浆压力0.5~1.0Mpa）。选用KBY50/120双液注浆泵。浆液配制先经试验室测定配比及凝胶时间。注浆完成后采用胶泥（40Be水玻璃拌合425水泥）将导管周围封堵。浆液扩散半径按下式计算：
RK=（0.6～0.7）L0
式中：L0——导管之间中心距离
单根导管的注浆量：
Q1=ΠRk2Lη
式中：Rk——浆液扩散半径
L——导管长度
η——岩体空隙率
纯水泥浆的基本性能
|
水灰比
（重量 比） |
粘度
（×10-3Pa·S |
密度
（g/cm3） |
凝胶时间 |
结
石
率
（%） |
抗压强度（0.1M Pa） |
|
|
|
初凝 |
终凝 |
3d |
7d |
14d |
28d |
|
0.5:1 |
139 |
1.86 |
7h41min |
12h36min |
99 |
41.4 |
64.6 |
153.0 |
220.0 |
|
0.75:1 |
33 |
1.62 |
10h47min |
20h33min |
97 |
24.3 |
26.0 |
55.4 |
112.7 |
|
1:1 |
18 |
1.49 |
14h56min |
24h27min |
85 |
20.0 |
24.0 |
24.2 |
89.0 |
|
1.5:1 |
17 |
1.37 |
16hmin |
34h47min |
67 |
20.4 |
23.3 |
17.8 |
22.2 |
|
2:1 |
16 |
1.30 |
17h7min |
48h15min |
56 |
16.6 |
25.6 |
21.0 |
28.0 |
注：1.采用普通硅酸盐水泥: 2.各种测定数据均采取平均值。
单液水泥浆基本性能
|
水灰比 |
附 加 剂 |
初凝时间 |
终凝时间 |
抗压强度（0.1Mpa） |
|
名称 |
用量（％） |
1d |
2d |
7d |
28d |
|
1：1
1：1
1：1
1：1 |
0
水玻璃
氯化钙
氯化钙 |
0
3
2
3 |
14h15min
7h20min
7h10min
6h50min |
25h00min
14h30min
15h04min
13h08min |
8
10
10
11 |
16
18
19
20 |
59
55
61
65 |
92
－
95
98 |
水泥速凝早强剂对初、终凝及抗压强度的影响
|
水灰比 |
附 加 剂 |
初凝
时间 |
终凝
时间 |
抗压强度（0.1Mpa） |
|
名 称 |
用量（％） |
1d |
2d |
7d |
14d |
14d |
|
1：1
1：1 |
0
水玻璃 |
0
3 |
14h15min
7h20min |
25h00min
14h30min |
8
10 |
16
18 |
59
55 |
―
― |
92
－ |
|
1：1
|
三乙醇胺
氯化钠 |
0.05
0.5 |
6h45min |
12h38min |
24 |
39 |
72 |
130 |
143 |
|
1：1 |
三乙醇胺
氯化钠 |
0.1
1.0 |
7h23min |
12h58min |
23 |
46 |
98 |
126 |
152 |
|
1：1 |
三异丙醇按氯化钠 |
0.05
0.5 |
11h03min |
18h22min |
14 |
27 |
74 |
77 |
120 |
|
1：1 |
三异丙醇按氯化钠 |
0.1
1.0 |
9h36min |
14h12min |
18 |
35 |
82 |
75 |
131 |
|
1：1 |
二水石膏
氯化钙 |
1.0
2.0 |
7h15min |
14h15min |
18 |
28 |
56 |
－ |
89 |
超前小导管施工完成后将导管尾部焊接于20B工字型钢拱上，采用上下断面、中槽、马口开挖，光面爆破，眼深1.0米，周边眼间距0.3米，周边眼最小抵抗线0.4米，周边眼装药集中度0.8kg/m，采用Φ22钢筋药卷垫板锚杆，间距0.8米×0.8米，锚杆长3.5米, Φ6.5钢筋网,间距0.2×0.2米， 20B工字型钢拱每0.5米一榀，喷C20混凝土厚20CM进行初期支护。开挖下一循环时留下1.0米～2.0米长度的止浆墙。小导管注浆流程见图1。
水泥浆（加4.5％水玻璃）现场配制表
|
水灰比 |
水泥（袋） |
40°Be′水
玻璃（桶） |
水（L） |
制成浆量（m3） |
备 注 |
|
0.5：1
0.6：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
2：1 |
24
22
19
15
13
11
9 |
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1 |
563
630
682
727
790
810
885 |
1.000
1.026
1.029
1.000
1.029
1.008
1.005 |
1.水泥每袋50㎏；
2.水玻璃每桶15L；
3.水泥浆加入水玻璃后有变浊现象，影响可注性。
|
是 是
否 否
图1小导管注浆流程图
根据监测情况分析，该段拱顶下沉值累计最大值为12MM，5～10天可达下沉量的70%～80%，一般在开挖后一个月内趋于稳定，洞内收敛值累计最大值为12MM，5～10天可达收敛量的80%，一般在开挖后一个月内趋于稳定。
2 岩溶施工
断层破碎带YK21+657～+651，YK21+626～+613灰岩中见小规模溶洞。
溶洞处理结构措施见图示。溶洞在进行锚喷支护前先清除溶洞内填充物，溶洞壁采
用Φ22钢筋药卷垫板锚杆，间距1.0米×1.0米，锚杆长3.5米, Φ6.5钢筋网,间距0.2×0.2米，喷C20混凝土厚15CM进行初期支护，7.5号浆砌片石护拱不小于1.0米，钢筋拱采用两根Φ22钢筋焊接而成，并与锚杆焊接，钢筋间距50CM，布置范围为隧道纵向溶洞前后3～5米，溶洞内的水采用以排为主，堵排结合，排水采用盲沟将溶洞水引入隧道边沟排出，盲沟用片石码砌，堵水采用注浆。
3 堵水施工
隧道通过三叠系中统雷口坡组、三叠系下统嘉陵江组、三叠系下统飞仙关组的灰岩时将出现涌水，雷口坡组、嘉陵江组隧道涌水量2000m3 /日左右，施工导坑涌水量可达4000m3 /日左右，飞仙关组隧道涌水量2000m3 /日左右，施工导坑涌水量可达4000m3 /日左右，如此大的涌水量，一旦处理不及时、不成功，必定给施工造成巨大的损失。为此我们进行了精心的部署，制定了相应的施工方案。
超前探水钻孔探测（也可采用物探、电磁波、超声波、雷达等进行探测）：采用80型钻机钻直径Ф55mm探孔，钻孔深度为每循环≮7.5m沿开挖面拱弧布置孔7个,间距4.9m，外偏角10°，每段开挖5m，保留2.5m厚度以备下一循环开挖探水。探孔口应进行加固，设套管安装水阀，控制放水和有序地预先释放前方的高承压水。钻孔时如发现水声，空气变冷，顶板及底板等流水加大时应立即停钻，监视。探水孔逐孔编号，并详细记录出水点位置、水量、水压及围岩破碎状况等，以便及时采取相应措施。
根据探测结果主要采用局部或全断面超前注浆堵水措施，以防止洞区内地下水枯竭危及生态。
3.1若超前探水孔总出水量小于10m3/h，个别孔出水>2m3/h时
采用局部堵水；注浆范围为：在出水通道范围内，隧道开挖轮廓线以外5～6米，单孔注浆有效扩散半径R=3.6米，注浆最终压力为净水压力的2～3倍，注浆采用水泥—水玻璃双液注浆，水泥为425号普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水玻璃玻美度30～40Be，双液体积比C/S=0.7～1.4，凝胶时间由现场确定。注浆后，总出水小于2 m3/h时，且一处出水量小于0.6 m3/h时，停止注浆。
3.2 若超前探水孔2/3孔出水，且总水量>10m3/h时采用全面堵水
注浆范围为隧道开挖半径的两倍，单孔注浆有效扩散半径R=3.6米，注浆孔底中心距D=1.5米，R=5.4米，注浆最终压力为净水压力的2～3倍，岩层破碎地段采用前进式注浆，注浆小分段长度为5~10m，涌水不大时采用全程（全孔）注浆。注浆堵水每循环钻孔深度为20~30m，注浆时设置注浆孔口管，在开挖时予留5～10米做止浆盘墙。注浆采用水泥—水玻璃双液注浆，水泥为425号普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水玻璃玻至浆液不能流动为止的时间，它与水泥的品种、水泥浆浓度、水泥浆与水玻璃体积比和浆液温度等有关：
4
凝胶时间（min） 3 矿渣硅酸盐水泥
2
1 普通硅酸盐水泥
0.5 1.0 1.5 2.0
水灰比
水泥品种对凝胶时间的影响
水玻璃35°Be′；C：S＝1：1（体积比）；温度24℃
水泥浆浓度对水泥－玻璃浆液凝胶时间的影响
|
水灰比 |
凝胶时间 |
说明 |
|
35°Be′ |
40°Be′ |
45°Be′ |
|
1.5：1
1.25：1
1：1
0.75：1
0.5：1
|
2minOs
1min31s
1min18s
0min58s
0min55s |
2min55s
2min21s
1min51s
1min38s
1min4s |
3min44s
3min17s
2min30s
2min18s
1min41s |
普通425号硅酸盐水泥，水泥浆与水玻璃体积比为1 |
80
水灰比1：1
凝胶时间（s） 60
水灰比0.8：1
40
水灰比0.6：1
20
0 30 35 40 45
Be′
水玻璃浓度对凝胶时间的影响
C：S＝1：0.6（体积比）；温度23℃；普通硅酸盐水泥
水泥浆与水玻璃体积比对水泥－水玻璃浆液凝胶时间的影响
|
C：S |
凝 胶 时 间 |
|
30°Be′ |
35°Be′ |
40°Be′ |
45°Be′ |
|
1：0.3
1：0.35
1：0.4
1：0.45
1：0.5
1：0.55
1：0.6
1：0.7
1：0.8 |
0min20s
0min22.7s
0min24.4s
0min27.6s
0min29.9S
0min30.6s
0min35.9s
0min50.9s |
0min20.5s
0min21s
0min24.5s
0min27.5s
0min29.2s
0min32s
0min37.5s
0min41.2s
0min56.4s |
0min22s
0min24.5s
0min29.8s
0min31s
0min34s
0min36.9s
0min41.5s
0min48.1s
1min8s |
0min25.5s
0min28.3s
0min31.6s
0min34.5s
0min42.4s
0min45s
0min48.4s
0min56.7s
1min17s |
注：试验条件：室温23℃，水泥为普通硅酸盐水；水泥浆水灰比为0.6：1。
80
凝胶时间（s） 60
40
20
0 30 35 40 45
温度（℃）
温度对凝胶时间的影响
水灰比0.75：1；水玻璃30°Be′；C：S＝1：1（体积比）；普通硅酸盐水泥
水泥—水玻璃浆液结石体抗压强度较高，特别是早期强度较高，并且增长速度很快，抗压强度与水泥浆的浓度、水玻璃的浓度、水泥浆与水玻璃体积比有关：
水泥浆浓度对水泥－水玻璃液结石体抗压强度的影响
|
水玻璃浓度
（°Be′） |
水泥浆浓度
（水灰比） |
水泥浆与
水玻璃体积比 |
抗压强度（0.1Mpa） |
|
7d |
14d |
28d |
|
40
40
40
40
40 |
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1 |
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1 |
204
116
44
9
5 |
244
177
106
44
9 |
248
185
113
90
23 |
水玻璃浓度对水泥－水玻璃浆液结石体抗压强度的影响
|
水玻璃浓度
（°Be′） |
水泥浆浓度
（水灰比） |
水泥浆与
水玻璃体积比 |
抗压强度（0.1Mpa） |
|
7d |
14d |
28d |
|
35
35
35
35
35
40
40
40
40
40
45
45
45
45
45 |
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1 |
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1 |
174
144
73
32
12
204
110
44
9
5
245
82
29
5
3 |
200
132
85
40
20
244
177
106
44
9
250
169
69
26
6 |
202
148
104
58
28
248
185
113
90
23
253
192
113
58
8 |
水泥浆与水玻璃体积比对抗压强度的影响
|
水玻璃浓度
（°Be′） |
水泥浆浓度
（水灰比） |
水泥浆与水玻璃
体 积 比 |
28d抗压强度
（0.1Mpa） |
|
40
40
40
40
40 |
0.6：1
0.6：1
0.6：1
0.6：1
0.6：1 |
1：0.3
1：0.4
1：0.5
1：0.6
1：0.8 |
156
224
235
220
172 |
|
40
40
40
40
40 |
0.8：1
0.8：1
0.8：1
0.8：1
0.8：1 |
1：0.3
1：0.4
1：0.5
1：0.6
1：0.8 |
135
143
168
180
130 |
|
40
40
40
40
40 |
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1 |
1：0.3
1：0.4
1：0.5
1：0.6
1：0.8 |
99
119
179
130
110 |
注：1.普通硅盐水泥；2.试验温度为23℃；3.试块在室温水中养护。
水泥—水玻璃浆液的配制时应注意加料顺序和搅拌及放置时间。加料顺序为：水——缓凝剂溶液——水泥，搅拌时间不少于5min，放置时间不超过3min。
放置时间对缓凝效果的影响
|
水玻璃浓度
（°Be′） |
水 泥 浆
（水灰比） |
水泥浆与水玻璃
体 积 比 |
浆液放置时间
（min） |
凝胶时间 |
|
40
40
40
40 |
1：1
1：1
1：1
1：1 |
1：1
1：1
1：1
1：1 |
15
30
60
90 |
13min48s
12min20s
8min0s
6min13s |
搅拌时间对缓凝效果的影响
|
水玻璃浓度
（°Be′） |
水 泥 浆
（水灰比） |
磷酸氢二钠用量
（％） |
凝胶时间 |
|
搅拌30s |
搅拌5min |
|
40
40
40
40
40
40
40
40 |
0.75:1
0.75:1
0.75:1
0.75:1
1:1
1:1
1:1
1:1 |
0
2
2.25
2.5
0
2
2.25
2.5 |
1min28s
6min36s
9min0s
10min53s
2min0s
4min08s
8min01s
13min25s |
1min30s
9min41s
13min39s
18min27s
2min8s
5min35s
12min3s
29min15s |
若出现大量涌水无法堵截水时，应采取堵、排结合措施。排水通过侧沟（应临时铺砌）或管道排放。隧道底板水沟应与衬砌紧跟，并形成系统排水，严禁全洞漫流或任意排放。并可采取：
(1) 井点降水：于开挖面以下设置，采用真空泵及钻孔埋管（花管）将地下水抽出，一般一层井点能降低3~6m。
(2) 开挖截、排水坑道及平洞：在最低层或最大含水层设置，并和抽水系统连通，可排除各层地下水。
通过以上封堵、排、截等综合措施可排除涌水及突发的地下水。采取治水措施后，可按照隧道相应类别围岩进行开挖、支护、衬砌。
水玻璃、硅氟酸用量对凝胶时间的影响
|
水玻璃浓度
（°Be′） |
水玻璃用量
（mL） |
硅氟酸用量
（mL） |
水 用 量
（mL） |
凝胶时间 |
|
40 |
100
80
70
60
100
80
70
60
100
80
70
60 |
20
20
20
20
15
15
15
15
10
10
10
10 |
30
30
30
30
35
35
35
35
40
40
40
40 |
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