斷層條件下的隧道預支護設(shè)計與施工

謝達文，彭 峰，單紅雨

(北京中鐵瑞威基礎(chǔ)工程有限公司，北京 100055)

斷層條件下的隧道預支護設(shè)計與施工

謝達文，彭 峰，單紅雨

(北京中鐵瑞威基礎(chǔ)工程有限公司，北京 100055)

齊岳山隧道穿越F11斷層。此斷層規(guī)模宏大，斷層帶導水，核心帶巖體破碎，富含高壓水，其主要工程地質(zhì)問題是巖溶富水、突水突泥，高壓裂隙水等，施工難度極大。其中，進口處為反坡施工，施工難度和安全風險尤為突出。為確保順利通過，采取隧道超前預支護綜合措施，即通過實踐更新注漿設(shè)計理念，確定了斷層條件下的注漿設(shè)計及注漿參數(shù)，優(yōu)化了超前大管棚的支護措施，輔以開挖過程中的超前支護，最終實現(xiàn)了隧道的貫通，形成了無工作間管棚快速施工技術(shù)以及玻璃纖維錨桿穩(wěn)固掌子面技術(shù)等，為類似工程提供了借鑒。

F11斷層 隧道 預支護 注漿 超前大管棚

隨著國內(nèi)城市地鐵和鐵路隧道的修建，出現(xiàn)了復雜地質(zhì)和環(huán)境下的隧道，需要嚴格控制地表沉降和隧道中富水高壓等情況。普通的隧道修建工法已不適應(yīng)目前的隧道建設(shè)的發(fā)展，必須采取相關(guān)的輔助工法。隧道的超前預支護綜合手段顯得尤為重要。超前管棚支護、預注漿施工技術(shù)因具有成本低、見效快、施工簡便等優(yōu)點而獲得廣泛的應(yīng)用。然而，注漿技術(shù)中仍存在不少待研究的問題，尤其是注漿孔距、漿液壓力、注漿效果檢測一般需要根據(jù)既往工程經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗等合理確定，同樣，隧道洞身的超前管棚的管徑、管間距、管長等參數(shù)也存在此類問題。

本文介紹宜萬鐵路齊岳山隧道工程，采用超前管棚及預注漿輔助措施，應(yīng)用了新的注漿設(shè)計理念，優(yōu)化了支護參數(shù)，研究確定了斷層條件下的相關(guān)注漿設(shè)計與施工參數(shù)。

1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北利川市西北23 km處，全長10 528 m，是宜萬線八座Ⅰ級高風險隧道之首，是全線的重點、難點和控制性工程。設(shè)計坡度為 -13.0‰(345 m)和 -15.3‰(10 183 m)的一字單面坡。全隧道穿越二疊系、三疊系灰?guī)r和侏羅系砂巖、泥巖、頁巖地層;隧道最大埋深670 m。地質(zhì)構(gòu)造有齊岳山背斜和箭竹溪向斜以及15條較大規(guī)模的斷層，發(fā)育大、小魚泉和得勝場3條暗河。其中，位于隧道頂220 m的得勝場暗河規(guī)模最大，水量豐富;位于得勝場槽谷段的F11斷層規(guī)模宏大，巖體破碎，富含高壓水，斷層帶導水，隧道正常涌水量176 000 m3/d，最大涌水量743 000 m3/d;主要的工程地質(zhì)問題有巖溶富水、突水突泥，高壓裂隙水和瓦斯突出等，施工難度極大。進口的可溶巖地層為反坡施工，施工難度和安全風險尤為突出。

2 主要存在的風險源和難點

齊岳山隧道施工至DK365+096遭遇F11大型斷層帶，為隧道施工的最高風險區(qū)域，是國內(nèi)專家確認的宜萬鐵路最難的隧道施工地段，地質(zhì)極其復雜，主要表現(xiàn)為：

1)F11斷層長，影響區(qū)域的長度為98 km，寬度為245 m，且受三峽蓄水影響，斷層活動有加劇的趨向。其中，DK365+096—DK365+333為F11斷層核心帶，長度達237 m，規(guī)模宏大。

2)水壓高，水量大。出口平導掌子面單孔水量達到750 m3/h，水壓實測 2.3～2.6 MPa，設(shè)計 DK365+110—DK365+450段正常涌水量為11 296 m3/d，最大涌水量為114 632 m3/d;進口 DK364+923—DK365+110段正常水量37 678 m3/d，最大447 270 m3/d。斷層核心帶為齊岳山隧道受地下水威脅最嚴重的地段。

3)地質(zhì)破碎，注漿難。該斷層分為上下，盤破碎巖體接觸帶和核部破碎軟弱帶，構(gòu)造裂隙發(fā)育。上盤出露在地表 DK364+095—DK364+180段。隧道DK365+096—DK365+340為主斷裂帶，發(fā)育有 T1j4白云巖為主的硬質(zhì)可溶巖與T2b1含鈣質(zhì)成分的頁巖、泥巖為主的軟弱非可溶巖的交界部位，具有多期性、次級構(gòu)造發(fā)育，巖性成分復雜，膠結(jié)松散，巖體破碎，飽和水使巖土性態(tài)惡化，中間核心地帶以類似于含碎石粉質(zhì)黏土或碎石土狀的松軟物質(zhì)為主，透水性強，實際注漿施工中參數(shù)難以把握。

3 注漿設(shè)計與施工

根據(jù)齊岳山隧道F11斷層的裂隙水量大、水壓高的特點，采取“注漿加固、分水降壓、交替推進、帶水作業(yè)”的總體施工方案。先探明掌子面前方地下水分布情況，通過鉆孔注漿堵住水后加固破碎地層，后進行開挖施工。正洞平導交替向前推進，允許隧道存在少量滴水，以減壓減少高水壓帶來的施工風險，但不允許出現(xiàn)股狀水流，以防造成突水、突泥。

3.1 注漿設(shè)計

F11斷層存在軟硬地層交替變化、層層疊加的特點，地下水多由層與層之間的裂隙向四周傳遞，局部聯(lián)通性較強，因此，設(shè)計理念上須更新與改變。確立“堵裂隙、減少水量，固圍巖、穩(wěn)定地層”的總體注漿堵水加固理念，由全斷面帷幕注漿改變成環(huán)環(huán)相扣設(shè)計原則，隧道開挖輪廓線外設(shè)置外圈孔、二圈孔、掌子面穩(wěn)定孔、檢查孔(注漿補孔)、管棚孔，互為補充加強。詳見圖1。

圖1 注漿孔環(huán)環(huán)相扣(單位：cm)

3.2 注漿施工

隧道開挖輪廓線外兩圈孔后，通過外圍注漿封堵與開挖隧道輪廓線內(nèi)的水力聯(lián)系，并且形成加固圈抵抗水壓力，輔以玻璃纖維錨桿加固掌子面控制前方變形，依據(jù)注漿過程分級控制重點補強、重點檢查注漿，探孔、注漿孔、檢查孔互相利用，三孔合一，加快施工速度。

注漿施工工藝采用分段前進式：

1)標定孔位確定鉆進角度后，采用鉆頭開孔至2.3 m，安設(shè)孔口管;

2)孔口管采用 φ108 mm，壁厚 δ=4 mm鋼管加工，管長2.5 m，孔口管外壁纏繞50～80 cm長的麻絲成紡錘形后安設(shè)到要求深度，并用水泥基錨固劑錨固，以保證孔口管安設(shè)牢固不漏漿;

3)為防止鉆孔過程中突發(fā)涌水突泥，孔口管安設(shè)完成后鉆孔之前必須安裝高壓止水閘閥;

4)按照設(shè)計分段長度進行鉆孔注漿，當該段注漿達到設(shè)計結(jié)束標準后，拆除注漿堵頭在原孔深基礎(chǔ)位置再鉆進，如此循環(huán)鉆注到設(shè)計深度;

5)掌子面注漿孔施工鉆注到設(shè)計深度后，放入玻璃纖維錨桿，進行全孔注漿施工。

3.3 注漿參數(shù)(見表1)

表1 超前預注漿設(shè)計參數(shù)

3.4 注漿材料

根據(jù)F11斷層地質(zhì)情況及堵水加固的要求，注漿材料擬以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥單液漿、普通水泥—水玻璃雙液漿為輔，施工中根據(jù)涌水情況及地質(zhì)情況進行選擇調(diào)整。注漿材料及規(guī)格型號如下：

硫鋁酸鹽水泥：早強快硬，42.5;

普通硅酸鹽水泥：42.5;

水玻璃：濃度為 35Be′，模數(shù)為 2.4～2.8。

漿液配比參數(shù)如表2所示。

表2 漿液配比參數(shù)

施工過程中注漿材料的選擇見表3。

3.5 施工順序

根據(jù)先前確定的“堵裂隙、減少水量，固圍巖、穩(wěn)定地層”注漿加固原則，先進行頂水注漿施工，選取外圈7孔注漿封堵水量大的裂隙，同時結(jié)合發(fā)散—約束型注漿原則進行，由外向內(nèi)、由上到下、間隔跳孔注漿施工作業(yè)，逐步改良地層，施工結(jié)束后對水量大的孔進行重點檢查，補孔加強注漿。

表3 注漿材料選用原則

3.6 注漿質(zhì)量檢查控制標準

1)水量法：依據(jù)注漿量分布，取薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計檢查孔。檢查孔按不超過總注漿孔的10%設(shè)計，滿足出水量不超過2 L/min/m。

2)改良地層后穩(wěn)定法：通過檢查孔的成孔狀態(tài)、完整性、有無坍孔進行判斷地層改良的效果。

3)開挖水量觀察法：開挖過程中無股狀水，開挖段落總水量不大于50 m3/h。

4 超前支護設(shè)計

4.1 超前管棚支護設(shè)計(見圖2)

通常管棚施工需要設(shè)備操作工作間。此操作間空間較大，需進行相應(yīng)的隧道擴挖，容易造成新的安全風險源，使工期延長，同時工作間的背后回填還造成襯砌厚度的增加。本工程采取了新的管棚施工工藝，將管棚壓入隧道開挖輪廓線外。無管棚管段采用玻璃纖維錨桿替代，以利開挖施工。同時將管棚管徑、管間距進行優(yōu)化，管徑從φ108 mm調(diào)整為φ76 mm，管間距從30 cm調(diào)整至35 cm。

注漿效果評定合格后，施作φ76 mm×8 mm的超前大管棚，無工作間施工，管棚后侵入隧道輪廓線部分無管棚管(含止?jié){墻2.5 m)，改下玻璃纖維錨桿至管棚管末端，自然搭接：

1)超前大管棚采用環(huán)向中心間距35 cm、外插角5°，沿拱頂開挖輪廓線布設(shè)，共布設(shè)19根。

2)管棚管采用外徑φ76 mm、壁厚8 mm無縫鋼管加工，每節(jié)長6 m，并沿管壁兩條垂直直徑鉆設(shè)φ8 mm溢漿孔，梅花形布設(shè)，孔間距100 cm，第一排孔距端頭50 cm;管棚采用焊接連接，每節(jié)管棚一端端頭焊接長50 cm的φ56 mm鋼管，外露30 cm;每根管棚前端加工成尖頭。

圖2 超前管棚支護設(shè)計剖面示意

3)大管棚施工先采用φ90 mm鉆頭引孔，后退出鉆桿下入管棚。為保證管棚支護效果，管棚安設(shè)過程每節(jié)管棚應(yīng)長短交錯，避免管棚接頭在同一斷面。

4)管棚按設(shè)計要求安設(shè)好后進行全孔注漿，注漿材料采用普通水泥，注漿參數(shù)同注漿孔施工參數(shù)。

4.2 開挖支護設(shè)計

經(jīng)過注漿止水與超前加固，掌子面前方地層得到了明顯改善，采用小導管超前支護、三臺階預留核心土法進行開挖。首先，上臺階拱部150°范圍內(nèi)，每榀拱架設(shè)置小導管，間距30 cm，小導管采用φ42 mm的無縫鋼管，每根長2.5 m。在微爆破開挖后，對掌子面進行噴射速凝混凝土，確保掌子面表層松散土體的穩(wěn)定性。開挖流程為：打設(shè)超前小導管→微爆破、預留核心土開挖→掌子面噴射速凝混凝土→立拱架→噴射初期支護混凝土。

5 結(jié)論

齊岳山隧道進口工區(qū)從DK365+096里程進入F11斷層核心帶，不斷總結(jié)經(jīng)驗，進一步提高施工技術(shù)，優(yōu)化機械設(shè)備配套，創(chuàng)造了單臺鉆機日鉆孔585延米，最高每小時鉆孔32延米的鉆孔注漿施工記錄，30 m隧道的注漿循環(huán)僅用12 d就完成注漿施工任務(wù)。齊岳山隧道進口通過6個循環(huán)共139 m的注漿施工，成功與出口工區(qū)貫通，積累了一定的注漿施工經(jīng)驗，形成了一些新方法、新工藝，對類似工程具有借鑒意義。

1)注漿堵水預加固的設(shè)計及其參數(shù)

斷層條件下，巖體破碎、巖層成層狀，各向異性，水在層間流動，易產(chǎn)生高壓，首選確定堵水為主、注漿加固為輔，“堵裂隙、減少水量，固圍巖、穩(wěn)定地層”的總體注漿堵水加固理念，由全斷面帷幕注漿改變成環(huán)環(huán)相扣設(shè)計原則，設(shè)計需要具有針對性，注重隧道開挖輪廓線外圍，以形成隧道桶狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過工程實踐，所采取的注漿材料、參數(shù)等能夠?qū)Υ祟惞こ痰刭|(zhì)問題產(chǎn)生效果。

2)無工作間施作管棚和管棚快速施工技術(shù)

管棚作為隧道施工中常見的超前支護手段，具有明顯的效果。但是，管棚施工的操作間大，增加了風險，延長了工期，同時，能否進一步優(yōu)化管棚的大小和間距也是工程設(shè)計施工中經(jīng)常遇到的問題。本工程中無工作間施作管棚技術(shù)，采用φ76 mm管棚、35 cm管間距，節(jié)約了建設(shè)成本，大大加快了施工速度，也降低了安全風險，綜合形成了管棚快速施工技術(shù)。

3)玻璃纖維錨桿穩(wěn)定掌子面技術(shù)

F11斷層巖體破碎，掌子面極其不穩(wěn)定，玻璃纖維錨桿具有較強的抗拉性能，縱向設(shè)置可以發(fā)揮穩(wěn)固掌子面作用。掌子面注漿孔終孔后，放入玻璃纖維錨桿;選擇出水量大于地質(zhì)破碎區(qū)域，放入錨桿;在工作間施工管棚的侵入隧道部分下入玻璃纖維錨桿。這樣，充分穩(wěn)定了隧道的掌子面，保證了隧道開挖安全。

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U455.7+1

B

1003-1995(2011)03-0035-04

2010-09-12;

2010-12-12

謝達文(1981— )，男，湖南永州人，工程師，碩士。

(責任審編 白敏華)