隧道富水?dāng)鄬悠扑閹С跗谥ёo(hù)技術(shù)案例分析

李桂泉

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隧道富水?dāng)鄬悠扑閹С跗谥ёo(hù)技術(shù)案例分析

李桂泉

中鐵二十四局福建公司

沿海某高鐵隧道富水?dāng)鄬悠扑閹┕ぶ?按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量、速反饋”的施工原則，采用了超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、結(jié)合帷幕注漿封堵、鋼拱架加強(qiáng)支護(hù),在高水壓、大水量、巖體極度破碎的條件下,施工安全和質(zhì)量得以保證。該文對設(shè)計參數(shù)的選取、注漿施工工藝、關(guān)鍵技術(shù)的突破、注漿效果等方面做了較詳細(xì)的闡述，以供同行參考。

隧道 富水?dāng)鄬悠扑閹?超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)

為解決長大隧道常遇富水?dāng)鄬悠扑閹У膯栴}，我們采用超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、結(jié)合帷幕注漿封堵、鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)等措施進(jìn)行了治理，有效固結(jié)了斷層破碎帶，形成應(yīng)力圈，解決了隧道不良地質(zhì)引起的施工安全和質(zhì)量問題。

1 工程概括

沿海某高鐵隧道全長6852m。其中，Ⅱ級圍巖5769m，Ⅲ級圍巖833m，Ⅳ級圍巖125m，Ⅴ級圍巖125m。隧道主要地質(zhì)斷層構(gòu)造情況如下：

DK145+795～＋825段構(gòu)造節(jié)理密集帶，因巖體破碎，地下水相對較發(fā)育，水位埋深31.8m。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，該段預(yù)計最大涌水量為1200 m3/d，屬大股狀涌水，洞室開挖時，可能出現(xiàn)局部射流現(xiàn)象。

DK146+100～DK147＋300段地表為剝蝕洼地，燕山期花崗巖和小溪組凝灰熔巖在本段接觸，巖體完整性較差，兩側(cè)山體的基巖裂隙水可以沿節(jié)理、裂隙等構(gòu)造面向此段匯集。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，該段預(yù)計最大涌水量為2000 m3/d，屬大股狀涌水，洞室開挖時，可能在裂隙較發(fā)育區(qū)出現(xiàn)局部射流現(xiàn)象。

以上兩段斷層破碎帶的圍巖結(jié)構(gòu)松散,本身的支撐能力較差，又具有富水性，使圍巖的穩(wěn)定能力大大降低，若初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工不到位，容易產(chǎn)生突泥、突水、圍巖失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅施工質(zhì)量和安全。

2 施工技術(shù)方案選擇

針對上述地質(zhì)斷層構(gòu)造情況，結(jié)合施工生產(chǎn)要素及施工生產(chǎn)能力，按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量、速反饋”的施工原則，在采用帷幕注漿封堵、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)引排水等措施保護(hù)下，采用三部臺階法進(jìn)行施工。

地質(zhì)預(yù)報方法：采用超前地質(zhì)鉆探等手段，提前了解開挖工作面前方地質(zhì)情況。

輔助工法：帷幕注漿封堵、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)。

開挖方法：三部臺階法，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5m～1.0m。

支護(hù)方式：采用型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等多種支護(hù)手段，構(gòu)成強(qiáng)支護(hù)體系。

在開挖和支護(hù)過程中要重視加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)支護(hù)的位移量測結(jié)果，評價支護(hù)的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。

襯砌施工：開挖后盡早施作仰拱，待圍巖和支護(hù)變形基本趨向穩(wěn)定后施作復(fù)合式襯砌，形成封閉襯砌。

3 斷層破碎帶初期支護(hù)施工技術(shù)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

根據(jù)地質(zhì)資料分析，本隧道在斷層破碎帶地段采用TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報，輔以地質(zhì)素描、超前水平鉆孔。目的是超前探測地層巖性、斷層、軟弱層的位置、巖體完整程度、斷裂帶位置、寬度、破碎程度、富水性，為圍巖施工提供依據(jù)；提供施工掌子面前方地質(zhì)信息，進(jìn)一步確定保證圍巖穩(wěn)定性的工程措施及合理的施工方法；為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，指導(dǎo)施工順利進(jìn)行，確保施工安全。

TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報工作方法與內(nèi)容：利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。該系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的方式，準(zhǔn)確率高，適用范圍廣，適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況，它的預(yù)報原理同負(fù)視速度法，只是接收頻率為10～8000Hz，預(yù)報長度為100～200m，不占用工作面，對隧道施工干擾小，TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)野外觀測見圖1。

圖1 TSP202超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)示意圖

隧道掘進(jìn)時，根據(jù)地質(zhì)素描（圖）的內(nèi)容，作出開挖面前方較短距離內(nèi)的巖體穩(wěn)定性分析，通過綜合分析判斷，提出地質(zhì)預(yù)測報告。

3.2 帷幕注漿

當(dāng)接近斷層破碎帶且水量較大可能發(fā)生突水地段時，為防止出現(xiàn)突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，有必要通過掌子面采用超前帷幕預(yù)注漿封堵圍巖裂隙，形成止水盤封堵地下水流。超前注漿每一循環(huán)形成注漿范圍為襯砌外3m，注漿材料采用水玻璃，注漿壓力1.5～2.0MPa其注漿長度根據(jù)具體情況確定為4m～5m，環(huán)向間距視現(xiàn)場實(shí)際情況確定（一般為1m～2m）。

3.3 超前小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管施工工藝原理是：在破碎松散巖體中超前鉆孔，打入小導(dǎo)管并壓注具有膠凝性質(zhì)的漿液，漿液在注漿壓力的作用下呈脈狀快速滲入破碎松散巖體中，并將其中的空氣、水分排出，使松散破碎體膠結(jié)、膠化，形成具有一定強(qiáng)度和抗?jié)B阻水能力的以漿膠為骨架的固結(jié)體，從而提高圍巖的整體性、抗?jié)B性和穩(wěn)定性；使超前小導(dǎo)管與固結(jié)體形成一個具有一定強(qiáng)度的殼體，在殼體的保護(hù)下進(jìn)行開挖支護(hù)施工。

3.3.1小導(dǎo)管及注漿設(shè)計

采用4m/根的?42mm小導(dǎo)管布設(shè)在拱部，外插角5°～7°，環(huán)向間距33cm，縱向環(huán)距2.5m，即每施作一排小導(dǎo)管，開挖支護(hù)2.5m；壓注1:1水泥漿液，采用525#普通硅酸鹽水泥，漿液中摻水泥用量3%～5%的40Be’水玻璃，以縮短漿液的膠化固結(jié)時間，控制漿液的擴(kuò)散范圍。

3.3.2施工要點(diǎn)

3.3.2.1 小導(dǎo)管加工。將4m／根的?42mm小鋼管一端加工成尖錐形，距另一端100cm的位置開始至尖錐端之間按梅花型、間距為20cm布設(shè)?6mm的孔眼4排，以利于小導(dǎo)管推進(jìn)和漿液滲入破碎巖體。

3.3.2.2 小導(dǎo)管安設(shè)。如巖體松軟，采用YT-28型風(fēng)動鑿巖機(jī)直接推送，如遇夾有堅硬巖石處，先用YT-28型風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆眼成孔后再推進(jìn)就位。在施作小導(dǎo)管前應(yīng)注意：第一，噴3～5cm厚混凝土封閉掌子面作為止?jié){墻，為注漿做好準(zhǔn)備工作；第二，準(zhǔn)確測量隧道中心線和高程，并按設(shè)計標(biāo)出小導(dǎo)管的位置，誤差±15mm；第三，用線繩定出隧道中心面，隨時用鋼尺檢查鉆孔或推進(jìn)小導(dǎo)管的方向，以控制外插角達(dá)到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)；第四，施工順序?yàn)閺膬蓚?cè)拱腰向拱頂進(jìn)行，為提前注漿留好作業(yè)空間。

3.3.2.3 注漿。選用UB6型注漿泵注漿，采用漿液攪拌桶制漿，漿液采用單液水泥漿，水灰比1.0:1，施工時由試驗(yàn)室選定，使用不低于32.5強(qiáng)度的水泥。為防止?jié){液從其他孔眼溢出，注漿前對所有孔眼安裝止?jié){塞，注漿順序從兩側(cè)拱腳向拱頂。由于巖體孔隙不均勻，考慮風(fēng)鎬環(huán)形開挖的方便，同時要達(dá)到固結(jié)破碎松散巖體的目的，保證開挖輪廓線外環(huán)狀巖體的穩(wěn)定，形成有一定強(qiáng)度及密實(shí)度的殼體，特別是確保兩側(cè)拱腳的注漿密實(shí)度和承載力，采取注漿終壓(0.8～1.2MPa)和注漿量雙控注漿質(zhì)量，拱腳的注漿終壓高于拱腰至拱頂。通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定拱腳終壓為1.2MPa，拱腰范圍為1.0MPa，拱頂為0.8MPa。注漿時相鄰孔眼需間隔開，不能連續(xù)注漿，以確保固結(jié)效果，又達(dá)到控制注漿量的目的。小導(dǎo)管注漿見圖2。

圖2 小導(dǎo)管注漿施工示意圖

單孔注漿量和圍巖的孔隙率有關(guān)，可用下式估算:

Q=π·R2·L·n·β

式中: Q—單孔漿液注入量（m3）；R—漿液擴(kuò)散半徑（m）；L—注漿段長度（m）；n—巖石空隙率，一般取0.1～0.3；β—漿液在巖石孔隙中的有效充填系數(shù)，一般為0.6～0.9。注漿壓力：為0.8～1.2MPa。

止?jié){盤：由于采用低壓加固注漿，止?jié){盤為5～10cm厚噴射混凝土封閉，防止?jié){液跑出。

小導(dǎo)管注漿布置見圖3。

圖3 超前小導(dǎo)管布置示意圖

3.4 開挖

為控制超欠挖及減少對圍巖的擾動，拱部弧形及邊墻周邊均采用風(fēng)鎬分臺階開挖，核心土及中槽均采用挖掘機(jī)開挖，開挖進(jìn)尺根據(jù)圍巖穩(wěn)定性確定為l～2根鋼格柵的間距，即0.5～1.0m，邊墻按鋼格柵的兩個單元分三個臺階施工，相鄰臺階相距2m，左右邊墻錯開2m。

3.5 錨噴初期支護(hù)

系統(tǒng)錨桿采用3m/根的WTD25型中空注漿錨桿，縱向、環(huán)向間距均為100cm，梅花型布置；拱墻設(shè)鋼格柵，間距50cm，鋼格柵每側(cè)拱腳設(shè)4m/根的WTD25型中空注漿鎖口錨桿，按梅花型布置在鋼格柵的兩側(cè)，環(huán)向間距50cm；掛?6雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為15cm×15cm，噴射混凝土厚25cm。

3.6 掛鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)片采用?8圓鋼，除銹處理后按設(shè)計加工成100cm ×200cm的網(wǎng)片；掛設(shè)時網(wǎng)片必須隨受噴面的起伏鋪設(shè)，與受噴面間留3cm作為保護(hù)層，網(wǎng)片與系統(tǒng)錨桿焊接牢固，確保噴射混凝土?xí)r不移動。

3.7 安設(shè)鋼格柵

鋼筋除銹后按設(shè)計要求分節(jié)加工成型，鋼格柵分節(jié)間通過鋼板用螺栓聯(lián)接。

鋼格柵嚴(yán)格按設(shè)計間距架立。為充分發(fā)揮鋼格柵的承載能力，首先要求鋼格柵必須垂直且與線路方向垂直；其次，架立拱部鋼格柵時，嚴(yán)格控制左、右拱腳標(biāo)高，以防拱架偏斜，影響與邊墻鋼格柵架的圓順連接或侵入襯砌厚度。為方便拱部鋼格柵與邊墻鋼格柵的連接，在拱腳連接處鋪不小于20cm厚的粗砂或石屑。邊墻鋼格柵底部必須置于基巖上，以防下沉變形。

鋼拱架施工步驟：施工準(zhǔn)備→檢查斷面→鋼架位置測量→鋼架就位→縱向連接筋焊接→噴砼固定。

3.8 監(jiān)控量測

初期支護(hù)完成后，在拱頂、拱腳及邊墻的內(nèi)軌頂面標(biāo)高處埋設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂量測。測試元件用?12圓鋼加工而成，每根元件長25cm，錨入初期支護(hù)體20cm，外露5cm，以防震動影響量測結(jié)果。水平收斂量測采用鐵科院武漢巖體力學(xué)研究所研制的收斂儀進(jìn)行觀測，開始6h觀測1次，然后根據(jù)變形量的減小而減小量測頻率，即12h、24h、48h、72h、168h，根據(jù)量測結(jié)果及時調(diào)整工序及預(yù)留變形量、開挖進(jìn)尺等，便于指導(dǎo)施工，確保施工安全。量測點(diǎn)每隔5m布設(shè)1組。

4 結(jié)束語

通過對隧道富水?dāng)鄬悠扑閹Р扇〕靶?dǎo)管注漿支護(hù)、結(jié)合帷幕注漿封堵、鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)等措施進(jìn)行了治理，有效固結(jié)了斷層破碎帶，解決了隧道圍巖不穩(wěn)定、坍塌的危險，并防止突水、突泥引起的地質(zhì)災(zāi)害，解決了隧道不良地質(zhì)引起施工安全和質(zhì)量問題，為工程工期和安全施工提供了保證。通過工程實(shí)踐，有以下幾點(diǎn)體會：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報是隧道圍巖施工的重要依據(jù)，對施工技術(shù)方案的選擇至關(guān)重要，特別是不良地質(zhì)地段。

（2）超前帷幕注漿對解決隧道富水地段因水引起的災(zāi)害有良好的效果。

（3）從施工效果可以看出，超前小導(dǎo)管支護(hù)的約束作用保持和加強(qiáng)了圍巖的自穩(wěn)能力。在開挖過程中，通過超前小導(dǎo)管的錨固力和小導(dǎo)管體所具有良好的抗拉、抗剪性能，增大了巖層結(jié)構(gòu)面的摩擦，加強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定，從而有效控制了層理間的滑動破壞，保證了施工安全，具有初期支護(hù)效果明顯、施工性好、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，再配合相應(yīng)鋼拱架等支護(hù)措施，有效解決圍巖支護(hù)的穩(wěn)定和安全，確保隧道施工的質(zhì)量。

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