當(dāng)金山隧道施工關(guān)鍵措施

馬殷軍

（敦煌鐵路有限責(zé)任公司，甘肅 敦煌 736200）

當(dāng)金山隧道施工關(guān)鍵措施

馬殷軍

（敦煌鐵路有限責(zé)任公司，甘肅 敦煌 736200）

在復(fù)雜的工程地質(zhì)與水文條件下進(jìn)行隧道工程施工時(shí)，確定適宜的施工技術(shù)措施是關(guān)鍵與必要的。結(jié)合敦格鐵路當(dāng)金山隧道的具體情況，對(duì)斷層破碎帶及富水帶、隧道出口洪積扇細(xì)角礫土地段、隧道大變形處理及預(yù)防隧道發(fā)生失穩(wěn)等施工關(guān)鍵措施進(jìn)行研究。其中，針對(duì)斷層破碎帶及富水帶的施工采取徑向注漿、帷幕注漿、局部注漿方法，并介紹突涌水等情況的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)關(guān)鍵技術(shù)措施的應(yīng)用效果進(jìn)行論證，研究成果為同類隧道的施工提供借鑒。

隧道工程；敦格鐵路；當(dāng)金山隧道；施工關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

敦格鐵路北起甘肅省敦煌市，南至青海省格爾木市，正線全長(zhǎng)509 km。當(dāng)金山隧道為全線控制性工程，全長(zhǎng)20.14 km，隧道通過(guò)地面海拔為2 864～3 700 m，平均海拔3 000 m。當(dāng)金山隧道具有“三高、兩低、三長(zhǎng)、兩多”和“兩大”的工程特點(diǎn)，其中“三高”指高海拔、高地應(yīng)力、高地震烈度；“兩低”指氣溫低、氣壓低；“三長(zhǎng)”指單面坡長(zhǎng)、獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)、反坡排水距離長(zhǎng)；“兩多”指斷層破碎帶多、不良地質(zhì)多；“兩大”指埋深大、水量大。因此，當(dāng)金山隧道的施工評(píng)估為高風(fēng)險(xiǎn)隧道。結(jié)合具體地質(zhì)狀況和水文特征進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，制定切實(shí)可行的工程施工關(guān)鍵措施，保證隧道順利貫通[1-9]。

1 工程地質(zhì)與水文特征

1.1 工程地質(zhì)

當(dāng)金山隧道位于祁連山脈與阿爾金山脈的結(jié)合部——當(dāng)金山中高山區(qū)褶皺帶，洞身通過(guò)的主要地層為：志留系下統(tǒng)（S1）以云母石英片巖為主，局部為大理巖，巖體較完整；志留系中統(tǒng)（S2）以綠泥石英片巖為主，局部夾千枚巖，巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎；加里東期花崗巖（γ3），斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，局部巖體受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體較破碎。由于受多期地質(zhì)構(gòu)造的影響，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，其中Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖9.345 km，占46.4%，Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖10.435 km，占51.9%。部分段落地下水較發(fā)育，隧道共通過(guò)10條斷層破碎帶，其中區(qū)域性斷裂帶2條（F4、F5），F(xiàn)5斷層（825 m）為活動(dòng)斷層，次級(jí)斷裂帶8條。當(dāng)金山隧道地質(zhì)復(fù)雜，塌坍、涌水處理困難，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

1.2 水文特征

隧道區(qū)地下水較發(fā)育，以基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，主要受大氣降水、冰雪融水及地表溝水補(bǔ)給，水質(zhì)較差，對(duì)混凝土有侵蝕性。預(yù)測(cè)正洞折減后的正常涌水量18 689 m3/d，可能出現(xiàn)的最大涌水量56 069 m3/d；平導(dǎo)的正常涌水量為19 671 m3/d，可能出現(xiàn)的最大涌水量59 013 m3/d。隧道基巖裂隙弱富水區(qū)的7個(gè)亞區(qū)（Ⅱ-1—Ⅱ-7）總長(zhǎng)為11.860 km，占隧道總長(zhǎng)的58.9%；中等富水區(qū)的4個(gè)亞區(qū)（Ⅰ-1—Ⅰ-4）總長(zhǎng)為8.265 km，占隧道總長(zhǎng)的41.1%。當(dāng)金山隧道地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖1。

2 施工關(guān)鍵措施

當(dāng)金山隧道施工面臨圍巖失穩(wěn)、地應(yīng)力高、巖爆、大變形、突涌水等工程風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須結(jié)合隧道的具體狀況，對(duì)施工過(guò)程中的關(guān)鍵措施進(jìn)行研究，以確保隧道施工的質(zhì)量、進(jìn)度和安全。

圖1 當(dāng)金山隧道地質(zhì)縱斷面

2.1 斷層破碎帶及富水帶

針對(duì)當(dāng)金山隧道通過(guò)的幾條斷層破碎帶及富水帶，根據(jù)不同的斷層特征和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，采用徑向注漿、帷幕注漿、局部注漿等措施。

2.1.1 徑向注漿

徑向注漿包括平導(dǎo)、斜井徑向注漿及正洞徑向注漿。

（1）平導(dǎo)、斜井徑向注漿：在周邊襯砌結(jié)構(gòu)面上，徑向布置注漿花管，注漿管環(huán)向布設(shè)間距100～140 cm，縱向布設(shè)間距2.2 m，孔深3.2～4.4 m，按梅花形布置。注漿工藝實(shí)施全孔一次性注漿，順序由外圈到內(nèi)部、由下到上，并采取跳排跳孔的約束型注漿方式進(jìn)行控制。

（2）正洞徑向注漿：徑向注漿除洞身注漿孔間距為75～155 cm、孔深為4.5 m外，其他措施均同平導(dǎo)、斜井徑向注漿。

2.1.2 帷幕注漿

帷幕注漿包括平導(dǎo)、斜井帷幕注漿、正洞周邊帷幕注漿和正洞全斷面帷幕注漿。

（1）平導(dǎo)、斜井帷幕注漿：一次注漿長(zhǎng)度11 m，注漿加固范圍為開(kāi)挖輪廓周邊不小于3 m。施工時(shí)，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整一次注漿長(zhǎng)度及注漿孔的布置。

（2）正洞周邊帷幕注漿：一次注漿長(zhǎng)度27 m，注漿加固范圍為開(kāi)挖輪廓周邊不小于6 m。施工時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)確定一次注漿長(zhǎng)度及注漿孔的布置。

（3）正洞全斷面帷幕注漿：注漿加固范圍為開(kāi)挖輪廓周邊不小于4 m，每一循環(huán)長(zhǎng)度27 m，注漿孔孔底間距3 m，擴(kuò)散半徑2.5 m。掌子面設(shè)5環(huán)周邊注漿孔，1個(gè)水平注漿孔，4個(gè)超前探孔，探孔終點(diǎn)在開(kāi)挖線外4 m。

帷幕注漿均采用后退式注漿方式，施工中若發(fā)生坍孔，則改為前進(jìn)式注漿。

2.1.3 局部注漿

當(dāng)局部涌水量大時(shí)，可采取局部超前注漿或通過(guò)后局部徑向注漿方法。

2.2 突涌水應(yīng)對(duì)

當(dāng)金山隧道通過(guò)富水?dāng)鄬印⑾蛐睒?gòu)造以及巖性接觸帶等地段，施工過(guò)程中容易發(fā)生突涌水現(xiàn)象。施工中采取超前鉆、紅外探水等多種手段，及時(shí)掌握前方的地質(zhì)情況及涌水量，在施工中根據(jù)具體的條件按以下原則進(jìn)行處理。

（1）當(dāng)隧道通過(guò)斷層破碎帶或節(jié)理密集帶時(shí)，針對(duì)不同的巖層狀況及地下涌水量，以及開(kāi)挖后可能出現(xiàn)的危害，根據(jù)表1采取不同的處理措施。

（2）當(dāng)隧道通過(guò)塊狀圍巖時(shí)，根據(jù)裂隙水發(fā)育狀況、地下水對(duì)圍巖的影響程度不同，采用抽水、徑向注漿、局部注漿以及帷幕注漿等方式處理?，F(xiàn)場(chǎng)突涌水處理見(jiàn)圖2。

表1 斷層破碎帶或節(jié)理密集帶的處理措施

圖2 現(xiàn)場(chǎng)突涌水處理

2.3 洪積扇細(xì)角礫土地段

隧道出口處于洪積扇細(xì)角礫土地段，可采用徑向注漿加固措施，洞身周邊徑向布置注漿花管，注漿管環(huán)向布設(shè)間距100～140 cm，縱向布設(shè)間距2.2 m，孔深2.2～3.5 m，按梅花形布置。注漿材料采用普通水泥單液漿（加速凝劑），現(xiàn)場(chǎng)注漿困難時(shí)可選用水泥-水玻璃雙液漿。注漿工藝實(shí)施全孔一次性注漿，注漿順序由外圈到內(nèi)部、由下到上，并采取跳排跳孔的約束型注漿進(jìn)行控制。

2.4 大變形的處理

當(dāng)金山隧道洞身通過(guò)F5活動(dòng)斷層以及綠泥石英片巖地段，可能發(fā)生大變形，可根據(jù)變形大小采取一種或多種處理措施：（1）針對(duì)不同的地層，采用不同參數(shù)的臺(tái)階法施工技術(shù)來(lái)控制圍巖變形，如對(duì)于F5斷層，采用3臺(tái)階的方法；（2）根據(jù)圍巖情況，適當(dāng)調(diào)整開(kāi)挖斷面、初期支護(hù)的曲率，使其盡量接近圓形，達(dá)到抑制圍巖變形的效果；（3）采用超前注漿圍巖加固技術(shù)，以提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力分布的均勻性；（4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的范圍，根據(jù)圍巖應(yīng)力特征，在隧道施工中采用中長(zhǎng)錨桿（管）圍巖加固技術(shù)控制變形；（5）通過(guò)加大隧道的預(yù)留變形量，加強(qiáng)隧道的初期支護(hù)參數(shù)（噴射混凝土厚度、鋼架間距、型鋼型號(hào)、錨桿長(zhǎng)度）及二次襯砌的結(jié)構(gòu)參數(shù)等，以控制變形；（6）及時(shí)施做仰拱拱架，使初支拱架閉合成環(huán)，共同參與受力，減少圍巖變形；（7）發(fā)生擠壓大變形時(shí)，可采用多重支護(hù)、分次支護(hù)技術(shù)來(lái)控制變形；（8）提前施做二次襯砌，加強(qiáng)二次襯砌的結(jié)構(gòu)厚度和鋼筋布置。

2.5 隧道失穩(wěn)的預(yù)防

隧道失穩(wěn)的預(yù)防措施，主要包括以下幾方面：（1）加強(qiáng)超前支護(hù)，對(duì)預(yù)防一般較小失穩(wěn)起關(guān)鍵作用；（2）弱爆破時(shí)，用淺眼、密眼，選用微差毫秒爆破并嚴(yán)格控制用藥量；（3）盡量縮短各部開(kāi)挖工序間的距離，以減少圍巖暴露時(shí)間；（4）當(dāng)存在涌水時(shí)，采取注漿措施；（5）地質(zhì)條件差的地段，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取針對(duì)性強(qiáng)的措施，防止圍巖失穩(wěn)；（6）施工中要遵循“巖變我變”原則，適時(shí)調(diào)整施工方法，采取“短開(kāi)挖、早超前、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、及時(shí)封閉”的施工程序。

預(yù)防隧道失穩(wěn)的主要支護(hù)措施包括：超前小導(dǎo)管支護(hù)預(yù)注漿加固、超前管棚支護(hù)、臨時(shí)護(hù)拱等，根據(jù)工程的具體情況在施工中靈活運(yùn)用。

3 應(yīng)用效果

截至目前，當(dāng)金山隧道施工已完成70%，經(jīng)過(guò)6條次級(jí)斷裂帶，2條區(qū)域性斷裂帶及大變形、突涌水等段落。

（1）針對(duì)隧道出口洪積扇細(xì)角礫土、F4、F5斷層圍巖易失穩(wěn)地段，分別采用超前小導(dǎo)管、洞內(nèi)中管棚超前預(yù)注漿等支護(hù)手段?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖表明：漿液將斷層角礫、斷層泥進(jìn)行固結(jié)，形成一個(gè)殼體，提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力分布均勻性；同時(shí)采取弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)等措施，效果明顯。開(kāi)挖過(guò)程中拱頂?shù)魤K明顯減少、未出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)塌方等現(xiàn)象，確保施工安全，驗(yàn)證施工關(guān)鍵措施切實(shí)有效。

（2）針對(duì)F6、F8次級(jí)斷裂帶，采用超前注漿圍巖加固技術(shù)；針對(duì)F4、F5區(qū)域性斷裂帶及綠泥石英片巖易發(fā)生大變形地段，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圍巖松動(dòng)圈的范圍及應(yīng)力分布，采用加強(qiáng)隧道的初期支護(hù)參數(shù)、徑向注漿加固圍巖松動(dòng)圈等措施，預(yù)防和控制大變形。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，變形滿足規(guī)范要求。

（3）針對(duì)富水?dāng)鄬?、向斜?gòu)造易突涌水地段，首先采用超前鉆、紅外探水等多種手段及時(shí)探明涌水量的大小，然后采用抽水、徑向注漿、局部注漿以及帷幕注漿等措施，有效防止突涌水事故的發(fā)生。

由于對(duì)施工中的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了準(zhǔn)確判斷，采取科學(xué)合理的施工技術(shù)措施，有效防止圍巖失穩(wěn)、大變形、突涌水等現(xiàn)象，施工關(guān)鍵措施效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)當(dāng)金山隧道在施工過(guò)程中關(guān)鍵措施的研究和應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）在隧道施工過(guò)程中，結(jié)合可能出現(xiàn)的狀況采取超前注漿支護(hù)、超前鉆、紅外探水等措施，充分保證隧道施工的安全性和施工質(zhì)量。

（2）鑒于當(dāng)金山隧道復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和水文特征，在施工過(guò)程中往往存在一定的不確定性。因此，在施工中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題要做到提前預(yù)報(bào)、及時(shí)處理，以保證鐵路建設(shè)的順利進(jìn)行。

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責(zé)任編輯 李葳

Key Construction Technologies of Dangjinshan Tunnel

MA Yinjun
（Dunhuang Railway Co Ltd，Dunhuang Gansu 736200，China）

It is necessary to determine appropriate construction technologies for tunnels amid complicated engineering geological and hydrological environment. The paper, based on detailed situations of Dangjinshan Tunnel of Dunhuang-Golmud Railway, studies the key construction technologies for fault fracture zone and water enriched zone, section with diluvial fan f ne breccia soil at tunnel exit, major deformation and instability preventions. For instance, as for fault fracture zone and water enriched zone, such construction technologies as radial grouting, curtain grouting and local grouting as well as countermeasure for water gush are introduced. The paper also validates the application effects of such technologies and the study serves as a good reference for the constitution of other tunnels.

tunnel engineering；Dunhuang-Golmud Railway；Dangjinshan Tunnel；key construction technologies

U455

A

1001-683X（2017）04-0076-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.076

2017-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51168030）

馬殷軍（1976—），男，敦煌鐵路有限責(zé)任公司總經(jīng)理。E-mail：18919881086@189.com