穿越富水?dāng)鄬訙\埋偏壓洞口段施工技術(shù)分析

謝華北

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300222）

一、工程概況

（一）概況

新建杭州經(jīng)紹興至臺(tái)州鐵路毛羊嶺1號(hào)隧道位于浙江省新昌縣境內(nèi)，為單洞雙線隧道，隧道進(jìn)口里程為DK115+221，出口里程為DK118+368，全長(zhǎng)3147m。全隧道洞身下穿斷層破碎帶影響地段2處，里程段分別為DK115+450-DK115+495、DK115+710-DK115+740，下穿沖溝淺埋段1處，里程為DK116+645-DK116+725。洞口淺埋偏壓段1處，里程為DK115+244-DK115+274。

（二）地質(zhì)情況

1.地層巖性

毛羊嶺1號(hào)隧道DK115+244-DK115+274段淺埋偏壓段洞身圍巖揭示為凝灰?guī)r，圍巖破碎，淺埋偏壓段地表圍巖揭示為粉質(zhì)黏土、粗角礫土巖體破碎、遇水松軟。具體巖性參數(shù)如下：

⑤23粉質(zhì)黏土，覆蓋于山坡表層，褐黃色、硬塑，土質(zhì)不均勻，II級(jí)普通土，基本承載力150kpa。

⑤151粗角礫土，覆蓋于山坡表層，碎石成分以凝灰?guī)r為主，II級(jí)普通土，基本承載力300kpa。

⑤51凝灰?guī)r（J3Tu），強(qiáng)風(fēng)化，灰褐色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎呈碎塊狀，IV級(jí)軟石，基本承載力800kpa。

毛羊嶺1號(hào)隧道DK115+450-DK115+490段斷層破碎帶段洞身圍巖揭示為凝灰?guī)r，呈角礫狀壓碎結(jié)構(gòu)。

2.水文地質(zhì)特征

隧道區(qū)穿越第四紀(jì)松散堆積層分布區(qū)和侏羅系沉積碎屑巖基巖山區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造及巖性影響，地下水蘊(yùn)含能力較強(qiáng)，區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水，通過(guò)孔隙、節(jié)理裂隙及構(gòu)造帶由上向下聯(lián)通，形成補(bǔ)給和排泄關(guān)系。

二、施工技術(shù)的方案

（一）淺埋偏壓段

在進(jìn)行淺埋偏壓施工時(shí)，需要采取一定的預(yù)防措施，保證巖體一側(cè)會(huì)不會(huì)出現(xiàn)冒頂、塌方、失穩(wěn)等問(wèn)題，同時(shí)需要對(duì)由于偏壓而造成的砼脫落、裂縫、拱架變形、二襯砼開(kāi)裂、結(jié)構(gòu)錯(cuò)位等問(wèn)題進(jìn)行有效預(yù)防。若是施工方法以及工序缺少合理性，質(zhì)量控制缺少有效性，就會(huì)使隧道的進(jìn)洞環(huán)節(jié)受到極大影響。

借助對(duì)毛羊嶺1號(hào)隧道進(jìn)口圖紙?jiān)O(shè)計(jì)情況、淺埋偏壓段地形、圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，確定了采用地表注漿、超前大管棚注漿對(duì)地表松散體、洞身拱部圍巖進(jìn)行加固，同時(shí)調(diào)整初期支護(hù)部分參數(shù)，重視監(jiān)控量測(cè)工作，及時(shí)進(jìn)行初支封閉、二次襯砌等工序。

1.地表注漿支護(hù)

針對(duì)毛羊嶺1號(hào)隧道DK115+244-DK115+274淺埋偏壓段圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，為保證隧道洞身安全開(kāi)挖，在地表淺埋段開(kāi)展地表注漿作業(yè)。隧道中線到其兩側(cè)邊線是注漿作業(yè)的橫向范圍，其距離是9m，原地面到開(kāi)挖輪廓線外0.8m的位置是鉆孔深度，邊墻區(qū)域鉆孔深度為隧底位置附近。

通過(guò)了解隧道斷面以及設(shè)計(jì)圖紙的尺寸，并借助巖體力學(xué)對(duì)開(kāi)挖之后的圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定其分布情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖極限平衡區(qū)的確定，其計(jì)算公式為:

R=r γH+Cctgφ )(1-sinφ)/(Cctgφ)](1-sinφ)(2sinφ)

其中，R為極限平衡區(qū)半徑，單位m；

r為隧道換算半徑，單位m；

C為巖體內(nèi)聚力，單位kN/m3；

φ為巖體內(nèi)摩擦角，單位°；

γ為隧道洞口頂部巖體密度，單位kg/m3；

H為巖體的重心高度，單位m。

對(duì)在巖體應(yīng)力場(chǎng)靜止情況下，隧道極限平衡區(qū)的半徑R進(jìn)行計(jì)算，促使淺埋偏壓位置的圍巖加固圖得到科學(xué)繪制，如圖1。

圖1 隧道淺埋偏壓段圍巖加固示意圖

通過(guò)對(duì)勘探資料的分析，在洞頂?shù)乇碜{的預(yù)加固區(qū)域，在橫向方向上布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，其間距為1.5m，在縱向方向上進(jìn)行新面設(shè)置，數(shù)量為11個(gè)，間距為3m，測(cè)量人員根據(jù)這個(gè)布點(diǎn)開(kāi)展測(cè)量工作，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行嚴(yán)格記錄，然后根據(jù)公式，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的鉆孔深度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到該環(huán)節(jié)采用的是縫隙注漿，因此地表注漿壓力控制在1.0-1.5Mpa。為了保證圍巖巖體具有良好的加固效果，應(yīng)該保證所有注漿孔的注漿量以及注漿壓力在規(guī)定范圍內(nèi)。

對(duì)于注漿量，可以借助理論計(jì)算加以確定，還可以借助試驗(yàn)獲取近似的數(shù)據(jù)。在洞頂位置確定一點(diǎn)，根據(jù)相同參數(shù)，對(duì)巖體開(kāi)展注漿實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而和布?xì)W的巖體充填率以及孔隙率，如表1所示，從而得到不同鉆孔所需的實(shí)際注漿量，進(jìn)而對(duì)總注漿量進(jìn)行確定。

表1 圍巖充填率與孔隙

q=ηα [(3d/2)2-(d/2)2]×π+π(d/2)2

其中，q為地表注漿量，單位m3；

η為被加固圍巖孔隙率，單位%；

α為充填率，單位%；

D為鉆孔直徑；

地表注漿總量Q=mq。

其中，Q為地表注漿總量，單位m3；m為地表注漿總長(zhǎng)度。

注漿過(guò)程中，要達(dá)到終壓1.5Mpa，確保注漿施工能夠達(dá)到理想效果。另外，該環(huán)節(jié)的注漿類型是縫隙注漿，因此為了減少漿液的凝固時(shí)間，可以在漿液中添加少量速凝劑，使?jié){液快速地加固松散的圍巖。

2.預(yù)加固鉆孔方法與注漿方法

（1）鉆孔方法

測(cè)量人員將預(yù)加固區(qū)域測(cè)繪出來(lái)，并對(duì)其加以標(biāo)記，施工人員將該區(qū)域的雜草以及浮石等清理干凈。為了保證注漿壓力能夠滿足實(shí)際要求，對(duì)其進(jìn)行C25噴射砼止?jié){層設(shè)置，止?jié){層設(shè)置范圍要大于地表注漿區(qū)域3m，止?jié){層施工完成，測(cè)量人員依照測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)孔位進(jìn)行放樣，根據(jù)梅花形狀進(jìn)行注漿孔設(shè)置，每個(gè)孔的距離為1.5m。并借助風(fēng)動(dòng)沖擊式潛孔鉆機(jī)開(kāi)展鉆孔工作，并根據(jù)計(jì)算得到鉆孔深度值，對(duì)其實(shí)際鉆孔深度進(jìn)行控制。

（2）注漿方法

在完成注漿花管下方作業(yè)之后，借助砂漿封堵花管與孔口之間的空隙，之后開(kāi)展注漿作業(yè)。注漿順序：先進(jìn)行外圍作業(yè)，之后進(jìn)行內(nèi)部注漿，才施工時(shí)采取間隔注漿的方式，并對(duì)相鄰兩個(gè)注漿孔的注漿間隔時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)延長(zhǎng)，在其中一個(gè)注漿口的漿液凝固之后，在進(jìn)行另一孔的注漿作業(yè)。

在注漿施工中，其初始?jí)毫υ?.7Mpa左右，終止壓力是1.5Mpa，在壓滿之后結(jié)束，同時(shí)維持終壓5分鐘。

3.超前管棚注漿支護(hù)

采用管棚施工作為縱向預(yù)支撐，與環(huán)向初支鋼拱架聯(lián)合形成剛度較大的整體，對(duì)隧道圍巖變形及地表下沉進(jìn)行限制，提前承受早期圍巖壓力，毛羊嶺1號(hào)隧道進(jìn)口超前管棚支護(hù)參數(shù)如下：規(guī)格為φ108×6mm鋼管、長(zhǎng)度30m、環(huán)向間距40cm。

（1）開(kāi)挖及支護(hù)技術(shù)

淺埋偏壓段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行開(kāi)挖，嚴(yán)格控制炮眼深度和裝藥量，同時(shí)保證預(yù)留核心土面積不小于整個(gè)上臺(tái)階面積的50%。開(kāi)挖后及時(shí)安裝鋼拱架、焊接連接筋、鋪掛鋼筋網(wǎng)、施作系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿、噴射混凝土并適時(shí)進(jìn)行中下臺(tái)階施工。毛羊嶺1號(hào)隧道進(jìn)口淺埋偏壓段支護(hù)參數(shù)為：環(huán)縱向間距1.2m×1.5m的φ22組合中空錨桿、φ22砂漿錨桿，縱向間距60cm的I20a全環(huán)鋼拱架，厚度28cm的C25噴射混凝土。

由于地形是左高右低，因此在開(kāi)展開(kāi)挖支護(hù)施工時(shí)，需要對(duì)偏壓因素進(jìn)行充分考慮，先進(jìn)行右側(cè)邊墻的開(kāi)挖支護(hù)，防止由于偏壓而造成拱墻位移和壓力大的一側(cè)由于暴露時(shí)間長(zhǎng)而造成變形裂縫等不利情況。調(diào)整系統(tǒng)錨桿的布置間距，偏壓一側(cè)（在錨桿每平米總根數(shù)不變的情況下）錨桿進(jìn)行加密，下臺(tái)階邊墻采用左右側(cè)邊墻交替開(kāi)挖支護(hù)的方法進(jìn)行施工。左右側(cè)邊墻錯(cuò)開(kāi)的距離應(yīng)該為3m，邊墻施工完成段及早施作初支仰拱與砼仰拱和填充，促使初支結(jié)構(gòu)盡快成環(huán)，提升其受力狀態(tài)，進(jìn)一步減小圍巖的形變量。

（2）監(jiān)控量測(cè)

在隧道施工中，監(jiān)控測(cè)量是重要環(huán)節(jié)，借助監(jiān)控測(cè)量，能夠?qū)鷰r動(dòng)態(tài)以及支護(hù)動(dòng)態(tài)進(jìn)行充分掌握，能夠保證支護(hù)參數(shù)選定的合理性，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性。通過(guò)在地表及洞內(nèi)拱頂、拱腰設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，為了保證監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分析超前管棚支護(hù)、調(diào)整錨桿布置參數(shù)、地表注漿支護(hù)對(duì)隧道初支形變的影響，在設(shè)計(jì)圖紙三臺(tái)階開(kāi)挖每個(gè)斷面7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加觀測(cè)點(diǎn)，其中拱頂增加2個(gè)、拱腰增加2個(gè)。每環(huán)地表、洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距3m。在完成測(cè)量點(diǎn)布置作業(yè)之后，應(yīng)該及時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在施工時(shí)，應(yīng)該對(duì)支護(hù)參數(shù)以及開(kāi)挖尺寸進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，若是圍巖的變速率沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，需要制定有效措施進(jìn)行補(bǔ)救。在開(kāi)展DK115+256-DK115+258洞身中左臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，發(fā)現(xiàn)上一循環(huán)已完成的噴射砼表面產(chǎn)生裂縫問(wèn)題，表明這個(gè)位置的圍巖壓力在不斷增大，同時(shí)其位移量也在增加，借助監(jiān)控檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖的收斂值也在不斷增加。施工人員借助減小開(kāi)挖尺寸以及開(kāi)展邊墻支護(hù)等措施，使圍巖處于合理的受力狀態(tài)，防止和避免了左側(cè)初支變形開(kāi)裂并侵線的情況。

（3）二次襯砌

在完成初期支護(hù)施工之后，需要及時(shí)進(jìn)行鋼筋砼仰拱施工，促使圍巖變形狀態(tài)以及應(yīng)力狀態(tài)得到改善，之后進(jìn)行二次襯砌作業(yè)。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)分析之后，發(fā)現(xiàn)淺埋偏壓隧道洞身，在早期形變以及最終的形變均在規(guī)范及設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，超前管棚注漿、地表注漿很好地加固了隧道拱頂以及地表的圍巖，最終使隧道安全完成了洞身施工。

（二）斷層破碎帶影響段施工

毛羊嶺1號(hào)隧道進(jìn)口DK115+450-DK115+495斷層破碎帶影響段，在洞身開(kāi)挖施工時(shí)存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)物探法以及TRT揭示地質(zhì)情況復(fù)雜，為保證順利地通過(guò)斷層破碎帶，采用型鋼鋼架+超前小導(dǎo)管+超前周邊注漿的方案對(duì)圍巖進(jìn)行加固并封堵圍巖裂隙水。超前周邊注漿鉆孔布置圖如圖2，注漿鉆孔剖面圖如圖3，注漿鉆孔平面圖如圖4。

圖2 超前周邊注漿鉆孔布置圖

圖3 注漿鉆孔剖面圖

圖4 注漿鉆孔平面圖

1.超前周邊注漿參數(shù)

根據(jù)類似的工程實(shí)例注漿參數(shù)取以下值：第一環(huán)鉆孔20個(gè)，鉆孔角度11°59′13″，斜長(zhǎng)30.67m。第二環(huán)鉆孔20個(gè)，鉆孔角度13°42′58″，斜長(zhǎng)22.65m。第三環(huán)鉆孔20個(gè)，鉆孔角度17°20′2″，斜長(zhǎng)14.67m。

2.鉆孔、注漿順序以及注漿材料及配比設(shè)計(jì)

鉆孔和注漿順序由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工，注漿形式采用前進(jìn)式注漿。注漿材料及規(guī)格為：采用P.O 42.5 1∶1普通硅酸鹽水泥凈漿。

3.準(zhǔn)備工作

（1）在正式開(kāi)展注漿施工前，需要合理選擇地質(zhì)預(yù)測(cè)方法，以對(duì)掌子面前方地質(zhì)的實(shí)際情況加以了解，根據(jù)鉆孔的出水情況進(jìn)行注漿施工。

（2）為保證止水效果以及作業(yè)安全，需要建設(shè)一面砼止?jié){墻，厚度為1.5m。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備一個(gè)循環(huán)注漿物質(zhì)。

（4）根據(jù)施工要求，做好管路連接工作，對(duì)連接點(diǎn)以及開(kāi)關(guān)等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，保證其質(zhì)量。之后啟動(dòng)注漿泵，對(duì)其密封性進(jìn)行壓水檢查。

（5）在檢查結(jié)果符合要求之后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)。根據(jù)一個(gè)壓力段開(kāi)展壓水試驗(yàn)。靜水壓力是其初始?jí)毫?，?duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格紀(jì)律，并分析地層滲透性，以保證漿液配合比的合理性。

4.超前周邊注漿施工

注漿施工前先進(jìn)行止?jié){墻施工，采用C20混凝土，厚度1.5m，止?jié){墻應(yīng)嵌入巖體并設(shè)置適量的徑向錨桿。鉆孔注漿應(yīng)在止?jié){墻強(qiáng)度達(dá)到75%后進(jìn)行。

（1）鉆孔

在止?jié){墻進(jìn)行1.8m、φ103mm注漿孔施工作之后，將濃稠超細(xì)水泥塞入孔中，之后進(jìn)行孔口管安設(shè)作業(yè)，其長(zhǎng)度為1.5m,φ108mm×5mm。之后借助φ90mm鉆頭開(kāi)展鉆孔施工作業(yè)，在鉆至8m深之后開(kāi)展注漿作業(yè)，并在每次鉆進(jìn)8m之后，進(jìn)行一次注漿作業(yè)。

（2）注漿

完成鉆孔施工之后，需要清洗鉆孔，保證孔中不會(huì)有巖粉殘留以及黏土雜質(zhì)的。并按照漿液配合比參數(shù)進(jìn)行漿液配置，對(duì)完成拌制的漿液進(jìn)行過(guò)濾處理，之后倒入儲(chǔ)漿桶中，一邊攪拌一邊開(kāi)展注漿作業(yè)。

（3）注漿壓力控制

注漿壓力控制在0.5-1.5Mpa符合實(shí)際要求，為注漿質(zhì)量提供保障。

（4）注漿順序

在注漿時(shí)，應(yīng)該按照先外圈孔、后內(nèi)圈孔，先淺孔、后深孔，由外而內(nèi)、先上后下的注漿順序，開(kāi)展注漿作業(yè)。

（5）漿液濃度

在確定漿液濃度時(shí)，應(yīng)遵循先稀后濃、逐級(jí)變化原則。

5.注漿效果檢驗(yàn)

注漿結(jié)束后，在開(kāi)挖輪廓線范圍內(nèi)打設(shè)檢查孔，檢測(cè)注漿效果，每循環(huán)設(shè)檢查孔5個(gè)，其中拱部2個(gè)，左右邊墻各1個(gè)，底部1個(gè)，檢查孔直徑φ110mm，長(zhǎng)度約30m。

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：①檢查孔的出水量應(yīng)該為0.2L/min.m在以下，壓水試驗(yàn)應(yīng)該不大于1.0MP壓力，進(jìn)水量應(yīng)該低于2L/min。

②巖體RQD指標(biāo)達(dá)到75-80。

若是不符合上述條件，需要補(bǔ)充注漿，直到符合標(biāo)準(zhǔn)為止。注漿檢查孔在注漿效果檢查完成后及時(shí)用M10水泥砂漿進(jìn)行全孔封堵。

隧道洞口淺埋偏壓、隧道穿越斷層破碎帶作為暗挖隧道的施工難點(diǎn)，多年以來(lái)一直都是工程技術(shù)人員攻克的施工課題。隧道施工風(fēng)險(xiǎn)高，為了保證安全施工，針對(duì)施工重難點(diǎn)必須采用行之有效的施工措施確保安全。通過(guò)采用超前管棚注漿、淺埋段地表注漿、超前周邊注漿，使毛羊嶺1號(hào)隧道安全通過(guò)了淺埋段及斷層破碎帶段，為今后類似的工程施工提供了一定的參考。