高速鐵路隧道粉砂膠結層施工控制技術

張紹俊ZHANG Shao-jun

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原030024）

1 工程概況

云竹隧道位于新建太焦高鐵山西段，武鄉(xiāng)站和榆社西站之間，隧道全長3850m，最大開挖斷面150 多平米，最大埋深約97.92m，最小埋深僅1.5m。隧址區(qū)沖溝發(fā)育，地表植被較少，地下水主要賦存于第三系松散層孔隙及三疊系基巖裂隙中，以第三系松隙潛水為主，正洞最大涌水量16701.49m3/d，正常涌水量10208.92m3/d。隧道出口段洞身穿越第三系地層，粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂相互夾雜，局部膠結、半膠結，呈松軟結構；外界擾動時，半膠結砂層具有流動性；粉質(zhì)黏土膠結層密閉節(jié)理發(fā)育，開挖卸荷導致節(jié)理開張，遇水軟化特性顯著，并具有膨脹性，拱腳易脫落，極易坍塌。

2 膠結層施工技術方案的確定

根據(jù)黏土、粉砂膠結層具有流動性、遇水膨脹性的工程地質(zhì)特性，確定隧道穿越此地層按“管超前、預注漿、控進尺、早支護、快成環(huán)、控步距”的原則組織施工，關鍵工序施工工藝流程見圖1。

圖1 粉砂膠結層關鍵工序工藝流程圖

該段采用管棚+小導管超前支護，帷幕注漿超前固結前方土體，洞身開挖采用三臺階臨時仰拱法，機械法開挖輔以人工配合。初期支護采用I22a 工字鋼進行支護，間距0.6m，鋼筋網(wǎng)采用Φ8 鋼筋網(wǎng)@20×20cm，初支厚度30cm。臨時支護采用I18 工字鋼，臨時仰拱噴射混凝土厚18cm。

掌子面掘進每班一榀鋼架，開挖后立即對開挖面初噴，及時安裝鋼架及鋼筋網(wǎng)片并復噴至設計厚度，打設系統(tǒng)錨桿。臨時仰拱鋼架及時施作并噴錨防護，盡早初支成環(huán)；設立專門監(jiān)測小組，按照設計監(jiān)測頻率及時掌握沉降及收斂數(shù)據(jù)信息，以便采取有效措施，并及時調(diào)整支護參數(shù)。

3 施工技術控制要點

3.1 超前支護技術

①洞身粉砂層及膠結層段落，超前支護為拱部140°范圍Φ89 超前中管棚+Φ42 超前小導管，與鋼拱架一起共同受力，確保地層穩(wěn)定，降低施工中地層沉降及滑塌風險。中管棚采用Φ89 熱軋無縫鋼管，壁厚5mm，長10m。鋼花管前端1.5m 不鉆注漿孔作為預留止?jié){段，其余部分開孔，孔間距14cm，梅花型布置。

管棚施工時，為保證管棚支護效果，盡量減小管棚外插角，現(xiàn)場采用在鋼拱架腹板位置燒孔，預留管棚打設位置，管棚端部與鋼拱架焊接一起。為了保證注漿質(zhì)量，要用注漿壓力與注漿量雙指標控制注漿結束時間，同時可采取二次注漿的方式保證施工質(zhì)量。[1]

小導管施工時，若地層適合成孔，先成孔再安裝小導管；具有流動性的粉砂半膠結層易塌孔，用鉆機帶小導管一次鉆進安裝到位。注漿施工前用噴混封閉開挖面，當單孔注漿量達到設計注漿量時，結束注漿。

3.2 帷幕注漿加固技術

掌子面采用全斷面帷幕注漿?，F(xiàn)場帷幕注漿施工如圖2。

①孔位布置：注漿加固圈為開挖輪廓線外5m，每次注漿施工長度為30m，掌子面開挖25m，預留5m 地層作為止?jié){墻。第一循環(huán)采用1.5m 厚C20 砼止?jié){墻。注漿孔環(huán)向間距300cm，每次注漿施工打設111 個孔位。

②鉆孔：采用管棚鉆機成孔，開孔孔徑不小于108mm，孔底不小于90mm；孔口采用Φ108mm 無縫鋼管，長300cm，孔口管埋設牢固，止?jié){良好。鉆孔時遇涌突水或塌孔造成卡鉆時，暫停鉆孔，二次孔內(nèi)注漿后再組織成孔作業(yè)。[2]

③注漿：鉆孔和注漿順序由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工，注漿形式采用后退式注漿，巖層破碎容易造成坍孔時，采用前進式注漿。注漿材料采用0.8～1∶1 水泥漿，42.5 號普通硅酸鹽水泥。

④注漿結束標準：單孔結束標準：當達到設計終壓并繼續(xù)注漿10min 以上，且注漿量不小于設計進漿量的80%，單孔進漿量小于初始進漿量的1/4，支護后注漿達到設計終壓，單孔注漿結束。

全段結束標準：單孔注漿達到結束標準且注漿后段內(nèi)涌水量不大于1m3/m.d 時，全段注漿結束，否則需要補注漿。

⑤注漿檢查：可采取鉆孔取芯法、壓水試驗法對注漿效果進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)注漿加固效果不良，必須進行補充注漿。[3]

圖2 現(xiàn)場帷幕注漿施工

3.3 洞身開挖及初期支護

洞身開挖采用三臺階臨時仰拱法，機械法開挖，堅持“少擾動、控進尺、早支護、快成環(huán)、控步距”的原則。初期支護采用I22a 工字鋼進行支護，間距0.6m，鋼筋網(wǎng)采用Φ8鋼筋@20×20cm，噴射混凝土厚度30cm，Φ42 鎖腳錨管，長4.5m。臨時支護采用I18 工字鋼，臨時仰拱噴射混凝土厚18cm。

厚4cm 初噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架、復噴、錨桿、鎖腳錨管等初支工序連續(xù)作業(yè)，并自檢合格。鋼拱架安裝要緊貼掌子面，防止初支施工過程中，拱頂?shù)魤K及降低砂層流動性帶來的溜塌風險。

臨時仰拱拱架拆除需待圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可進行。拆除臨時仰拱時，先拆除上臺階臨時仰拱，同時在拆除的過程中做好拱頂下沉，周邊收斂的監(jiān)測。上臺階臨時仰拱拱架拆除后如果監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定則可拆除中臺階臨時仰拱。

隧道施工成立專業(yè)超前地質(zhì)預測預報小組，并將該項工作納入施工工序管理，實現(xiàn)信息化施工，提前掌握開挖地層的特性，確定合理的支護參數(shù)和施工方法，制定施工中可能出現(xiàn)的各種問題的處理預案，確保工程質(zhì)量和施工安全。針對該類型地層，隧道內(nèi)主要采用超前水平探孔、掌子面地質(zhì)素描、TSP 等超前預報手段。

3.4 新形勢下仰拱及二襯逐窗入模技術

面對新形勢下高鐵建設管理新常態(tài)和鐵總質(zhì)量安全紅線管理規(guī)定要求，需全面提升質(zhì)量安全意識。隧道襯砌方面，根據(jù)國鐵集團《高鐵建設項目質(zhì)量安全紅線暫行管理辦法》規(guī)定，混凝土強度不足及仰拱、二襯安全步距超標均屬紅線問題。針對這一形勢，我們嚴控仰拱及二襯施工步距，二次襯砌采用逐窗澆筑、拱頂帶模注漿技術，規(guī)避襯砌砼缺陷風險；現(xiàn)場施工見圖3。

對于襯砌強度不足問題，由于傳統(tǒng)布料工藝易造成二襯混凝土出現(xiàn)蜂窩麻面、集料窩、冷縫等質(zhì)量問題，為滿足質(zhì)量要求，二襯施工采用混凝土逐窗入模工藝，避免傳統(tǒng)澆筑工藝缺陷，有效保證襯砌混凝土質(zhì)量。具體澆筑流程工藝為：設置砼分流裝置，通過主輸送泵管、料斗、各級滑槽、漏斗達到逐窗入模。在一級窗口進料時，關閉二級、三級窗口；二級窗口進料時，關閉一級、三級窗口；三級窗口進料時，關閉一級、二級窗口。

對于仰拱步距問題，在保證下臺階工作長度的情況下，仰拱及時開挖，及時支護，盡早封閉成環(huán)，整體受力，確保支護結構穩(wěn)定；滿足條件時盡早施工仰拱及填充。對于二襯步距問題，仰拱施工后，在初期支護變形滿足條件情況下，要配足人員，及時施工襯砌混凝土，尤其是對于粉細砂膠結層等不良地質(zhì)地段，施工中要盡量縮短二襯步距，以保證施工安全。

圖3 現(xiàn)場拱頂帶模注漿

4 施工注意事項

①由于該地層擾動后局部有流動性、遇水軟化膨脹的特性，施工中尤其重視地下水的引排及施工用水的收集，避免浸泡拱腳、墻腳，降低地層承載力。②機械法開挖人工配合過程中，安排專人觀察各開挖面地層穩(wěn)定情況，防止大塊度膠結層掉落傷人、傷設備。③超淺埋粉砂膠結層地段，提前施工地表注漿及地表排水設施，再按照以上工藝流程做好洞內(nèi)預支護、預注漿。④掌子面的開挖進度要與仰拱步距紅線要求相適應，步距不能超標；同時掌子面進度仍需滿足各監(jiān)管方要求，勢必要增加仰拱作業(yè)人員及模板的投入，做到24 小時不間斷施工仰拱。⑤加強二次襯砌逐窗入模及拱頂帶模注漿施工管理，切實降低二襯混凝土背后脫空及強度不足引起的紅線監(jiān)管壓力。

5 結束語

太焦高鐵云竹隧道黏土、粉砂膠結層段落施工，通過應用超前管棚+超前預注漿加固技術，在洞身開挖及支護過程中取得良好效果；二次襯砌采用逐窗入模及拱頂帶模注漿施工技術，在各級監(jiān)管檢查及多次國鐵集團紅線檢查中評價良好。諸多施工技術的應用，確保了整個施工、驗收階段安全、平穩(wěn)，在其他不良地質(zhì)地段亦有較大的借鑒意義。在進行類似隧道工程施工時，可根據(jù)具體施工環(huán)境并參考該施工技術合理選擇施工方案，以確保隧道施工質(zhì)量可靠、安全可控、信譽可保。