白云巖砂化地層條件下隧道施工工藝研究

丁榮春

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162）

1 工程概況

成昆鐵路吉爾木隧道位于四川省越西縣境內(nèi)，全長(zhǎng)11132m，洞身主要通過(guò)灰?guī)r、玄武巖、頁(yè)巖、泥巖夾煤線、泥巖夾砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等16套地層，1條斷層、1處斷層影響帶，地質(zhì)復(fù)雜多變。其中1#橫洞工區(qū)、2#橫洞工區(qū)、3#橫洞工區(qū)主要為白云巖地層，白云巖砂化現(xiàn)象嚴(yán)重，施工中多次發(fā)生突水涌泥現(xiàn)象，如何在砂化白云巖地層條件下順利施工成為工程控制重點(diǎn)。

2 隧道在白云巖砂化地層中施工時(shí)遇到的問(wèn)題

2.1 無(wú)水地質(zhì)條件下

掌子面在無(wú)水地質(zhì)條件下具有一定的強(qiáng)度及自穩(wěn)性，未擾動(dòng)時(shí)巖體強(qiáng)度較大，施工中需爆破開(kāi)挖，隧道開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍之內(nèi)。但是，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺及支護(hù)時(shí)間，減少圍巖暴露時(shí)間。開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)大、初期支護(hù)不及時(shí)容易造成拱頂圍巖失穩(wěn)，造成局部掉塊、冒頂、坍塌等危害。

2.2 地下水發(fā)育地段

白云巖砂化地層在地下水發(fā)育地段，圍巖穩(wěn)定性變差，受裂隙水浸泡，巖體軟化嚴(yán)重，掌子面自穩(wěn)性較差，存在失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。砂化白云巖在地下水?dāng)y帶作用下容易形成水道，造成突水涌泥現(xiàn)象，隧道開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)極高。施工過(guò)程中主要存在以下幾種風(fēng)險(xiǎn)：

1）掌子面在地下水作用下極易發(fā)生坍塌和垮塌。

3）掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，砂化白云巖在地下水?dāng)y帶下形成塌腔，并在地下水作用下逐漸增大，最后形成突涌。

4）支護(hù)完成后由于拱腳遭地下水浸泡，造成局部下沉，引發(fā)掉拱、塌方。

3 白云巖砂化地層下開(kāi)挖方法選擇

為解決砂化白云巖地層中的開(kāi)挖施工，重點(diǎn)是要解決富水地層及砂化嚴(yán)重地段的掌子面失穩(wěn)及突水突砂情況，開(kāi)挖方法具體內(nèi)容如下。

3.1 銑挖法

對(duì)于白云巖砂化情況不嚴(yán)重，掌子面自穩(wěn)性較好的情況，采用爆破與銑挖相結(jié)合的施工方法，鉆眼時(shí)通過(guò)調(diào)整鉆爆參數(shù)，使爆破后開(kāi)挖面保留50cm左右?guī)r層。出碴結(jié)束后，對(duì)欠挖巖層使用銑挖鉆頭銑挖處理。該方法可以減少開(kāi)挖時(shí)對(duì)周邊巖層的擾動(dòng)，控制超挖，減少立架及噴射混凝土?xí)r間。

對(duì)于砂化嚴(yán)重，圍巖強(qiáng)度較低，但掌子面自身尚有一定自穩(wěn)性的地段，可采用全斷面銑挖的方式。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在該類巖層中銑挖速度最大可達(dá)到50m3/h。銑挖時(shí)，每次進(jìn)尺控制在0.5-0.8m。采用銑挖作業(yè)可避免爆破作業(yè)時(shí)爆炸波對(duì)周圍巖層的擾動(dòng)，保持周邊圍巖的整體性，減少開(kāi)挖后立架過(guò)程中周邊圍巖的塌落及后續(xù)圍巖對(duì)拱架的作用力。

3.2 凍結(jié)法

在富水白云巖地段，當(dāng)?shù)叵滤枯^大，無(wú)法采用正常法掘進(jìn)施工時(shí)，可考慮采用凍結(jié)法施工：用人工制冷的方法，將待開(kāi)挖隧道輪廓線周圍土體中的水凍結(jié)為冰，并與土體膠結(jié)在一起，形成一個(gè)設(shè)計(jì)輪廓范圍內(nèi)的凍土墻或密閉的凍土體，用于抵抗土壓力，隔絕地下水，并在凍土墻的保護(hù)下，進(jìn)行隧道開(kāi)挖。當(dāng)巖體中含水率非常小或地下水流速相當(dāng)大時(shí)，該方法不適用。

3.3 常規(guī)措施及方法

常規(guī)措施及方法有以下幾點(diǎn)：

草甘膦自1985年在中國(guó)登記使用，目前登記狀態(tài)有1347種藥。這種滅生性除草劑種類并不多，有草甘膦、百草枯、草銨膦，各有優(yōu)缺點(diǎn)。近日，江西公布有三批次茶葉被檢測(cè)出草甘膦檢出值超標(biāo)。為什么國(guó)內(nèi)市場(chǎng)草甘膦也不能很快被更安全的草銨膦替代？答案就在草甘膦與草銨膦的成本對(duì)比之中。從成本上看，一噸草甘膦的價(jià)格大約在2萬(wàn)元，而一噸草銨膦的價(jià)格大約在15萬(wàn)元。兩者之間的價(jià)格鴻溝就是橫亙?cè)诓柁r(nóng)眼前的天塹。

1）超前支護(hù)：采用中管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，防止掌子面失穩(wěn)。

2）地下水富集地段，減小開(kāi)挖斷面，分部開(kāi)挖，每循環(huán)開(kāi)挖采用噴射混凝土封閉掌子面，避免掌子面圍巖裸露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)滲水、失穩(wěn)現(xiàn)象。開(kāi)挖時(shí)適當(dāng)加大預(yù)留變形量，防止沉降過(guò)大造成侵限。開(kāi)挖進(jìn)尺根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況適當(dāng)調(diào)整，控制在0.5～1.0m范圍內(nèi)。

3）初期支護(hù)：采用Ⅴc型復(fù)合襯砌進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)圍巖較差時(shí)可減小拱架間距，拱架安裝時(shí)應(yīng)緊貼掌子面，減少拱架與掌子面間的間隙，防止拱架與掌子面間暴露部分出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

4）遵循快挖、快支、快封閉的原則，上、中、下臺(tái)階分別開(kāi)挖支護(hù)，隨開(kāi)挖，隨支護(hù)，快循環(huán)。

5）做好隧道內(nèi)排水引排措施，初支拱腳處挖設(shè)排水溝，避免浸泡拱腳造成拱架和基底軟化。基底已軟化的松散層及時(shí)清理?yè)Q填，避免翻漿。

4 白云巖砂化地層下超前支護(hù)方式的選擇

由于白云巖砂化地層漿液的擴(kuò)散性較差，注漿不容易形成加固整體，因此選擇合適的超前支護(hù)方法和注漿材料尤為重要。通過(guò)施工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)，確定了如下施工方法。

4.1 雙層自進(jìn)式管棚（錨桿）支護(hù)

砂化白云巖地層圍巖自身整體性較差，超前管棚及小導(dǎo)管施作時(shí)容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，因此施工時(shí)可選擇自進(jìn)式管棚（錨桿）支護(hù)技術(shù)，通過(guò)控制管棚（錨桿）間距，形成封閉式棚護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到支撐拱部圍巖的效果。管棚布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙層管棚支護(hù)圖

1）導(dǎo)管規(guī)格：熱軋無(wú)縫鋼管；外徑89mm，壁厚6mm。

2）施做范圍及管距：環(huán)向間距20mm（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可適當(dāng)加密至可施作的最小間距），施做范圍拱部161°。

3）傾角：外插角以1°～3°為宜，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。

4）注漿材料：1：1水泥漿，當(dāng)圍巖破碎，為調(diào)凝需要，可部分采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液強(qiáng)度≥M10，水泥選用超細(xì)水泥，保證擴(kuò)散效果。

4.2 采用高壓水平旋噴樁進(jìn)行超前加固

噴射注漿法又稱旋噴法注漿，簡(jiǎn)稱旋噴樁。高壓水平旋噴樁對(duì)處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等具有良好的加固效果，將預(yù)先配置好的漿液通過(guò)高壓發(fā)生裝置獲得巨大能量后，從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來(lái)，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞松散圍巖，噴射過(guò)程中，鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊退出，使?jié){液與圍巖充分?jǐn)嚢杌旌?，在松散圍巖中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體，從而使圍巖得到加固，同時(shí)鎖腳部位也可以采用旋噴樁進(jìn)行加固。

高壓水平旋噴樁施工工藝較復(fù)雜，施工速度較慢，在塌腔較大、砂化較嚴(yán)重的地段可選用這種施工工藝。

4.3 玻璃纖維錨桿全斷面超前預(yù)加固技術(shù)

在掌子面進(jìn)行干鉆，鉆孔近似平行于隧道軸線并均勻分布在掌子面上，長(zhǎng)度一般大于隧道直徑。鉆孔后將玻璃纖維錨桿（組合錨桿）插入孔內(nèi)并立即注入水泥漿。當(dāng)隧道掘進(jìn)后，掌子面超前核心土中玻璃纖維錨桿（組合錨桿）的剩余長(zhǎng)度不足以確保隧道的預(yù)約束時(shí)則需布設(shè)下一排玻璃纖維錨桿。

玻璃纖維錨桿有良好的抗拉強(qiáng)度和較大脆性，能有效控制掌子面擠壓變形的同時(shí)，開(kāi)挖過(guò)程中挖機(jī)可以很容易將其挖斷。該工藝可以有效地改善掌子面超前核心土的應(yīng)力-應(yīng)變特性，使其得到預(yù)測(cè)和控制，從而充分發(fā)揮洞室的預(yù)約束效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，白云巖砂化地質(zhì)條件決定了其在施工工程中會(huì)容易發(fā)生坍塌、突泥、突砂等地質(zhì)災(zāi)害，因此，選擇合適的開(kāi)挖工法及超前加固措施尤為重要。施工中可以多種方法搭配使用，最大限度減少砂化白云巖對(duì)隧道施工的危害。