礦山法隧道掌子面多巖性處理施工技術(shù)

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

1 引言

柳城隧道為南龍鐵路重難點項目和高風險隧道，全長3 620m，線路穿越的地層條件多樣，不良地質(zhì)頻發(fā)。地質(zhì)的復雜特殊性造成隧道施工難度大，以隧道DK100+588～DK101+160 段為例，該段落為高壓富水超長地質(zhì)構(gòu)造帶，地形復雜，圍巖變化極快，出現(xiàn)一個工作面多種圍巖的狀況，地應力、高地溫造成軟巖大變形，施工過程多次發(fā)生突泥突水現(xiàn)象，日涌水量超過4 500m3/d。巖層交錯復雜，縫隙發(fā)育，巖體遇水膨脹風化嚴重。

2 工程概況

2.1 工程背景

本項目為南龍鐵路柳城特長隧道，全長3 596m，設計為雙線隧道，隧道場區(qū)內(nèi)有平移斷層、褶皺帶[1]，隧址地層主要為石英砂巖、變質(zhì)砂巖夾粉砂巖，隧道各級巖性為Ⅱ級圍巖640m，Ⅲ級圍巖2 192m，Ⅳ級圍巖483m，Ⅴ級圍巖281m。

2.2 工程重難點

1)本工程隧道地處破碎帶、侵入接觸帶，節(jié)理極密[2]，整體性差，不利于施工。

2)圍巖導水性高，如何避免施工過程中產(chǎn)生涌水等地質(zhì)災害，消除運營后由于水位降低引起農(nóng)業(yè)灌溉及飲用水困難，確保工程施工和運營安全，是本工程的難點。

3）隧道掌子面分布有不同巖性[3]，軟硬不均，易造成隧道結(jié)構(gòu)偏壓，改善結(jié)構(gòu)偏壓問題是本工程的難點。

3 掌子面多巖性分析

3.1 當掌子面存在兩種巖性

對隧道的變形情況來說，分界線在隧道高度1/4、1/2 和3/4 處，基本可以得出類似的結(jié)論，對于軟巖在上，硬巖在下的情況，都是拱頂下沉量較大，隧道底部隆起量較小，在分界線角度為90°時，隧道結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)變形差異最大[4]。

分界線高度的不同，隧道的變形情況沒有表現(xiàn)出明顯的差異，變化趨勢基本類似。

當分界線在水平位置時，得到的結(jié)構(gòu)變形圖以及內(nèi)力圖是對稱的，隨著分界線傾斜角度的變化，變形和內(nèi)力都改變，對于內(nèi)力在分界線附近呈現(xiàn)突變，說明在分界線處存在應力集中現(xiàn)象，因此在設計時，應考慮在分界線處加強[5]。

軟巖部分中的襯砌結(jié)構(gòu)特點是，內(nèi)力值均較大，而硬巖中則內(nèi)力均較小，因此軟巖中襯砌結(jié)構(gòu)受力較差，設計時應引起足夠的重視。

3.2 當掌子面存在3種巖性

對隧道的變形情況來說，中間巖層占隧道高度1/4、1/2 和3/4，基本可以得出類似的結(jié)論，當中間巖層位于水平位置和豎直位置的時候，隧道結(jié)構(gòu)變形是對稱的，其他情況均不對稱，當中間巖層為90°時拱頂下沉量最小，隧道結(jié)構(gòu)變形量與中間巖層傾斜角度有關[6]。

中間巖層的厚度不同，隧道的變形情況的差異比較明顯，隨著中間巖層厚度的增加，隧道結(jié)構(gòu)變形幅度也在增大。

當中間巖層在水平位置和豎直位置時，得到的結(jié)構(gòu)變形圖以及內(nèi)力圖是對稱的，隨著分界線傾斜角度的變化，變形和內(nèi)力都改變，對于內(nèi)力在分界線附近呈現(xiàn)突變，說明在分界線處存在應力集中現(xiàn)象，因此在設計時，應考慮在分界線處加強。

軟巖部分中的襯砌結(jié)構(gòu)特點是，內(nèi)力值均較大，而硬巖中則內(nèi)力均較小，因此軟巖中襯砌結(jié)構(gòu)受力較差[7]，設計時應引起足夠的重視。

4 掌子面多巖性治理方法

掌子面多巖性會對圍巖產(chǎn)生不良影響，在施工過程中應采取有效措施進行治理。傳統(tǒng)的施工方法加固范圍為隧道開挖邊界3～8m，注漿效果不理想，開挖易出現(xiàn)拱頂再次塌方，為生產(chǎn)帶來巨大的風險；針對此問題，提出一種動態(tài)超前預注漿結(jié)合長管棚的施工技術(shù)，通過動態(tài)超前預注漿設計概念，結(jié)合長管棚施工技術(shù)，分區(qū)定位注漿，從而形成堵水帷幕。

4.1 總體思路

掌子面多巖性治理方法通過動態(tài)超前預注漿及管棚相結(jié)合施工，采用動態(tài)超前預注漿技術(shù)，填充裂隙并提高圍巖整體性。另外結(jié)合雙層管棚施工，管棚支護結(jié)構(gòu)相當于對軟弱地層進行加筋（加肋）的方式，改善或者提高整個地層的自穩(wěn)能力，可以很好地解決掌子面拱部注漿不密實現(xiàn)象，加固效果會更好，可以有效地減少多巖性不整合接觸帶段開挖風險，確保隧道施工及營運安全。

與傳統(tǒng)工藝相比，更加有效地提高整個地層的自穩(wěn)能力，可以很好地解決掌子面拱部注漿不密實現(xiàn)象，縮短了施工工期。適用山嶺地區(qū)復雜地質(zhì)，特別是在圍巖多變，涌水量較大且易出現(xiàn)塌方情況下的隧道施工，對其它山嶺隧道多變復雜地質(zhì)施工具有指導作用和借鑒意義。

4.2 多巖性治理施工工藝

1)先期對多巖性不整合接觸帶掌子面進行預處理并注漿，具體包括：①利用隧道的洞渣對隧道掌子面反壓回填密實，并采用?42 小導管對反壓回填部分進行注漿處理；②澆注止?jié){墻，首先清理掌子面虛渣，并在拱頂上方打設兩排?25 砂漿錨桿，且?25 砂漿錨桿的外漏部分與止?jié){墻連接，用模袋法（砂袋填充密實后）澆筑止?jié){墻[8]；③分析掌子面地質(zhì)情況，并根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整注漿方案；④進行前進式分段超前預注漿及鉆桿后退式注漿兩種超前預注漿施工。

2)在超前預注漿完成后對掌子面拱部搭設雙層管棚，并注漿，第一層管棚角度為15°，第二層管棚的角度為20°，每一層管棚的總長度30m，兩層管棚水平間距1m，拱頂140°范圍內(nèi)、環(huán)向間距40cm 布孔，外插角3°～5°。

4.3 動態(tài)超前預注漿

動態(tài)超前預注漿技術(shù)為本文所提工藝的技術(shù)難點問題，在施工操作中予以重視，操作嚴格按照圖1所示的施工工藝流程進行，操作要點如下。

圖1 超前預注漿施工工藝流程

4.3.1 施做止?jié){墻

掌子面塌方體利用隧道洞渣反壓回填密實，掛網(wǎng)噴射10cm 混凝土對反壓體及掌子面進行封閉處理。采用?42 小導管對反壓回填部分注水灰比為1∶1 的水泥漿液，并模筑2m 厚C30 混凝土止?jié){墻[9]，止?jié){墻須連續(xù)澆注，澆注完后要養(yǎng)護2天以上，止?jié){墻施作如圖2。

圖2 止?jié){墻施作示意圖

4.3.2 鉆孔注漿順序

鉆孔注漿順序由外向內(nèi)，由下向上，按間隔1～2 孔跳孔原則進行[10]，如圖3 所示。

圖3 注漿鉆孔開孔布置示意圖

注漿具體步驟如下：①先施作A 序號6 個穩(wěn)定注漿孔，分別為A7、A9、A11、A13、A15、A17；②施作B 序內(nèi)圈一序孔穩(wěn)定注漿孔，分別B6、B8、B10；③施作A 序4 個二序注漿孔，分別為A8、A10、A12、A14、A16；④施作B 序2個二序注漿孔，分別為B5、B7、B9、B11；⑤施作C 序開挖輪廓線內(nèi)注漿孔，跳孔施作；以相同工序進行上斷面施工，孔數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整。

4.3.3 注漿參數(shù)

超前預注漿的注漿壓力按設計為注漿處靜水壓力加上1～2MPa，注漿結(jié)束壓力一般為4～6MPa。注漿加固范圍取開挖輪廓線外5m。注漿孔布置；終孔間距3.0m，合計69 個（根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整)，如圖4 所示。

4.3.4 注漿結(jié)束標準

當注漿壓力達到4～6MPa，并穩(wěn)定10min后，即可結(jié)束該孔注漿[11]。

圖4 注漿鉆孔縱剖面布置示意圖

4.3.5 注漿效果檢查及評定

注漿效果可采用P-Q-t 曲線法、漿液填充率反算、檢查孔法進去檢查和評定。

4.4 管棚施工

4.4.1 工藝流程

管棚施工技術(shù)與動態(tài)超前預注漿工藝組合為本文所提工藝的創(chuàng)新所在，在施工操作中應與注漿技術(shù)的相互結(jié)合，并嚴格按照圖5 所示的施工工藝流程進行。

圖5 管棚施工工藝流程

4.4.2 施工操作要點

1)制作鋼花管 管棚采用中空桿體?76mm，壁厚10mm，布15cm 間距孔采用梅花型[12]，桿段之間采用連接套相連。

2)鉆進鋼管棚 為使鋼管接頭錯開，第一節(jié)管采用8m 和6m 交替布置。

3)注漿水灰重量比1∶1，注漿壓力1～3MPa，估算單根鋼花管的注漿量。

式中q——注漿量；

Rk——漿液擴散半徑，取Rk=0.6Lo；

Lo——鋼花管中心距離；

L——鋼花管長度；

η——空隙率，砂土40%，粘土20%，破碎帶5%。

5 結(jié)語

根據(jù)柳城隧道的特點，對掌子面多巖性綜合治理方法進行研究，本方法適用于礦山法開挖的復雜巖性、富水巖層隧道施工，其特點如下。

1）掌子面多巖性綜合治理方法采用動態(tài)超前預注漿技術(shù)，提高圍巖完整性，減小圍巖透水性和抗?jié)B性，以達到減少水資源流失的目的。

2）利用管棚支護結(jié)構(gòu)對軟弱地層進行加筋（加肋）的方式，改善或者提高整個地層的自穩(wěn)能力。

3）管棚支護很好的解決掌子面拱部注漿不密實現(xiàn)象，加固效果更好。

4）掌子面多巖性綜合治理方法有效地減少多巖性不整合接觸帶段開挖風險，確保隧道施工及營運安全。