隧道穿越巖體破碎帶超前支護(hù)施工技術(shù)

段玉武

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概況

九綿高速桂溪隧道左線(ZK191+377.083-ZK194+425)長3 048 m，右線(右線為K191+335.877-K194+419.5)長3 083.7 m，為雙向隧道，左右分開施工，隧道凈空高度為8.65 m，寬度達(dá)11.06 m。隧道左線綿陽端內(nèi)路面縱坡為2.25%的上坡，隧道右線縱坡為2.25%的上坡，出口路面橫坡2%。左線明暗交界樁號為ZK194+412，洞門形式為削竹式；右線明暗交界樁號為K194+410，洞門形式為端墻式。

按照水文地質(zhì)勘察的結(jié)果分析，桂溪隧道施工區(qū)域內(nèi)，不存在較大的泥石流、采空區(qū)等不良地質(zhì)問題，利于隧道開挖施工。但施工區(qū)域內(nèi)裂隙帶發(fā)育，巖土破碎嚴(yán)重，成洞性比較差，隧道穩(wěn)定性較差，在隧道開挖施工中容易發(fā)生掉塊、坍塌等問題。工程施工的主要重難點在于，斷層破碎圍巖段如何有效控制支護(hù)效果，防坍塌和防突水、突泥。

2 斷層破碎圍巖段隧道超前支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙排超前小導(dǎo)管

雙排超前小導(dǎo)管是軟弱圍巖隧道開挖時經(jīng)常采用的一種支護(hù)工藝，主要應(yīng)用于自穩(wěn)時間不長的軟弱斷層破碎巖層帶、隧道淺埋段、隧道洞口偏壓段、隧道砂層段巖體破碎帶。

K192+064-K192+181(ZK192+023-ZK192+148)、K192+504-K192+623(ZK192+469-ZK192+582)段落區(qū)間為L2、L3裂隙密集帶，V級圍巖地段，含有礫石層、中砂、粗砂，易發(fā)生涌水現(xiàn)象，設(shè)計的襯砌類型為Z5a，襯砌參數(shù)見表1。超前支護(hù)則采用了直徑為42 mm的小導(dǎo)管，小導(dǎo)管布設(shè)的間距可按照現(xiàn)場實際情況進(jìn)行有效的加密處理。雙排超前小導(dǎo)管斷面施工如圖1所示。

雙排小導(dǎo)管的直徑為42 mm，壁厚4 mm、長度4.5 m。為提升支護(hù)效果，小導(dǎo)管連接時，接頭要注重搭接長度的控制，不應(yīng)低于100 cm；外層挖插角則需要控制在15°左右；進(jìn)尺深度有兩種，一種是0.6 m，另一種是0.5 m；超前小導(dǎo)管的排距控制在3 m左右[1]。

表1 V級圍巖地段洞身襯砌參數(shù)

圖1 雙層超前小導(dǎo)管施工布設(shè)

雙排小導(dǎo)管施工步驟為： ① 鋼格柵加工成拱形結(jié)構(gòu)，隧道開挖輪廓線與鋼格柵輪廓線吻合。 ②在拱頂150°夾角范圍內(nèi)，把第一、二排小導(dǎo)管鉆進(jìn)去，確保第一排小導(dǎo)管與隧道開挖輪廓線呈8°，確保第二排小導(dǎo)管與隧道開挖輪廓線呈45°，兩排小導(dǎo)管間環(huán)向間距設(shè)計為30 cm。③把水灰比為1∶0.6～1∶0.8的水泥漿注進(jìn)小導(dǎo)管；當(dāng)周邊土體達(dá)到強(qiáng)度要求后，接著開挖隧道土體。④安放下一榀鋼格柵，并與前一榀鋼格柵牢固焊接。⑤重復(fù)先前步驟，直至穿過所有雙排小導(dǎo)管施工區(qū)域。

在富水地段應(yīng)用雙層超前小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)時，需要在掌子面上成孔注漿，漿液的壓力和飽滿度要進(jìn)行嚴(yán)格控制，以便巖隙中的水能夠被全部擠出，促使?jié){液能注滿整個巖石裂隙。讓巖體和漿液形成一個穩(wěn)定的整體，以提升加固效果[2]。在必要時可適當(dāng)增加周邊深孔預(yù)注漿，開挖之后再進(jìn)行周邊注漿，但此時注漿材料要選擇純水泥漿液。

2.2 全斷面深孔預(yù)注漿

如果通過超前地質(zhì)預(yù)報發(fā)現(xiàn)隧道不僅掌子面而且周邊都存在一定的涌水和突泥風(fēng)險，此時可以采用全斷面深孔預(yù)注漿，可以迅速把漿液與破碎巖體及土層顆粒粘接在一起，形成一個加固整體，不僅提高穩(wěn)定性，而且還可以提高防滲性。

實行全斷面深孔預(yù)注漿涉及的段落區(qū)間的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況：K193+470-K193+561(ZK193+434-ZK193+522)段落區(qū)間為厚度比較大的軟塑狀富水?dāng)鄬悠扑閹4，含有碎石層、粗砂，是孔隙率較大的松散地層，發(fā)生涌(突)水現(xiàn)象可能性大，故采用全斷面預(yù)注漿技術(shù)。進(jìn)行注漿的區(qū)域是隧道開挖輪廓線向外6 m的范圍，注漿深度為30 m左右，選取157個鉆孔進(jìn)行注漿，開孔位置需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行酌情調(diào)整[3]。在止?jié){墻中預(yù)埋規(guī)格為?127 mm×7 mm的無縫鋼管，其長度控制在300 cm左右，外露部分不宜小于25 cm，作為止?jié){墻施工的空口管，止?jié){墻前端需深入圍巖至少30 cm。具體的超前深孔預(yù)注漿布置如圖2、圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場及設(shè)備配置情況，分成四段將水灰比1～0.8的水泥漿開注，四段長度依次是1 200、1 800、2 400和3 000 cm，保證漿液能夠滲流到圍巖巖隙中，提升圍巖支護(hù)效果。

本工程注漿孔主要施工步序及重要參數(shù)：采取

圖2 全斷面深孔預(yù)注漿橫斷面布置(單位：cm)

圖3 注漿孔縱斷面(單位：cm)

傘狀布設(shè)方法，布設(shè)多圈注漿孔，內(nèi)圈和外圈的注漿孔要交錯布設(shè)，避免布設(shè)在同一條直線上，相鄰注漿孔要采取長短相間的方式布孔，以控制漿液半徑不低于11 cm。采取水泥+水玻璃的復(fù)合型漿液，水泥漿液的水灰比設(shè)定為0.8，添加0.3%～0.5%的水玻璃。從外向內(nèi)注漿，如果注漿孔同圈，要先對上部注漿孔進(jìn)行注漿，再對下部注漿孔注漿，間隔跳孔注漿，直到一個注漿段注漿完成之后，塞上止?jié){塞，控制每次循環(huán)注漿的長度不超過40 m，單孔注漿時，漿液擴(kuò)散半徑不應(yīng)低于2.5 m。

注漿壓力對注漿效果等都有很大影響。因此，在采取超前帷幕注漿支護(hù)技術(shù)時，需要對注漿壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制[4]。此外，注漿量也需要嚴(yán)格控制，注漿量的計算公式如下[5]：Q=πR2Lnaη。式中：Q為每個注漿孔的注漿量；R為注漿孔漿液擴(kuò)散半徑；L為注漿孔的實際長度(m)；n為注漿孔所在地層的巖土裂隙率；a為巖石裂隙中的漿液實際填充系數(shù)值；η為漿液消耗率。

2.3 超前周邊深孔預(yù)注漿

掌子面輪廓線周邊存在大范圍的富水區(qū)，而且水壓很高，涌水、突水風(fēng)險性極大；隧道周邊富水區(qū)水壓雖然不大，但是巖體不穩(wěn)固、開挖時容易導(dǎo)致塌方，導(dǎo)致大涌水，進(jìn)行超前探孔鉆進(jìn)66%時，就開始涌水，而且涌水總量超過10 m3/h，這些狀況建議進(jìn)行超前周邊預(yù)注漿處理。

K193+226-K193+330(ZK193+192-ZK193+293)段落區(qū)間孔隙裂隙潛水水量較大，當(dāng)進(jìn)行超前探孔時5/6孔位出水，且總量超過>11 m3/h，地下水十分豐富，必須實行超前周邊深孔預(yù)注漿。超前周邊注漿布置如圖4、圖5所示，外環(huán)孔在施工空間允許的情況下孔位布置應(yīng)盡量靠近隧道開挖輪廓線。

圖4 超前周邊注漿縱斷面(單位：cm)

圖5 超前周邊注漿D-D剖面(單位：cm)

根據(jù)斷層破碎帶地質(zhì)及富水情況按30 m設(shè)計，也是分四段進(jìn)行注漿，每段的長度分別為1 200、1 800、2 400和3 000 cm[6]。注漿材料、注漿順序、注漿工藝、注漿壓力等參照全斷面深孔預(yù)注漿。

為驗證本工程最終的注漿效果，當(dāng)注漿全部完成7 d后，進(jìn)行取芯檢測，以獲知漿液填充巖隙的情況。注漿達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)為漿液固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度不能低于0.3 MPa。為保證質(zhì)量檢測的有效性，檢測孔數(shù)不低于注漿孔數(shù)的4%，且不能少于5孔。此外，還需要采取5點法檢測抗?jié)B漏性，透水率不能超過2 Lu，且達(dá)標(biāo)率需要達(dá)到85%以上，以保證隧道圍巖支護(hù)效果。

2.4 超前錨桿施工

超前錨桿也是提升圍巖支護(hù)效果的關(guān)鍵技術(shù)，如果圍巖等級為Ⅳ級，需要采取直徑不小于22 mm的藥卷錨桿進(jìn)行支護(hù)，且長度不低于4.5 m，超前錨桿布設(shè)時，相鄰錨桿之間的環(huán)向間距要控制在40 cm左右，外傾角控制在10～14°之間。結(jié)合超前地質(zhì)勘探結(jié)果，合理確定錨桿的施工方向。在成孔操作時，為降低對圍巖的擾動和影響，采取人工手持風(fēng)鉆鉆孔的方法，鉆孔完成之后，填入錨固劑，并插入錨桿；當(dāng)錨桿的長度不足需要搭接時，其搭接長度不能小于1.0 m。

3 施工注意事項

(1)在雙層超前小導(dǎo)管施工中，小導(dǎo)管要盡量從鋼架中間位置穿過，端部要牢固焊接在承載儀器之上，保證各項標(biāo)準(zhǔn)和施工參數(shù)都滿足設(shè)計要求。鉆孔和安裝全部完成之后，及時封堵管口，以保證雙層超前小導(dǎo)管能夠承受規(guī)定的最大注漿壓力。

(2)注漿前，要先對隧道圍巖噴射厚度在50～100 mm之間的混凝土，形成襯砌面，以免在超前小導(dǎo)管注漿過程中發(fā)生漿液滲漏問題。

4 結(jié)束語

超前支護(hù)完成后，隧道掘進(jìn)時，在隧道土體裂隙中可以看到超前注漿后，水泥漿將破碎圍巖牢牢固結(jié)在一起，在實現(xiàn)穩(wěn)固的同時，開挖斷面沒有發(fā)現(xiàn)明顯滲水，證明采取的技術(shù)措施可以有效填塞裂隙，發(fā)揮堵水功效，超前支護(hù)起到了應(yīng)有止水固結(jié)效果。