暗挖隧道全斷面止水帷幕施工技術(shù)研究

吳寶坤

（中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300000）

隧道在穿越山嶺時(shí)往往會(huì)遇到不良地質(zhì)情況，常見的情況有破碎巖層，軟弱巖層，同時(shí)在山嶺地區(qū)水系復(fù)雜在山嶺巖層中富含地下水，當(dāng)?shù)叵滤性谄扑檐浫鯉r層中時(shí)是工程施工的隱患，山嶺隧道開挖至富含地下水的破碎巖層帶時(shí)，圍巖容易產(chǎn)生坍塌、地下水涌出等施工風(fēng)險(xiǎn)。為避免破碎巖層和地下水給工程帶來的風(fēng)險(xiǎn)，常見的隧道圍巖預(yù)處理、預(yù)加固的方法有超前小導(dǎo)管預(yù)加固、管棚預(yù)支護(hù)等方法，這些方法在隧道施工時(shí)對圍巖進(jìn)行提前預(yù)加固使得圍巖的承載能力得到提升。但是超前小導(dǎo)管在實(shí)施過程中使用的導(dǎo)管數(shù)量大注漿效果難以保證，管棚預(yù)支護(hù)工程量大需要使用的機(jī)械設(shè)備多工藝較為復(fù)雜，因此提出一種施工快速且注漿預(yù)加固效果好，實(shí)施過程便捷的隧道預(yù)加固方法。有學(xué)者對該問題進(jìn)行了研究，吳松鋒等對在富含地下水隧道中提出對圍巖進(jìn)行帷幕注漿堵水，建立注漿帷幕力學(xué)模型分析加固方案的效果[1]；劉香會(huì)等對鉆孔參數(shù)、注漿量等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)探討帷幕注漿對圍巖、掌子面的加固止水效果[2]；于松波等針對地質(zhì)環(huán)境差的特點(diǎn)提出帷幕加固的方案，通過觀察拱頂變形、地表沉降等分析加固效果[3]。

根據(jù)已有學(xué)者研究[4-14]，基于黔張常鐵路大坡隧道工程圍巖的破碎情況復(fù)雜同時(shí)受到地下水的干擾，本文大坡隧道施工提出一種全斷面止水帷幕的施工方法，止水帷幕通過注漿的方式提前對隧道輪廓線外的破碎巖層進(jìn)行注漿加固，使隧道的整個(gè)外輪廓得到充分的注漿加固形成一個(gè)圓筒形的注漿保護(hù)層，漿體在破碎圍巖形成帷幕能夠增加破碎圍巖的穩(wěn)定性和有效防止地下水的侵入。

1 工程概況

黔張常鐵路大坡隧道工程位于湘西龍山段境內(nèi)，該段地質(zhì)條件復(fù)雜受侵蝕溶蝕以及地下水影響大，山勢陡峭多呈“V”型谷。大坡隧道全長6678米，雙線隧道。該隧道輔助施工平行導(dǎo)洞5267米，進(jìn)口平導(dǎo)設(shè)7 個(gè)橫通道、出口平導(dǎo)設(shè)4 個(gè)橫通道。大坡隧道褶皺和斷層情況如表1。

表1 大坡隧道褶皺和斷層情況

褶皺斷層較多同時(shí)受溶蝕、地下水影響容易引起巖體坍塌、透水等，隧道適合采用采用全斷面止水帷幕的施工方法。采用注漿固結(jié)的形式使隧道拱頂、兩側(cè)、仰拱外側(cè)圍巖得到預(yù)先加固處理。全斷面注漿加固方法采用隧道開挖方向的方向進(jìn)行，在掌子面設(shè)置止?jié){墻作為注漿的基準(zhǔn)面，止?jié){墻上布設(shè)注漿鉆孔，注漿鉆孔內(nèi)埋設(shè)注漿小導(dǎo)管。為保證注漿效果，對止?jié){墻與隧道巖面的空隙進(jìn)行注漿封堵保證止?jié){墻封堵效果。帷幕注漿材料根據(jù)地質(zhì)和地下水情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，主要采用硫鋁酸鹽水泥并對注漿效果進(jìn)行評定。當(dāng)隧道穿越圍巖破碎帶等地質(zhì)條件較差的地段采用前進(jìn)式注漿，并根據(jù)地下水流量分段前進(jìn)式進(jìn)行即每次向前進(jìn)行注漿；當(dāng)圍巖較為完整時(shí)采用后退式注漿工藝，即開始注漿時(shí)噴出漿液的位置是注漿管的末端然后逐步向注漿孔孔口進(jìn)行；不同的地質(zhì)條件使用不同的注漿方式達(dá)到注漿效果的最優(yōu)方案。

2 全斷面止水帷幕工程參數(shù)

本工程所處地質(zhì)環(huán)境受溶蝕、地下水影響嚴(yán)重，褶皺斷層較多容易引起巖體坍塌、透水等，采用全斷面注漿的方式對隧道圍巖進(jìn)行預(yù)加固。加固范圍是隧道外輪廓線外5m，注漿范圍包括隧道的拱頂、兩側(cè)以及仰拱，注漿固結(jié)的形態(tài)大致呈現(xiàn)沿隧道外輪廓線的圓筒狀。全斷面帷幕注漿的推進(jìn)方向與隧道開挖方向一致，止水帷幕注漿每一循環(huán)30m，止?jié){墻厚度2m，其中止?jié){墻與掌子面形成相嵌狀態(tài)，起到穩(wěn)固掌子面巖層的作業(yè)；注漿孔擴(kuò)散半徑2m，孔底間距按3m布置。注漿鉆孔直徑采用130mm、長度1m 的無縫鋼管，可以為后續(xù)注漿孔插入作導(dǎo)向和定位作業(yè)，注漿鉆孔部需要安裝牢固。止水帷幕外形如圖1所示，漿液沿鉆孔填充滿巖層空隙區(qū)域和擠走地下水，隨著漿液在的流動(dòng)漿液壓力不斷減少直至停止流動(dòng)，漿液在巖層裂隙中硬化從而提高巖層強(qiáng)度和阻止地下水滲入。

圖1 帷幕注漿加固范圍示意圖

3 止?jié){墻及泄水孔施工工藝

止?jié){墻采用C20 混凝土，拱頂、兩側(cè)以及仰拱預(yù)埋設(shè)長度為2.5m 的Φ42 注漿小導(dǎo)管，對止?jié){墻與巖面間空隙進(jìn)行注漿封堵，確保注漿封堵效果。止?jié){墻形狀如圖2所示，止?jié){墻與隧道的內(nèi)輪廓和巖面緊密貼合，止?jié){墻的作用可以穩(wěn)固圍巖，并且可以為注漿孔和泄水孔提供作業(yè)區(qū)域便于注漿施工。

圖2 止?jié){墻布置圖

現(xiàn)場在掌子面后方2m，開挖輪廓線外1.5m位置左、右兩側(cè)分別布設(shè)泄水孔，孔深30m，終孔位于開挖輪廓線外10m。泄水孔布置如圖2 所示。然后施做施工平臺，施工平臺位于止?jié){墻的后部，施工凈空為不小于5m，縱向長度不小于16m。

4 帷幕注漿工藝

帷幕注漿的漿體采用硫鋁酸鹽水泥單液漿，其特性是早強(qiáng)快硬，注漿壓力在2MPa-6MPa 之間，注漿能夠迅速在注漿孔擴(kuò)散到巖體空隙和封堵地下水。

4.1 注漿材料配合比

預(yù)先規(guī)劃帷幕止水注漿的施工參數(shù)見表2 所示，漿液配比參數(shù)見表3 所示，一個(gè)循環(huán)的注漿包括止?jié){墻的制作、注漿形成的止?jié){盤、加固后的隧道開挖。由于暗挖隧道掌子面前方圍巖和地下水千變?nèi)f化，隨時(shí)會(huì)面對不可預(yù)測的地質(zhì)情況，因此需要實(shí)時(shí)對參數(shù)作出調(diào)整。

表2 帷幕止水注漿設(shè)計(jì)參數(shù)表

表3 漿液配比參數(shù)表

4.2 注漿效果評定

施工過程中對注漿困難、地質(zhì)薄弱的區(qū)域進(jìn)行記錄，當(dāng)進(jìn)行注漿效果評定時(shí)需要對這些注漿孔的注漿效果進(jìn)行全面評定，取孔數(shù)量為總注漿孔的5%～10%，評定的內(nèi)容有出水量，成孔效果，巖層是否坍塌等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)注漿后止水預(yù)加固效果不佳時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)孔等加強(qiáng)措施。

5 前進(jìn)式注漿工藝

隧道穿越褶皺、斷層破碎帶、圍巖接觸帶等地質(zhì)條件較差的地段采用前進(jìn)式注漿，其注漿剖面如圖3，注漿沿隧道縱向向外發(fā)散式有利于加固隧道頂部、側(cè)墻的松散圍巖，注漿的要求主要有三個(gè)方面：

圖3 注漿剖面圖

a.確定注漿孔位位置，由于注漿方向是沿隧道外方向擴(kuò)散需要準(zhǔn)確確定鉆進(jìn)角度并進(jìn)行鉆孔作業(yè)；

b.鉆孔的孔口外壁需要采用水泥基錨固劑錨固確保牢固不漏漿；

c.注漿采用分段進(jìn)行即前進(jìn)式分段，先進(jìn)行靠近注漿孔附近的位置注漿然后向遠(yuǎn)離注漿孔的方向再進(jìn)行注漿然后需要該過程。注漿過程需要根據(jù)巖體內(nèi)水流量的情況進(jìn)行，水量較大時(shí)注漿的影響區(qū)域適當(dāng)降低即降低分段長度增加注漿次數(shù)，水量較小時(shí)注漿的影響區(qū)域適當(dāng)增加即增加分段長度減少注漿次數(shù)。當(dāng)水量小于10m3/h 時(shí)，前進(jìn)式注漿的一次注漿長度控制在10m 范圍，當(dāng)水量在10～30m3/h 時(shí)，減少注漿的分段長度，控制在5m范圍，當(dāng)水量過大需要提前進(jìn)行注漿加固。鉆孔注漿工藝見圖4所示，分段注漿如圖5所示。

圖4 鉆孔注漿工藝流程圖

圖5 分段前進(jìn)式注漿效果圖

6 后退式注漿工藝

巖體較完整的地段采用后退式注漿，終壓力達(dá)到2MPa。注漿前進(jìn)行注漿試驗(yàn)從而確定注漿壓力、注漿量、掌握注漿擴(kuò)散范圍等。后退式注漿采用鉆至設(shè)計(jì)深度后采用后退式注漿，漿體通過鉆孔進(jìn)入破碎巖層后保持注漿壓力保持2～3分鐘保證漿體在這段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到巖隙內(nèi)然后后退鉆桿進(jìn)行下一段注漿，重復(fù)同樣方法直至退桿到孔口位置，后退式注漿工藝流程如圖6所示。后退式注漿的特點(diǎn)是一次鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度然后從鉆孔的最深處末端逐次分段向止?jié){墻方向注漿，該方法施工效率高，重復(fù)掃孔工作量小，后退式注漿順序如圖7所示，漿體之間實(shí)現(xiàn)重疊狀態(tài)，漿體硬化過程后注漿體與周邊巖體融合進(jìn)行柱體。

圖6 后退式注漿工藝流程圖

圖7 后退式注漿順序示意圖

7 隧道量測分析

對溶蝕破碎地層和富含地下水地質(zhì)條件，采用全斷面止水帷幕加固并配合使用前進(jìn)式注漿和后退式注漿施工工藝，為評價(jià)施工方法的效果，確定隧道監(jiān)控量測項(xiàng)目以及列出量測數(shù)據(jù)。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，采用全斷面止水帷幕并配合注漿的隧道施工方法，注漿后10 天范圍內(nèi)隧道變形速率小于5mm/d,處于安全的變形速率范圍內(nèi)；注漿10 天后，隧道拱頂下沉和地表沉降處于平緩狀態(tài)，變形較小。因此采用全斷面止水帷幕加固并進(jìn)行注漿加固處理是適合的。

表4 隧道量測數(shù)據(jù)

8 結(jié)語

黔張常鐵路大坡隧道采用全斷面止水帷幕加固隧道輪廓線外圍巖，采用注漿固結(jié)的形式使隧道拱頂、兩側(cè)、仰拱外側(cè)圍巖得到預(yù)先加固處理。止?jié){墻作為注漿的基準(zhǔn)面設(shè)置在掌子面上，止?jié){墻上布設(shè)注漿鉆孔和注漿小導(dǎo)管。帷幕注漿材料主要采用硫鋁酸鹽水泥并對注漿效果進(jìn)行評定。當(dāng)隧道穿越圍巖破碎帶等地質(zhì)條件較差的地段采用前進(jìn)式注漿，并根據(jù)地下水流量分段前進(jìn)式進(jìn)行；當(dāng)圍巖較為完整時(shí)采用后退式注漿工藝；經(jīng)過隧道量測數(shù)據(jù)分析，全斷面帷幕注漿方法能夠保證隧道施工的順利推進(jìn)。