斷層條件下的隧道預支護設計與施工

謝達文，彭 峰，單紅雨

(北京中鐵瑞威基礎工程有限公司，北京 100055)

斷層條件下的隧道預支護設計與施工

謝達文，彭 峰，單紅雨

(北京中鐵瑞威基礎工程有限公司，北京 100055)

齊岳山隧道穿越F11斷層。此斷層規模宏大，斷層帶導水，核心帶巖體破碎，富含高壓水，其主要工程地質問題是巖溶富水、突水突泥，高壓裂隙水等，施工難度極大。其中，進口處為反坡施工，施工難度和安全風險尤為突出。為確保順利通過，采取隧道超前預支護綜合措施，即通過實踐更新注漿設計理念，確定了斷層條件下的注漿設計及注漿參數，優化了超前大管棚的支護措施，輔以開挖過程中的超前支護，最終實現了隧道的貫通，形成了無工作間管棚快速施工技術以及玻璃纖維錨桿穩固掌子面技術等，為類似工程提供了借鑒。

F11斷層 隧道 預支護 注漿 超前大管棚

隨著國內城市地鐵和鐵路隧道的修建，出現了復雜地質和環境下的隧道，需要嚴格控制地表沉降和隧道中富水高壓等情況。普通的隧道修建工法已不適應目前的隧道建設的發展，必須采取相關的輔助工法。隧道的超前預支護綜合手段顯得尤為重要。超前管棚支護、預注漿施工技術因具有成本低、見效快、施工簡便等優點而獲得廣泛的應用。然而，注漿技術中仍存在不少待研究的問題，尤其是注漿孔距、漿液壓力、注漿效果檢測一般需要根據既往工程經驗和現場試驗等合理確定，同樣，隧道洞身的超前管棚的管徑、管間距、管長等參數也存在此類問題。

本文介紹宜萬鐵路齊岳山隧道工程，采用超前管棚及預注漿輔助措施，應用了新的注漿設計理念，優化了支護參數，研究確定了斷層條件下的相關注漿設計與施工參數。

1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北利川市西北23 km處，全長10 528 m，是宜萬線八座Ⅰ級高風險隧道之首，是全線的重點、難點和控制性工程。設計坡度為 -13.0‰(345 m)和 -15.3‰(10 183 m)的一字單面坡。全隧道穿越二疊系、三疊系灰巖和侏羅系砂巖、泥巖、頁巖地層;隧道最大埋深670 m。地質構造有齊岳山背斜和箭竹溪向斜以及15條較大規模的斷層，發育大、小魚泉和得勝場3條暗河。其中，位于隧道頂220 m的得勝場暗河規模最大，水量豐富;位于得勝場槽谷段的F11斷層規模宏大，巖體破碎，富含高壓水，斷層帶導水，隧道正常涌水量176 000 m3/d，最大涌水量743 000 m3/d;主要的工程地質問題有巖溶富水、突水突泥，高壓裂隙水和瓦斯突出等，施工難度極大。進口的可溶巖地層為反坡施工，施工難度和安全風險尤為突出。

2 主要存在的風險源和難點

齊岳山隧道施工至DK365+096遭遇F11大型斷層帶，為隧道施工的最高風險區域，是國內專家確認的宜萬鐵路最難的隧道施工地段，地質極其復雜，主要表現為：

1)F11斷層長，影響區域的長度為98 km，寬度為245 m，且受三峽蓄水影響，斷層活動有加劇的趨向。其中，DK365+096—DK365+333為F11斷層核心帶，長度達237 m，規模宏大。

2)水壓高，水量大。出口平導掌子面單孔水量達到750 m3/h，水壓實測 2.3～2.6 MPa，設計 DK365+110—DK365+450段正常涌水量為11 296 m3/d，最大涌水量為114 632 m3/d;進口 DK364+923—DK365+110段正常水量37 678 m3/d，最大447 270 m3/d。斷層核心帶為齊岳山隧道受地下水威脅最嚴重的地段。

3)地質破碎，注漿難。該斷層分為上下，盤破碎巖體接觸帶和核部破碎軟弱帶，構造裂隙發育。上盤出露在地表 DK364+095—DK364+180段。隧道DK365+096—DK365+340為主斷裂帶，發育有 T1j4白云巖為主的硬質可溶巖與T2b1含鈣質成分的頁巖、泥巖為主的軟弱非可溶巖的交界部位，具有多期性、次級構造發育，巖性成分復雜，膠結松散，巖體破碎，飽和水使巖土性態惡化，中間核心地帶以類似于含碎石粉質黏土或碎石土狀的松軟物質為主，透水性強，實際注漿施工中參數難以把握。

3 注漿設計與施工

根據齊岳山隧道F11斷層的裂隙水量大、水壓高的特點，采取“注漿加固、分水降壓、交替推進、帶水作業”的總體施工方案。先探明掌子面前方地下水分布情況，通過鉆孔注漿堵住水后加固破碎地層，后進行開挖施工。正洞平導交替向前推進，允許隧道存在少量滴水，以減壓減少高水壓帶來的施工風險，但不允許出現股狀水流，以防造成突水、突泥。

3.1 注漿設計

F11斷層存在軟硬地層交替變化、層層疊加的特點，地下水多由層與層之間的裂隙向四周傳遞，局部聯通性較強，因此，設計理念上須更新與改變。確立“堵裂隙、減少水量，固圍巖、穩定地層”的總體注漿堵水加固理念，由全斷面帷幕注漿改變成環環相扣設計原則，隧道開挖輪廓線外設置外圈孔、二圈孔、掌子面穩定孔、檢查孔(注漿補孔)、管棚孔，互為補充加強。詳見圖1。

圖1 注漿孔環環相扣(單位：cm)

3.2 注漿施工

隧道開挖輪廓線外兩圈孔后，通過外圍注漿封堵與開挖隧道輪廓線內的水力聯系，并且形成加固圈抵抗水壓力，輔以玻璃纖維錨桿加固掌子面控制前方變形，依據注漿過程分級控制重點補強、重點檢查注漿，探孔、注漿孔、檢查孔互相利用，三孔合一，加快施工速度。

注漿施工工藝采用分段前進式：

1)標定孔位確定鉆進角度后，采用鉆頭開孔至2.3 m，安設孔口管;

2)孔口管采用 φ108 mm，壁厚 δ=4 mm鋼管加工，管長2.5 m，孔口管外壁纏繞50～80 cm長的麻絲成紡錘形后安設到要求深度，并用水泥基錨固劑錨固，以保證孔口管安設牢固不漏漿;

3)為防止鉆孔過程中突發涌水突泥，孔口管安設完成后鉆孔之前必須安裝高壓止水閘閥;

4)按照設計分段長度進行鉆孔注漿，當該段注漿達到設計結束標準后，拆除注漿堵頭在原孔深基礎位置再鉆進，如此循環鉆注到設計深度;

5)掌子面注漿孔施工鉆注到設計深度后，放入玻璃纖維錨桿，進行全孔注漿施工。

3.3 注漿參數(見表1)

表1 超前預注漿設計參數

3.4 注漿材料

根據F11斷層地質情況及堵水加固的要求，注漿材料擬以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥單液漿、普通水泥—水玻璃雙液漿為輔，施工中根據涌水情況及地質情況進行選擇調整。注漿材料及規格型號如下：

硫鋁酸鹽水泥：早強快硬，42.5;

普通硅酸鹽水泥：42.5;

水玻璃：濃度為 35Be′，模數為 2.4～2.8。

漿液配比參數如表2所示。

表2 漿液配比參數

施工過程中注漿材料的選擇見表3。

3.5 施工順序

根據先前確定的“堵裂隙、減少水量，固圍巖、穩定地層”注漿加固原則，先進行頂水注漿施工，選取外圈7孔注漿封堵水量大的裂隙，同時結合發散—約束型注漿原則進行，由外向內、由上到下、間隔跳孔注漿施工作業，逐步改良地層，施工結束后對水量大的孔進行重點檢查，補孔加強注漿。

表3 注漿材料選用原則

3.6 注漿質量檢查控制標準

1)水量法：依據注漿量分布，取薄弱環節設計檢查孔。檢查孔按不超過總注漿孔的10%設計，滿足出水量不超過2 L/min/m。

2)改良地層后穩定法：通過檢查孔的成孔狀態、完整性、有無坍孔進行判斷地層改良的效果。

3)開挖水量觀察法：開挖過程中無股狀水，開挖段落總水量不大于50 m3/h。

4 超前支護設計

4.1 超前管棚支護設計(見圖2)

通常管棚施工需要設備操作工作間。此操作間空間較大，需進行相應的隧道擴挖，容易造成新的安全風險源，使工期延長，同時工作間的背后回填還造成襯砌厚度的增加。本工程采取了新的管棚施工工藝，將管棚壓入隧道開挖輪廓線外。無管棚管段采用玻璃纖維錨桿替代，以利開挖施工。同時將管棚管徑、管間距進行優化，管徑從φ108 mm調整為φ76 mm，管間距從30 cm調整至35 cm。

注漿效果評定合格后，施作φ76 mm×8 mm的超前大管棚，無工作間施工，管棚后侵入隧道輪廓線部分無管棚管(含止漿墻2.5 m)，改下玻璃纖維錨桿至管棚管末端，自然搭接：

1)超前大管棚采用環向中心間距35 cm、外插角5°，沿拱頂開挖輪廓線布設，共布設19根。

2)管棚管采用外徑φ76 mm、壁厚8 mm無縫鋼管加工，每節長6 m，并沿管壁兩條垂直直徑鉆設φ8 mm溢漿孔，梅花形布設，孔間距100 cm，第一排孔距端頭50 cm;管棚采用焊接連接，每節管棚一端端頭焊接長50 cm的φ56 mm鋼管，外露30 cm;每根管棚前端加工成尖頭。

圖2 超前管棚支護設計剖面示意

3)大管棚施工先采用φ90 mm鉆頭引孔，后退出鉆桿下入管棚。為保證管棚支護效果，管棚安設過程每節管棚應長短交錯，避免管棚接頭在同一斷面。

4)管棚按設計要求安設好后進行全孔注漿，注漿材料采用普通水泥，注漿參數同注漿孔施工參數。

4.2 開挖支護設計

經過注漿止水與超前加固，掌子面前方地層得到了明顯改善，采用小導管超前支護、三臺階預留核心土法進行開挖。首先，上臺階拱部150°范圍內，每榀拱架設置小導管，間距30 cm，小導管采用φ42 mm的無縫鋼管，每根長2.5 m。在微爆破開挖后，對掌子面進行噴射速凝混凝土，確保掌子面表層松散土體的穩定性。開挖流程為：打設超前小導管→微爆破、預留核心土開挖→掌子面噴射速凝混凝土→立拱架→噴射初期支護混凝土。

5 結論

齊岳山隧道進口工區從DK365+096里程進入F11斷層核心帶，不斷總結經驗，進一步提高施工技術，優化機械設備配套，創造了單臺鉆機日鉆孔585延米，最高每小時鉆孔32延米的鉆孔注漿施工記錄，30 m隧道的注漿循環僅用12 d就完成注漿施工任務。齊岳山隧道進口通過6個循環共139 m的注漿施工，成功與出口工區貫通，積累了一定的注漿施工經驗，形成了一些新方法、新工藝，對類似工程具有借鑒意義。

1)注漿堵水預加固的設計及其參數

斷層條件下，巖體破碎、巖層成層狀，各向異性，水在層間流動，易產生高壓，首選確定堵水為主、注漿加固為輔，“堵裂隙、減少水量，固圍巖、穩定地層”的總體注漿堵水加固理念，由全斷面帷幕注漿改變成環環相扣設計原則，設計需要具有針對性，注重隧道開挖輪廓線外圍，以形成隧道桶狀結構。經過工程實踐，所采取的注漿材料、參數等能夠對此類工程地質問題產生效果。

2)無工作間施作管棚和管棚快速施工技術

管棚作為隧道施工中常見的超前支護手段，具有明顯的效果。但是，管棚施工的操作間大，增加了風險，延長了工期，同時，能否進一步優化管棚的大小和間距也是工程設計施工中經常遇到的問題。本工程中無工作間施作管棚技術，采用φ76 mm管棚、35 cm管間距，節約了建設成本，大大加快了施工速度，也降低了安全風險，綜合形成了管棚快速施工技術。

3)玻璃纖維錨桿穩定掌子面技術

F11斷層巖體破碎，掌子面極其不穩定，玻璃纖維錨桿具有較強的抗拉性能，縱向設置可以發揮穩固掌子面作用。掌子面注漿孔終孔后，放入玻璃纖維錨桿;選擇出水量大于地質破碎區域，放入錨桿;在工作間施工管棚的侵入隧道部分下入玻璃纖維錨桿。這樣，充分穩定了隧道的掌子面，保證了隧道開挖安全。

［1］張民慶，彭峰.地下工程注漿技術［M］.北京：中國地質出版社，2008.

［2］楊米加，賀永年，陳明雄.滲透注漿漿液擴散與注漿壓力分布數值模擬［J］.水利學報，2001(7)：41-46.

［3］張志偉，賈艷敏，趙艷娟.地鐵盾構法施工事故預防及處理措施［J］.鐵道建筑，2010(11)：50-53.

U455.7+1

B

1003-1995(2011)03-0035-04

2010-09-12;

2010-12-12

謝達文(1981— )，男，湖南永州人，工程師，碩士。

(責任審編 白敏華)