隧道富水砂層施工中改良超前支護技術的應用

摘 要：為消除富水砂層地質對高速公路隧道正常施工的不利影響，采用超前預支護技術對其進行改良。在施工過程中，對超前預注漿和大管棚支護的組合方式進行改良，同時施作泄水孔減小掌子面水壓增加造成的突水突泥風險，達到了預期的施工目的，有效保證了隧道施工的正常進行。

關鍵詞：超前支護技術；改良；組合方式；富水砂層

1 概述

某高速公路隧道工程，隧道全長786m。隧道洞身中部交替出現富水砂層，出水量最大約15.0m3/h，自DK203+752開始含水砂層逐漸發育延伸至隧道拱頂，掌子面出水量逐漸加大，超前地質預報結果在DK203+760～DK203+790段洞身下部為粉質粘土，拱頂下方約1.5m至拱頂上方3.9m范圍內以細砂為主，局部夾雜圓礫石及少量粉質粘土，終孔后的地下水總量約30m3/h。針對上述地質狀況，施工方在施工中采用改良的注漿止水加固、大管棚支護、施作泄水孔等“排堵結合”[1]的超前支護手段對隧道掌子面前面富水含砂地層進行預加固。

2 施工難點

根據某隧道設計圖紙及前期施工及超前地質預報所揭示的工程地質、水文地質情況，富水含砂段超前支護施工的難點及風險：（1）隧道中部洞身地質為粉質粘土、砂巖，粉質粘土與富水砂層互層，不利于掌子面穩定。粉質粘土與砂巖接觸帶、粉質粘土與富水砂層接觸帶地段圍巖自穩性極差，極易造成開挖工作發生涌砂、涌水、突泥等險情，而造成工作面失穩，給隧道開挖帶來安全隱患。（2）地下水發育，地下水位位于拱頂上方，在粉質粘土與砂巖接觸帶、粉質粘土與富水砂層接觸帶均出現股狀水，進出口日出水量約為35～60m3/h。預測涌水、涌砂量大，水對土體的穩定和地基承載力均產生不良影響，施工中如果措施不當則易造成拱腳部浸水變形而失穩，危及初支結構的穩定。（3）隧道通過段落地表村莊及耕地分部密集，隧道開挖導致地表水流失，危及隧頂上方村民生產、生活用水安全。

3 施工過程

根據類似工程實踐經驗結合現場地質情況，對隧道上斷面涌水涌砂段采取前進式分段注漿和無工作室管棚注漿的組合方式進行改良，通過漿液在地層中擠壓、劈裂有效降低地層含水率，并通過管棚進行超前支護，達到穩定地層，提高地層承載力作用，最后沿開挖輪廓線布置環向泄水孔，確保隧道開挖及結構安全，快速通過不良地質段。

3.1 超前預注漿止水加固施工

3.1.1 施作止漿墻

止漿墻施作在上斷面（見圖1），高4.0m，厚度1.5m，采用C25混凝土澆筑，澆筑前止漿墻周邊采用2排環向間距1.5m，排距0.5m，長2m的Φ25mm砂漿錨桿與圍巖相連，以保證止漿墻的穩定。止漿墻施作過程一定要保證質量，尤其是周邊與開挖輪廓線的接觸部，必須密實，防止漏漿。

3.1.2 注漿施工

上斷面超前預注漿循環縱向長度20m，開挖15米，徑向范圍為開挖工作面及開挖輪廓線外4m（外圈終孔在開挖輪廓線外3.5m），縱向在10m處布設一個補孔斷面以減少注漿盲區。注漿孔布置具體（見圖2）。超前預注漿采取由外到內，由下到上間隔跳孔分二序孔施工。

（1）注漿參數。注漿范圍縱向20m（不包括止漿墻）；徑向開挖工作面及輪廓線外4m（終孔在開挖輪廓線外3.5m）；漿液擴散半徑1.5m；終孔間距2.2m；注漿終壓3～4MPa（試驗過程根據地層情況調整）；注漿孔徑φ90mm；注漿速度10～110L/min；注漿方前進式分段注漿（3～5m/段）；注漿孔數量49個；（2）注漿材料。根據地質情況及堵水加固要求，注漿材料以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，普通水泥單液漿和超細水泥漿為輔。漿液配比參數如下：使用普通水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為（0.8～1）：1，其體積比為1：1；使用普通水泥單液漿，其則水灰比為（0.8～1.0）：1；使用超細水泥單液漿，則需要注意其水灰比為（0.8～1.0）：1。配比需要注意若施工需要可以向液漿中適當加入外加劑，從而對液漿性能進行調整，改變漿液早期強度以及凝膠時間。（3）注漿施工。超前預注漿采用前進式分段注漿方式，施工流程如下（見圖3）。

超前預注漿采用前進式分段注漿方式，施工流程如下：

標定孔位，確定鉆進外插角為13°，而后采用Φ130mm鉆頭低速鉆進至2.0m，安設孔口管；孔口管采用Φ108mm，δ=5mm無縫鋼管加工，管長1.5m，孔口管外壁纏繞50～80cm長的麻絲成紡錘型，采用鉆機沖擊到設計深度，并用錨固劑錨固，以保證孔口管安設牢固、不漏漿；鉆孔注漿施工過程，每次鉆深3～5m后，退鉆進行注漿施工，注漿達到設計結束標準后，再鉆進3～5m，并進行注漿，如此循環直到鉆注到設計深度。為保證開挖工作面底部注漿效果，采用下入Φ32mmPVC進行孔底注漿。

3.1.3 如何判定注漿結束

（1）單孔注漿完成標準。單孔注漿多結合定量標準以及定壓標準判定注漿結束。定壓標準，即注漿終壓力確定在3.0～4.0MPa，且維持10min，則表示單孔注漿完成。而注漿終壓力主要依照地層可注性以及地層涌水壓力予以確定。定量標準，即在試驗階段對地層吸漿量以及空隙率進行確定。試驗初期，若地層空隙率為20%，那么對單孔注漿的設計注漿量應為1.35m3/m，若施工過程中實際注漿量超過設計注漿量，且壓力無明顯增加，那么可以通過對漿液進行調整，或間歇注漿，以此保證注漿壓力，完成單孔注漿。（2）全段注漿完成標準。全段所有注漿孔結束注漿，無漏注，且均達到標準，符合設計要求。另外對全段進行抽查，按總漿孔的10%進行檢查，全部滿足設計標準，全段注漿完成達到標準。

3.1.4 檢驗注漿效果

（1）P-Q-t曲線法。通過對注漿施工中所記錄的注漿壓力P、注漿速度Q進行P-t，Q-t曲線繪制，根據地質特征、注漿設備性能、注漿參數等對P-Q-t曲線進行分析，從而對注漿效果進行評判。當注漿施工中P-t曲線呈上升趨勢，Q-t曲線呈下降趨勢，注漿結束時，注漿壓力達到設計終壓，注漿量達到設計注漿量80%，則滿足效果檢查要求。（2）檢查孔法。選擇可能出現的薄弱環節進行鉆孔檢查，檢查孔數量按注漿孔總數的10%控制。檢查孔不塌孔，不涌砂，檢查孔出水量小于0.2L/min·m。

3.2 超前大管棚施工

注漿結束后，在開挖輪廓線外布置超前管棚支護，管棚支護縱向長與注漿段一致，長20m。大管棚支護施工采取無工作室管棚施工技術，沿開挖輪廓線向內50cm開孔，環向間距40cm，外插角6°（與水平面夾角），共布設24根。

大管棚采用外徑Φ76mm，壁厚6mm熱匝無縫鋼管加工，每節長2～3m，沿管壁布設4排Φ6mm對稱溢漿孔，梅花形布設，孔間距50cm，每根管棚末端一節不布設溢漿孔，前端加工成椎形尖端并封閉。管棚安設完成后進行全孔一次性管棚注漿，注漿參數同超前注漿。

施工流程：（1）依照設計進行測量放線，并標定開孔位置。（2）對鉆孔角度進行確定，并調整鉆機鉆入角度。成孔后推進管棚。（3）為保證管棚接頭相互錯開，處于不同斷面，管棚采用2、3m、4m節段進行連接，相鄰管棚接口錯開。（4）完成管棚的布設后，進行一次性注漿。（5）為避免管棚侵限，施工過程將管棚推進至開挖線外。（6）開挖過程中應采用超前小導管注漿對大管棚之間的薄弱部位進行補強。

3.3 泄水孔施工

為避免因注漿加固造成出水封閉，水壓上升，給開挖帶開風險，上斷面超前預注漿和長管棚支護施工完成后，沿開挖輪廓線布置環向泄水孔，釋能泄壓。

（1）上斷面沿著初支護縱向鉆設泄水孔，共布設5個。（2）泄水孔采用125mm開孔，安設孔口管并固結牢固，通過孔口管鉆設直徑90mm的泄水孔。（3）泄水孔縱向長度25m，終孔在開挖輪廓線5m（加固體外）。

4 結束語

經過改良超前預注漿、大管棚支護這兩種超前支護技術的組合方式，止水加固效果良好，使該隧道洞身部分的富水含砂地層得到有效改良，再加上施作泄水孔，有效減小掌子面水壓增大產生的突水突泥風險，保障了隧道施工的正常進行，達到了超前支護施工的目的。

參考文獻

[1]關寶樹.隧道施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003：94-182.

[2]GBT_50448-2008.水泥基灌漿材料應用技術規范[S].

[3]DLT 5148-2001.水工建筑物水泥灌漿施工技術規范[S].