藏噶隧道穿越冰水沉積層圍巖加固與掘進(jìn)技術(shù)

朱胥仁 彭學(xué)軍 陽(yáng)軍生 楊曾

（1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410117；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075）

1 工程概況

拉林鐵路藏噶隧道地處藏南谷地高山區(qū)，山高谷深，氣候惡劣。該隧道為單線(xiàn)隧道，全長(zhǎng)8 755 m，隧址區(qū)地處高海拔，各巖層間為角度不整合接觸［1］。區(qū)域性斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，巖體較破碎，洞身共穿越7條斷裂帶，不良地質(zhì)發(fā)育。特別是隧道DK166+915—DK167+830 段洞身穿越冰水沉積層，全長(zhǎng)915 m，如圖1所示。

圖1 冰水沉積層段地形地貌

此段隧道埋深48.9～114.2 m，地層巖性為碎石土，成分以石英砂巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主，粒徑60～150 mm。地下水水位埋深較淺（約27～51 m），且極為豐富。在施工中若地表水下滲形成導(dǎo)水通道，則涌水量更大，因此采取有效的地層加固止水措施極為必要。

2 穿越冰水沉積層隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析

冰水沉積層是原生冰磧體在冰川融水或降雨徑流的沖刷和搬運(yùn)作用下，在坡度降低的寬谷堆積形成的土石堆積體。該類(lèi)堆積體磨圓度和分選性較差，多呈泥石流沖積扇或沖洪積河谷平原的地貌形態(tài)［2-3］。地下水出露豐富，并在地表形成長(zhǎng)年有流水的沖溝，見(jiàn)圖2。

圖2 DK167+405處地表沖溝

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，隧道在穿越冰水沉積層段過(guò)程中，受季節(jié)性降雨的影響，在枯水季節(jié)水位低、水量小，隧道掌子面雖具有一定穩(wěn)定性，但隧道施工易引起坍塌、冒頂、掌子面失穩(wěn)等事故，而在富水季節(jié)冰水沉積層直接受地表水補(bǔ)給，極易發(fā)生突泥涌水，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。藏噶隧道DK167+335 掌子面出現(xiàn)突泥涌水情況，涌出物為砂礫石加塊石土，其隨水流逐漸沖散，同時(shí)在地下水流通情況下冰水沉積層中的小顆粒泥砂易被帶走流失，在隧道洞周形成空腔，加劇了地層失穩(wěn)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，為隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)引來(lái)引患。由此可見(jiàn)，冰水沉積層是一種空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非均勻、不連續(xù)的巖土介質(zhì)，土、石相物理力學(xué)性質(zhì)差異大，自穩(wěn)性差，如何保證隧道在富水季節(jié)與枯水季節(jié)安全高效地穿越該段地層是工程的重難點(diǎn)。

鑒于此，富水季節(jié)和枯水季節(jié)先分別采用“帷幕注漿+管棚+小導(dǎo)管”和“管棚+小導(dǎo)管”的圍巖注漿加固方案，然后采用小斷面三臺(tái)階開(kāi)挖法施工。

3 圍巖加固與隧道施工技術(shù)

3.1 超前帷幕注漿加固技術(shù)

富水季節(jié)采用分臺(tái)階超前帷幕注漿對(duì)地層進(jìn)行加固止水處理。注漿范圍為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5 m，注漿段落長(zhǎng)30 m。其中：開(kāi)挖支護(hù)長(zhǎng)25 m，止?jié){墻長(zhǎng)5 m。

1）超前帷幕注漿目的

在富水季節(jié)，通過(guò)對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行超前帷幕注漿，使之在隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外形成一道止水帷幕，以減小滲流量，防止?jié)B漏水對(duì)圍巖產(chǎn)生滲流破壞，減少后期滲漏水處理難度和處理費(fèi)用，同時(shí)加固圍巖，減小后期開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程中的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

2）注漿鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道圍巖情況進(jìn)行3 次帷幕注漿，注漿段落分別為DK166+915—DK166+945，DK166+945—DK166+975，DK166+320—DK166+350。參考現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和方法［4-6］，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，每次帷幕注漿分7 環(huán)實(shí)施，每環(huán)孔數(shù)依次為37，31，25，18，12，6，1。全斷面布孔共計(jì)130 個(gè)。其中，單孔有效擴(kuò)散半徑為2 m，同一斷面相鄰終孔間距不大于3 m。注漿斷面見(jiàn)圖3。

圖3 超前帷幕注漿斷面（單位：cm）

3）注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足冰水沉積層堵水加固的要求，參考隧道相關(guān)注漿理論和技術(shù)［7-10］，本次注漿按“先外后內(nèi)，自下而上、間隔跳孔”原則進(jìn)行。外圈眼采用凝結(jié)速度快的普通水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行堵水，內(nèi)圈眼根據(jù)鉆孔地質(zhì)條件和地下水情況選擇快硬硫鋁酸鹽水泥單液漿或普通水泥單液漿，注漿壓力為1.5～2.0 MPa，水玻璃波美度為40 Be'。需要注意的是，在帷幕注漿薄弱地段開(kāi)挖時(shí)需采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿。漿液配比參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 漿液配比參數(shù)

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：①注漿壓力逐步升高至設(shè)計(jì)終壓，并繼續(xù)注漿10 min以上；②注漿結(jié)束時(shí)進(jìn)漿量小于初始進(jìn)漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.15 L/（m·min）。須同時(shí)滿(mǎn)足以上2個(gè)條件，方可結(jié)束。

全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：①所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無(wú)漏注現(xiàn)象；②注漿后涌水量小于1 m3/（m·d）；③漿液有效注入范圍大于設(shè)計(jì)值；④從檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿(mǎn)。須同時(shí)滿(mǎn)足以上4 個(gè)條件，方可結(jié)束。

3.2 超前管棚注漿施工技術(shù)

1）管棚參數(shù)設(shè)計(jì)

為防止隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生塌方、掉塊等現(xiàn)象，隧道拱部144°范圍布設(shè)長(zhǎng)管棚作為超前支護(hù)。管棚鋼管為φ89×6 mm 熱軋無(wú)縫鋼管，每隔6.4 m 設(shè)置1 環(huán)，每環(huán)設(shè)27 根鋼管，鋼管長(zhǎng)10 m。相鄰鋼管環(huán)向間距40 cm，管棚外插腳10°～15°，如圖4所示。管棚鋼管上鉆注漿孔，直徑10～16 mm，孔縱向間距10～20 cm，呈梅花形布置，尾部留不小于100 cm 的無(wú)鉆孔止?jié){段。注漿采用隔孔壓漿法。

圖4 超前管棚縱向布置示意

2）施工控制要點(diǎn)

①地層鉆孔容許偏差：沿隧道徑向孔距±150 mm，孔深±50 mm；②鋼管搭接：每節(jié)鋼管長(zhǎng)3～6 m，采用絲扣牢固連接，絲扣長(zhǎng)15 cm，同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯(cuò)開(kāi)1 m；③管棚外插角：根據(jù)不同區(qū)段縱坡坡度進(jìn)行調(diào)整，DK166+915—DK167+550 段縱坡坡度為0.3%（上坡），實(shí)際施工時(shí)以 13°為宜；DK167+550—DK167+830 段縱坡坡度為0.9%（下坡），實(shí)際施工時(shí)以12°為宜。

3）注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

注漿材料為水泥漿液，水灰比為0.5∶1～1∶1，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，注漿順序?yàn)橛上露稀⒂蓧窍蚬绊旐樞蜷g隔施作。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力逐步升高至設(shè)計(jì)終壓，并繼續(xù)注漿10 min 以上；注漿量不小于設(shè)計(jì)注漿量的80%；進(jìn)漿速度小于初始進(jìn)漿速度的1/4。當(dāng)所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無(wú)漏注現(xiàn)象，即達(dá)到全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 小斷面三臺(tái)階開(kāi)挖法

隧道穿越冰水沉積層段采用小斷面三臺(tái)階開(kāi)挖法（加臨時(shí)橫撐），堅(jiān)持“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量”的原則，以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、鋼架作為主要施工支護(hù)手段，以保證隧道施工安全。

小斷面三臺(tái)階開(kāi)挖法施工工序如圖5所示。

圖5 小斷面三臺(tái)階開(kāi)挖法施工工序

首先開(kāi)挖①部，施作①部周邊初期支護(hù)，架設(shè)①部臨時(shí)橫撐；然后滯后①部5～10 m 開(kāi)挖②部，施工邊墻初期支護(hù)；滯后②部5～10 m 開(kāi)挖③部，施作隧底噴射混凝土及鋼架；滯后③部5～10 m，一次性灌注Ⅰ部仰拱及邊墻基礎(chǔ)，灌注Ⅱ部仰拱填充至設(shè)計(jì)高度，最后施作防排水工程，一次性灌注Ⅲ部拱墻襯砌。

4 實(shí)施效果分析

4.1 帷幕注漿加固效果檢查

1）注漿結(jié)束后，在主要出水點(diǎn)附近打設(shè)檢查孔，檢查孔數(shù)量為總注漿孔數(shù)5%～10%，檢查孔長(zhǎng)度應(yīng)覆蓋注漿段長(zhǎng)。經(jīng)察看檢查孔成孔較好，未塌孔，無(wú)涌水涌泥。

2）隧道開(kāi)挖后，在帷幕注漿段拱部鉆設(shè)3 個(gè)徑向檢查孔，孔深4 m，鉆孔直徑50 mm，檢查孔成孔較好。對(duì)檢查孔出水量進(jìn)行測(cè)定，單孔出水量需小于0.15 L/（m·min）。若大于0.15 L/（m·min），則進(jìn)行徑向補(bǔ)充注漿，直至每孔出水量滿(mǎn)足要求為止。測(cè)定結(jié)果顯示，所有檢查孔出水量均滿(mǎn)足要求。

3）在掌子面拱頂、拱腰、隧底附近鉆芯取樣，發(fā)現(xiàn)芯樣中漿液分布較均勻，加固脈絡(luò)明顯，土石間充填效果較好，測(cè)得漿液的擴(kuò)散半徑為2.0～2.5 m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)施工要求。

4.2 藏噶隧道實(shí)際施工效果

隧道穿越冰水沉積層段過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)掌子面地質(zhì)條件及地下水情況，在富水季節(jié)先后進(jìn)行了3 次帷幕注漿，并結(jié)合管棚加小導(dǎo)管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿加固；在枯水季節(jié)則直接采用“管棚+小導(dǎo)管”進(jìn)行超前注漿加固。整個(gè)施工過(guò)程中超前注漿加固堵水效果良好，保證了施工安全及進(jìn)度。

隧道冰水沉積層段施工進(jìn)度見(jiàn)表2。

表2 隧道冰水沉積層段施工進(jìn)度

由施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在富水季節(jié)采用“帷幕注漿+管棚+小導(dǎo)管”的圍巖加固措施，現(xiàn)場(chǎng)最高月平均進(jìn)度僅15 m，施工進(jìn)度緩慢；在枯水季節(jié)采用“管棚+小導(dǎo)管”的圍巖加固措施，現(xiàn)場(chǎng)最高月平均進(jìn)度高達(dá)49.3 m，最低月平均進(jìn)度也有36.6 m，顯著加快了施工進(jìn)度。因此，根據(jù)不同季節(jié)，針對(duì)性地采用不同圍巖加固堵水方案，可使隧道安全高效地穿越冰水沉積層段。

5 結(jié)論

基于對(duì)新建川藏鐵路拉林段藏噶隧道所穿越的冰水沉積層的特性分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在富水季節(jié)隧道施工中突涌水問(wèn)題突出。結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)富水季節(jié)和枯水季節(jié)，分別先采用“帷幕注漿+管棚+小導(dǎo)管”和“管棚+小導(dǎo)管”的圍巖加固措施，然后采用小斷面三臺(tái)階開(kāi)挖法施工。實(shí)踐證明，采取以上方案可有效保證隧道施工安全和進(jìn)度。