第三系砂泥巖隧道貫通段安全施工技術研究

李紅陽

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

由于砂泥巖遇水軟化的特性，隧道在該地段掘進過程中常會發生涌水突泥災害，尤其當隧道在該段實現貫通時，更容易發生涌水、坍塌等事故，嚴重危及隧道施工安全，影響施工進度，如果在施工過程中不能妥善處理，或會在隧道建成后影響其正常運營[1]。2005年12月，云霧山隧道右線淺埋段YK40+466發生特大突泥地質災害，突泥量達20 300 m3[2]；2011年9月，胡麻嶺隧道2#斜井重慶方向，掌子面拱部以上出現涌水涌砂，突涌量為5 000 m3[3]；自2012年3月起，程兒山隧道掌子面出水量由原來不足100 m3/d逐漸增加至200～400 m3/d[4]；2013年8月，梨尾寨隧道施工到K23+131.5處，拱部發生涌水突泥事故，涌水帶出的泥砂塊石量約有460 m3，并受涌水突泥地牽引作用，掌子面與二襯出現坍塌[5]。可見，砂泥巖隧道涌水突泥地預防與治理是一個亟待解決的問題。本文結合雙豐隧道剩余段，介紹安全貫通的綜合施工技術，對同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

2 工程概況

濱綏鐵路牡丹江至綏芬河擴能改造工程施工Ⅳ標段雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣，穿越剝蝕丘陵區，為雙線隧道，總長7 237 m，最大埋深140 m。隧區屬東北新華夏構造體系第二隆起帶——老爺嶺隆起，為低山丘陵地貌。隧道表覆第四系坡洪積層及玄武巖蓋層，下伏基巖為花崗巖、花崗閃長巖、安山玢巖，中間沉積軟弱第三系砂泥巖，砂泥巖與基底古風化殼接觸面在洞身附近起伏很大，隧道多次穿過第三系砂泥巖與基底古風化殼相對低凹的富水地段。第三系砂泥巖易被水軟化、沖蝕，形成突泥、流砂和塌方[6]。隧道59 m剩余段落處于第三系砂泥巖地層中，且極其富水，可能出現坍塌變形、涌水涌泥，施工安全風險極高。

3 涌水涌泥情況

雙豐隧道洞身先后于2012年7月7日在DK466+608發生較大規模涌水涌泥、2013年9月23日在DK466+565處塌方并引發涌水涌泥。

(1)2012年7月7日，2#斜井正洞上臺階開挖至DK466+608，掌子面右上方及拱頂出現一塊面積約為2 m2的泥質砂巖，作業臺架處有異常響動(被擠壓)，掌子面出現開裂，掌子面上方水量逐漸增大并夾有掉塊，涌水量持續增大，由50 m3/h左右增至130 m3/h。為保證安全，立即組織所有施工人員撤離，隨即掌子面拱部迅速涌入大量泥水混合物，72 m上臺階已基本涌滿，估算方量在5 000 m3左右。

(2)2013年9月22日，2#斜井正洞掌子面DK466+544拱頂沉降突然加大，當天累計達到26 cm，左右支撐焊接處脫焊及掉塊現象嚴重，滲水面積加大，滴水量變大。為保證安全，撤離人員、設備，并組織人員從洞外拉渣由仰拱端頭處向內進行反壓回填。9月23日，DK466+565拱頂處拱架塌腰折斷，并發生突水突泥，二襯臺車被擠出1個臺車位，突泥方量累計約7 500 m3，并且出水量明顯增大，約350 m3/h，750 m長的中心水溝管約有1/3被淤堵。

(3)具體原因分析

隧道通過不同巖性地層的接觸帶，起伏變化大，巖性復雜、軟硬變化大，尤其是第三系砂巖膠結差，地下水發育及漏斗形儲水構造是造成兩次涌水突泥的主要因素[7]。

4 施工技術重難點

(1)隧道剩余段落處于第三系砂泥巖地層中，為漏斗形儲水構造，洞身拱部上方地質有5～10 m左右的不透水泥巖層，泥巖上方為富水砂巖，經鉆孔測量水頭高度最大時有60 m高，可能出現坍塌變形、涌水涌泥，施工安全風險極高。如何保證開挖輪廓外6 m加固圈不被破壞，防止地下水滲入增加洞身壓力，控制變形、防止塌方是施工技術的重難點。

(2)巖石飽和抗壓強度低(極軟巖)，失水易開裂崩解，遇水軟化膨脹，強度急劇降低，節理裂隙發育，圍巖軟弱破碎，穩定性差且上覆第三系富水泥質粉砂巖。如何快速施工、快速封閉成環，以及施工質量和精確度是施工控制的重難點。

(3)隧道地質極復雜，安全風險極高，且工期壓力較大，開挖剩余段落DK466+478～DK466+527，要求帷幕注漿30 d，開挖、支護、仰拱及二襯45 d完成十分困難。

5 砂泥巖段貫通施工技術

對砂質泥巖與安山玢巖接觸帶涌水涌泥段泄水降水減壓技術和超前加固技術進行研究分析后，確定先進行帷幕注漿再采用三臺階臨時仰拱+中立柱的開挖方法。

富水砂泥巖隧道貫通段采用全方位、立體式、泄水、降水、減壓措施，同時配合使用帷幕注漿、回填注漿、徑向注漿、局部注漿等多種超前加固手段，利用機械配合人工開挖，減少擾動、快速施工。充分利用圍巖土體自承能力，做好初期支護，并形成強大的內支撐系統，分部、分塊掘進施工，堅持“短進尺、強支護、勤量測、快成環”的施工原則，根據圍巖變形量測數據，確定合理的預留變形量以及拱架的加工弧度，使拱架圓順、支護結構整體均勻受力，對于地質差、變形大的部位，采取加強措施控制變形量，對于地質相對較好、變形較小的部位，快速施工。

5.1 綜合泄水、降水、減壓施工方法

貫通段采用綜合泄水、降水、減壓施工方法，如圖1所示。包括地表降水井1、洞身拱部泄水孔2、地表向正洞6及平導洞7、拱部的泄水孔3、隧道基底降水井4、平導7向正洞6拱部斜上方的泄水孔5。

隧道在通過富水泥巖地段時，最先施作洞身拱部泄水孔，通過泄水孔的作用，達到降水減壓的目的。如果拱部泄水孔達不到降水減壓的目的，說明該地區圍巖地下水豐富，施作地表降水井、平導向正洞打設泄水孔、由地表向正洞和平導拱頂上方打設泄水孔，最后打設隧道和平導基底降水井，用以排出隧道內滲流水系。

5.2 全斷面超前注漿加固施工方法

(1)上斷面止漿墻與鉆機施工平臺施工

為滿足鉆機作業施工及開孔布置要求，作業平臺表面采用C25模筑混凝土，厚度30 cm，與上斷面止漿墻連接成為整體，形成凈空5 m、長不小于10 m的鉆機作業平臺。止漿墻澆筑前，需對止漿墻基底進行注漿加固，確保止漿墻基底承載力。止漿墻采用C30混凝土澆筑，厚3 m(見圖2)。

圖2 止漿墻基底加固示意

(2)注漿孔布設

根據施工現狀，在隧道剩余段落上半斷面開孔對全斷面進行注漿加固。全斷面超前注漿單側加固長度31 m，兩側縱向搭接長度3 m，徑向加固范圍為開挖輪廓線外6 m(見圖3～圖4)。

圖3 上臺階開孔示意

圖4 全斷面注漿加固縱剖面

(3)注漿工藝及方式

①全斷面超前注漿采用前進式分段注漿與鉆桿后退式分段注漿相結合的施工工藝，前進式注漿分段距離為3～5 m，鉆桿后退式分段注漿分段長度為1.5～2 m，施工中可根據地質和實際情況調整。

②注漿施工采用多功能地質鉆機開φ130 mm孔，開孔深1.8 m，安設2 m長φ108 mm孔口管，并安設止水閘閥，再通過孔口管鉆設φ90 mm的孔進行注漿施工。

③先進行終孔斷面注漿孔鉆注施工，再對補充斷面孔進行注漿施工。

(4)超前注漿參數

超前注漿加固設計參數[8]見表1。

表1 注漿參數

(5)注漿材料

注漿材料以快硬硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔。施工過程可根據地質情況及地層吸漿情況進行材料種類及配比調整，見表2。

表2 注漿材料參數

5.3 超前錨固及支護施工方法

(1)玻璃纖維錨桿及抗滑錨管錨固

為了穩定工作面，超前注漿孔均下入玻璃纖維錨桿和抗滑錨管。在注漿結束后，開挖輪廓線外注漿孔內下入φ42 mm抗滑錨管，在開挖輪廓線內下入外徑為25 mm玻璃纖維錨桿，注漿段全段通長布設，并進行注漿作業。

(2)超前大管棚支護

如圖5所示，注漿結束后在兩側掌子面沿拱頂開挖輪廓線內30 cm環向144°布設超前大管棚，環向中心間距33 cm，外插角6°，共布設53根，兩側管棚縱向搭接3 m，管棚孔可兼作周邊上斷面檢查孔和補充注漿孔。大管棚外徑為108 mm，壁厚8 mm，節長2～3 m。溢漿孔沿管壁梅花形布設，孔間距50 cm，孔徑6～8 mm。管棚段間采用φ95 mm無縫鋼管作為內襯管進行焊接連接。管棚施工采用φ125 mm鉆頭引孔，施工時采取跳孔作業，兼作上半斷面檢查孔，以利于補充注漿。管棚安設過程中接頭應交錯，同一斷面上接頭少于50%。管棚安設完成后進行全孔一次性注漿。管棚注漿材料、參數同超前加固注漿。

圖5 管棚布置

5.4 三臺階臨時仰拱+中立柱法施工方法

如圖6所示，該方法主要適用于砂泥巖與其它巖層接觸帶變形較大段、涌水涌泥潰口段及影響段。

圖6三臺階臨時仰拱+中立柱法示意

施工步驟[9]如下：

(1)利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護，開挖上臺階，即①部，臺階高度約為3.5 m，每次開挖長度為0.6 m(1榀鋼架間距)，立即分別初噴10 cm和5 cm厚C30高強混凝土封閉掌子面和洞周后，及時施作初期支護、鎖腳錨管、臨時仰拱和臨時中立柱。

(2)待上臺階超前3～5 m后，左右側交替開挖中臺階，即②部，臺階高度約為3.6 m，單側每次開挖長度為0.6 m(1榀鋼架間距)，施作洞身結構初期支護、臨時仰拱、鎖腳錨管并接長臨時中立柱。

(3)中臺階超前3～5 m后，左右側交替開挖下臺階，即③部，單側每次開挖長度為0.6 m(1榀鋼架間距)，及時施作初期支護、鎖腳錨管并接長中立柱。

(4)下臺階超前3～5 m后，開挖仰拱，每次開挖長度不超過3 m，并及時封閉仰拱初期支護，施作仰拱二次襯砌Ⅳ部和仰拱填充Ⅴ部。

(5)待隧道成洞6～8 m后，逐榀拆除臨時中立柱，利用襯砌模板臺車一次性灌注Ⅵ部二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

(6)當監控量測數據顯示拱頂沉降變形持續不收斂時，上、中、下臺階可左右錯開3～5 m施工，每臺階噴射20 cm厚混凝土形成中隔壁。

(7)當隧道成洞后監控量測數據顯示變形速率一直呈收斂趨勢，且鄰近段落上中臺階開挖后初期支護累計變形不超過8 cm、仰拱封閉后初期支護累計變形不超過12 cm時，現場可結合施工條件調整中、下臺階的臨時中立柱。

6 施工技術效果評定及結論

(1)在富水砂泥巖隧道貫通施工中，貫通點附近是受力最薄弱的地段，初期支護臨空面大，易造成初支開裂、變形甚至塌方、涌水、涌泥。

(2)采取超前注漿加固方法能防止地下水對隧洞周圍土體的滲入，對隧洞周圍及前方地層土體進行加固改良，有效降低了隧道開挖支護的風險并加快施工節奏。

(3)通過采用綜合泄水降水、超前預加固、三臺階臨時仰拱+中管柱、臨時中立柱支撐相結合的方法，一方面降低了水壓，改良了土質，加固了地層；另一方面由于開挖方法比較靈活，能減少圍巖的擾動，初期支護能快速封閉成環。及時施作縱橫向鋼管柱支撐及φ89鎖腳，控制了貫通段圍巖的變形，加快了施工進度，保證了施工安全，確保了隧道順利貫通。