涌水隧道穿越邊墻破碎帶施工關鍵技術探討

許世輝

(四川路航建設工程有限責任公司,四川成都 610045)

隨著川西地區高速公路持續發展勢頭，多以隧道穿越復雜地質條件的崇山峻嶺，通常伴有滑坡、涌突水、涌突泥、巖爆、瓦斯帶、巖溶、軟弱破碎帶、斷層等復雜的不良地質現象出現。在穿越斷層破碎帶類不良地質段時，可采取逐段敷設長管棚超前支護、逐段超前預注漿后開挖等方式進行處治，以改善開挖支護環境，但超前長管棚主要用于隧道拱部處治，超前預注漿雖可對隧道全斷面注漿加固，但因注漿量大、成本高而往往不能得到采用。因此，在隧道開挖過程中，遇到邊墻部位圍巖破碎易坍塌時，需要采用注漿加固、提高支護參數和增強鋼拱架鎖腳等措施方法，在斷層富水破碎地段加固邊墻時，還需要設置泄水管實施有目的地分散排水，緩解圍巖富水壓力，降低隧道施工安全風險。

1 工程概況及難點

飛仙關特長隧道位于雅(安)康(定)高速公路K19+715～K24+655段，全長4 949 km。隧道進口位于雅安市雨城區，出口位于天全縣。隧道所在項目位于四川盆地西南部，是青藏高原與四川盆地的過渡地帶，沿線屬低山山地，區內溝谷縱橫，山巒起伏，地形切割較強烈，多成“V”型谷，谷底至岸頂高差變化較大，屬構造剝蝕中低山地貌。隧址區屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均氣溫15.1～16.2 ℃，年平均降雨量1 250～1 750 mm。周邊水系含青衣江、滎經河、天全河。隧道最大埋深799 m，涌水段位于C7標段右線隧道出口K23+690～K23+708，洞身圍巖以弱風化粉砂巖﹑細砂巖為主，偶夾薄層泥巖。

飛仙關隧道出口段初見涌水量高達15×104～16×104m3/d，接近設計峰值0.46×104m3/d的35倍，遠超地勘預估量，經過近4個月的持續衰減后，涌水量降至3×104～4×104m3/d。在采取了側導坑引水、初支換拱、施作長管棚等處治工法后，掌子面滿足帶水作業條件。涌水段掘進過程中發現，特大涌水后，由于高應力釋放和重分布導致右線隧道左邊墻圍巖擠壓破碎(圖1)，下臺階開挖時揭露了出水通道，邊墻部位圍巖坍空且有股狀涌水流出，常規方式安裝初支鋼拱架不能自穩，邊墻破碎帶極易發生坍塌，開挖支護難度較大。

圖1 邊墻破碎帶示意

2 邊墻破碎帶處治技術應用

2.1 下臺階邊墻預注漿加固

2.1.1 預留下臺階巖體

隧道涌水段采用三臺階開挖，下臺階施工時預留部分巖體暫不開挖(圖2)，預留長度(隧道縱向)為下臺階縱向開挖長度，預留寬度(隧道橫斷面)約1～2 m，預留巖體對邊墻部分施加一個反向推力，防止過早出現臨空面,邊墻部位應力集中，圍巖發生擠壓變形破壞。

圖2 下臺階預留巖體、小導管注漿示意

2.1.2 小導管預注漿加固

在預留巖體保持穩定時，對邊墻破碎帶采用圍巖預注漿的工藝，是一個有效的加固手段。單層注漿小導管在預留巖體部位豎向打入3根，斜向下方約11 °，間距1 m，小導管長4.5 m，直徑42 mm，壁厚4 mm，前端呈尖錐形，管壁上每隔10 cm交錯鉆眼，眼孔直徑為8 mm，打入圍巖部分2.8～3.5 m。由于單液漿(純水泥漿)凝結時間長，動水條件下結石率低且注漿量大，所以選用水泥-水玻璃雙液漿。采用KBY30/120注漿泵進行注漿作業，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.8，水玻璃濃度35 °Be′，水玻璃模數2.6，注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。

在實際施工過程中發現，在工作壓力下注漿速率偏大(超過20 L/min),且較長時間后未明顯降低。下臺階開挖后發現圍巖后方裂隙發育，仍然存在出水通道，大部分漿液被急流帶走，預注漿加固效果不理想，未達到施工預期。

2.2 排水鎖腳樁

經過技術攻關，發明了鋼管排水鎖腳樁，同時兼具排水和鎖腳功能，對穿越斷層富水破碎帶類不良地質段的隧道拱墻初期支護進行加固和排水降壓(圖3)。

圖3 鋼管排水鎖腳樁結構立面

2.2.1 鋼管排水鎖腳樁結構設計

鋼管排水鎖腳樁樁身及排水部分由錨固鋼管和內嵌的排水鋼管、注漿管、架線環、內堵頭板、外封頭板和集水孔等組成(圖4)。鎖腳樁、鋼拱架分別同定位塊焊接，并通過I16上下型鋼縱梁將其連接范圍內的鋼拱架、鋼管排水鎖腳樁等串連成一個剛性整體，提高對上方初期支護的承載能力。

圖4 加強型鋼管排水鎖腳樁結構示意

臺階法開挖隧道過程中，完成上一級臺階的初期支護后，開挖下一級臺階時拱墻背的圍巖發生松動坍塌，將容易導致開挖段上方已形成的初期支護失穩破壞，當采用加強型鋼管排水鎖腳樁將上方初期支護連接成整體后，開挖下一臺階時再輔以短進尺開挖支護工法，能夠有效避免這種失穩破壞，降低施工安全風險(圖5)。

圖5 加強型鋼管排水鎖腳樁大樣

2.2.2 施工工藝

(1)鉆孔工作面處置：邊墻破碎帶上方初期支護時預留工作坑洞，尺寸以能滿足定位塊安裝和正常鉆孔施工為準；未預留時，可用人工破拆工作面范圍內的噴射混凝土及鋼筋的方式形成工作坑洞。

(2)樁位放樣：用卷尺和拉線等量測工具在拱墻背圍巖表面確定鎖腳樁孔位，并用鐵釘或紅油漆等作明顯標識。

(3)安裝定位塊：在鋼拱架上安裝定位塊，為便于校正，先將定位塊底板與鋼拱架點焊連接，再將側板與底板、鋼拱架分別焊接，最后將定位塊滿焊接在鋼拱架上，施工中防止其變形移位，板平面與鎖腳樁設計軸線垂直；定位塊占用既有初期支護中的鋼筋位置時，將鋼筋與定位塊焊接固定。

(4)鉆孔：采用錨固鉆機鉆孔，根據孔位準確安裝固定鉆機，精確調整機位；將錨固鋼管套入定位塊孔內并抵緊圍巖，用偏心鉆具跟管鉆至孔底，再用鉆機退出錨固鋼管至設計錨固位置，形成集水孔。

(5)安裝注漿及排水裝置：①焊接排水鋼管和內堵頭板，鋼管進水口穿出內堵頭板約0.2 m，管軸線與內堵頭板板面保持垂直；②制作架線環，并將其和注漿管、排水鋼管用扎絲綁扎固定，注漿管的出漿口距離內堵頭板0.2～0.3 m；③將O形止水圈嵌套于內堵頭板外緣凹槽處，為防止止水圈脫落，可采用防水膠粘貼固定，然后將上述裝置緩緩送入錨固鋼管內；④安裝外封頭板，并與錨固鋼管、排水管分別滿焊連接。

(6)焊接鎖腳樁：將錨固鋼管與拱架上的定位塊焊接形成整體，需要時可用8 mm厚梯形加勁板將鋼管外壁和定位塊之間按豎向一字型或豎向、橫向十字型焊接加強。

(7)填補工作坑洞：用混凝土摻加適量速凝劑填平工作坑洞，施工時避免混凝土堵塞管口。

(8)錨固段注漿：①連接注漿管、止漿閥和壓漿機；②選用水泥+水玻璃雙液漿注漿，注漿采用孔底返漿的方式，初始注漿壓力宜控制在0.5～1.0 MPa，至排氣孔口溢出新鮮漿液時用木塞或堵頭封堵排氣口，終壓宜控制在2.0 MPa，并持壓5 min后關閉止漿閥。

(9)鋼管排水鎖腳樁縱梁安裝：依次安裝上下型鋼縱梁，型鋼縱梁與錨固鋼管之間的縫隙處用鋼墊板墊塞并焊接成整體，型鋼縱梁與鋼拱架之間焊接后再用加勁鋼板焊接加強。

(10)工后下一級臺階開挖方法：施工完成鋼管排水鎖腳樁后，開挖下一級邊墻部位時，采用短進尺開挖工法并采取措施減弱對邊墻處的圍巖擾動，一次開挖不宜超過3榀拱架寬度，開挖后充分清除破碎巖體及虛渣，超挖量較大時采用M10漿砌片石回填密實或補注漿處理，也可采用模筑混凝土填充密實，充分利用鎖腳樁和新做的邊墻支護提高隧道初期支護系統的穩定性。

3 結束語

在圍巖預注漿條件不理想情況下，用較大直徑鋼管替代 常用的鋼筋錨桿和注漿小導管鎖腳，其強度更高、剛度更大，通過注漿法固結周邊圍巖和鎖定樁體，利用鎖腳樁提高對上方圍巖和初期支護的承載能力，在樁內設置的排水管道，具有排放裂隙水，緩解圍巖富水壓力的功能，實施后效果良好。在隧道穿越富水斷層破碎帶類不良地質段時，采用鋼管排水鎖腳樁可以實現同時加固拱墻初期支護和排水降壓的功能，降低富水破碎帶隧道施工的安全風險。