寶蘭客專石鼓山隧道下穿淺埋河谷施工技術(shù)

賈華強(qiáng)，郭光旭

（1.鄭萬鐵路客運(yùn)專線河南有限責(zé)任公司，河南 鄭州450052；2.西成鐵路客運(yùn)專線陜西有限責(zé)任公司 西延指揮部，陜西 西安710043）

0 引言

隧道下穿河流淺埋段，圍巖穩(wěn)定性維護(hù)往往較為困難，掌子面多易發(fā)突水與突泥等工程災(zāi)害，工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐與探索。如馬鞍梁隧道、楊家壩隧道、孔家坪隧道等隧道穿越溝谷淺埋段的工程建設(shè)［1-4］積累了一定修建經(jīng)驗(yàn)，提出了地表袖閥管注漿加固法、洞外地表注漿法、洞內(nèi)帷幕注漿法、四臺(tái)階九步開挖法與洞內(nèi)大管棚+小導(dǎo)管等超前加固支護(hù)措施。

寶蘭客專石鼓山隧道淺埋溝谷地段茵香河地面是地方規(guī)劃的重要影視基地，隧道建造的施工風(fēng)險(xiǎn)大、環(huán)境要求高，且施工技術(shù)難度大。基于TSS注漿、袖閥管注漿、旋噴樁、粉質(zhì)黏土層旋噴樁加固技術(shù)［5-8］及砂礫石層注漿機(jī)理［9-11］等研究成果，結(jié)合石鼓山隧道下穿河流淺埋河谷的工程實(shí)例，對(duì)隧道下穿淺埋河谷圍巖穩(wěn)定性維護(hù)支護(hù)措施，及其配套的開挖與支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況與施工風(fēng)險(xiǎn)

1.1 工程簡介

寶蘭客專石鼓山隧道位于寶雞市渭濱區(qū)渭河南岸，全長4 330 m，為極高風(fēng)險(xiǎn)雙線隧道。洞身下穿3條溝谷河流，最大埋深133 m，最小埋深3 m。全隧為Ⅵ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅵ級(jí)圍巖1 300 m，占比30%，Ⅴ級(jí)圍巖3 030 m，占比70%。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

淺埋段河流溝谷，埋深3～15 m，設(shè)計(jì)為Ⅵ級(jí)圍巖，隧道洞身通過地層主要為粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)沙、粉土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土等。

該段為孔隙-裂隙潛水中等富水區(qū)，接受大氣降水和河內(nèi)地表水的側(cè)向補(bǔ)給，水量豐富，地下水位埋深約2～8 m，高于洞頂約7 m。河床地表常年流水，（河流）最大流量4 600 m3/d。

1.3 下穿河流淺埋段地層特性

茵香河淺埋段隧道埋深8.3～16.0 m，洞身上部主要為粗圓礫土、漂石（粒徑0.3～1.5 m），中下臺(tái)階主要為粗圓礫土及粉質(zhì)黏土、砂層（厚度1.2～7.6 m），圍巖自穩(wěn)性較差。

張家溝段圍巖等級(jí)Ⅵ級(jí)，地層類型為復(fù)合型。上部以黏質(zhì)黃土為主；拱腰部夾有粗砂層，厚約1.0 m；中下部以粗砂、細(xì)圓礫土為主，夾粉質(zhì)黏土薄層；圍巖自穩(wěn)能力較弱。

下穿河流淺埋段地層分布復(fù)雜多變，呈現(xiàn)為粗圓礫、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂與黃土交替分布，地層特性見圖1。

1.4 施工風(fēng)險(xiǎn)

（1）安全風(fēng)險(xiǎn)。隧道下穿多處淺埋河溝谷，地層復(fù)雜多樣，地表水與地下水發(fā)育程度高，強(qiáng)富水性區(qū)域分布較多，地層滲透性強(qiáng)，穩(wěn)定性差，施工中容易發(fā)生塌方、大變形、突水（泥）等風(fēng)險(xiǎn)事件，安全風(fēng)險(xiǎn)性極高。

（2）工期風(fēng)險(xiǎn)。隧道施工難度極大，工法復(fù)雜，工效低，超前支護(hù)措施多，安全措施嚴(yán)格，施工進(jìn)展緩慢，工期風(fēng)險(xiǎn)大。

2 施工方案

2.1 方案研究

結(jié)合下穿河流段圍巖地質(zhì)的復(fù)雜性，采用三維綜合注漿加固技術(shù)進(jìn)行預(yù)加固，保證軟弱圍巖地層的注漿改良效果。在確保安全條件下，將隧道原設(shè)計(jì)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖優(yōu)化為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。

圖1 地層特性

第1維度：洞內(nèi)掌子面拱部管棚+小導(dǎo)管+二重管后退式深孔注漿加固。地層適應(yīng)性：洞身上部以細(xì)圓礫、粗圓礫土及砂層為主，采用二重管后退式深孔注漿，淺埋段拱部增加管棚和小導(dǎo)管支護(hù)措施［12-13］。

第2維度：拱墻小導(dǎo)管注漿加固。地層適應(yīng)性：洞內(nèi)（拱墻）局部出現(xiàn)富水砂礫石地層，局部采用拱墻小導(dǎo)管注漿。

第3維度：地表旋噴樁+袖閥管垂直注漿加固。地層適應(yīng)性：淺埋河谷地表采用袖閥管（旋噴樁）注漿。

在石鼓山隧道下穿淺埋河溝谷施工過程中，針對(duì)復(fù)雜多樣的地層特性，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：首先施作地表預(yù)加固措施，即第3維度注漿；經(jīng)段落注漿評(píng)估，針對(duì)地表袖閥管（旋噴樁）注漿加固薄弱處（盲區(qū)），結(jié)合洞內(nèi)掌子面呈現(xiàn)的不同地層特性，再分別采取第1維度、第2維度或2個(gè)維度綜合注漿等支護(hù)措施維護(hù)掌子面穩(wěn)定。

2.2 機(jī)理分析

淺埋河谷段采用多種注漿技術(shù)有機(jī)結(jié)合，通過綜合預(yù)加固形成較為穩(wěn)固的注漿加固圈，可較為有效地切斷地表水滲流路徑，降低發(fā)生黃土地層垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育與擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)隧道圍巖從“圍巖軟弱、自穩(wěn)能力極差，施工風(fēng)險(xiǎn)極高”向“圍巖自穩(wěn)能力增強(qiáng)，施工風(fēng)險(xiǎn)中低”的性態(tài)轉(zhuǎn)變，提高隧道圍巖自承能力，達(dá)到下穿河流淺埋段復(fù)雜多樣地層改性加固的效果。

3 下穿河流淺埋段綜合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

3.1 三維綜合注漿加固技術(shù)

3.1.1 第1維度注漿預(yù)加固

第1維度注漿預(yù)加固技術(shù)：洞內(nèi)掌子面拱部管棚+小導(dǎo)管+二重管后退式深孔注漿加固。

（1）二重管后退式注漿加固。隧道下穿河流淺埋段，洞內(nèi)拱部采用180°二重管注漿加固措施。注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿結(jié)束壓強(qiáng)4～6 MPa，擴(kuò)散半徑1.5 m，注漿孔51個(gè)；以普通硅酸鹽水泥水玻璃雙液漿為主，單液漿為輔；單漿液配合比δW∶δC=0.8∶1.0；雙液漿配合比δW∶δC=0.8∶1.0，δC∶δS=l∶1；水泥采用普通硅酸鹽水泥P.0 42.5，水玻璃濃度45°Bé（見表1）。注漿鉆孔縱斷面布置示意見圖2。

表1 洞內(nèi)二重管注漿參數(shù)

（2）管棚+小導(dǎo)管注漿加固。拱部144°范圍設(shè)φ89 mm管棚+φ42 mm超前小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)，φ89 mm管棚長9 m、環(huán)向間距60 cm，φ42 mm超前小導(dǎo)管長4.5 m、環(huán)向間距60 cm。管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)斷面布置示意見圖3。

圖2 注漿鉆孔縱斷面布置示意圖

圖3 管棚+小導(dǎo)管超前支護(hù)斷面布置示意圖

3.1.2 第2維度注漿預(yù)加固

富水砂礫石地層段隧道拱墻系統(tǒng)錨桿調(diào)整為φ42 mm小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿止水。初支施作后，及時(shí)進(jìn)行徑向注漿加固，加固范圍為開挖輪廓線外4 m，鉆孔縱向間距2.2 m，環(huán)向間距1.4 m，梅花形布置。

3.1.3 第3維度注漿預(yù)加固

（1）地表袖閥管垂直注漿加固。茵香河淺埋河谷段（小里程方向）60 m，地表采用袖閥管分段注漿工藝，防滲堵漏，加固地層。每10 m為1個(gè)注漿評(píng)估段。袖閥管注漿共計(jì)19排，464個(gè)孔，孔深22～34 m，注漿孔采用等邊三角形布孔形式，對(duì)中間距1.5 m，縱向排距1.5 m，橫向排距1.3 m。茵香河淺埋段地表加固平面示意見圖4，袖閥管加固橫斷面示意見圖5，袖閥管注漿參數(shù)見表2，袖閥管注漿量見表3。

圖4 茵香河淺埋段地表加固平面示意圖

圖5 袖閥管加固橫斷面示意圖

表2 袖閥管注漿參數(shù)

表3 袖閥管注漿量

（2）地表旋噴樁注漿加固。淺埋河谷段（大里程方向）60 m，地表采用高壓旋噴樁工藝，進(jìn)行加固，形成滯水帷幕。旋噴樁橫斷面示意見圖6。

圖6 旋噴樁橫斷面示意圖

旋噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)為：開挖輪廓線外1.1 m，樁徑Ф800 mm，樁長25～30 m，最外側(cè)兩排旋噴樁為咬合樁，縱向間距0.7 m、橫向間距0.6 m，中部樁間距按1.2 m×1.2 m，梅花形布置，單液漿，注漿壓強(qiáng)大于20 MPa。旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)

淺埋河谷地層雜亂，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)旋噴樁加固區(qū)域進(jìn)行探索評(píng)估，評(píng)估效果不滿足設(shè)計(jì)要求，采用袖閥管注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 三維綜合注漿加固效果檢查評(píng)定方法與標(biāo)準(zhǔn)

通過采用P-Q-T曲線、檢查孔成孔率、洞內(nèi)注漿效果、掌子面出水變化等評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隧道下穿淺埋河谷采用的三維綜合注漿加固技術(shù)有效性進(jìn)行分析。

（1）P-Q-T曲線分析。通過分析注漿壓強(qiáng)、注漿速度等數(shù)據(jù)信息，得出注漿壓強(qiáng)隨著注漿時(shí)間不斷變化，且總體呈上升趨勢；注漿速度則隨注漿時(shí)間不斷降低，總體為下降趨勢。當(dāng)注漿壓強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓強(qiáng)，注漿速度也同步降低至設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí)，注漿效果滿足要求。

（2）檢查孔成孔率分析。每個(gè)段落設(shè)不少于3個(gè)檢查孔，取芯數(shù)量不少于注漿孔數(shù)的2%，取芯率不小于70%，平均取芯率不小于85%。通過對(duì)取芯孔進(jìn)行檢查，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。注漿芯樣見圖7。

（3）洞內(nèi)注漿效果見圖8。洞內(nèi)注漿地段開挖揭示結(jié)果表明，漿脈明晰，地層漿液擴(kuò)散明顯，漿液填充砂礫土層顆粒間的空隙，與土層固結(jié)為一體，地層得到有效改良，保證圍巖穩(wěn)定。

圖7 注漿芯樣

圖8 洞內(nèi)注漿效果

（4）掌子面出水變化。每段設(shè)1～3個(gè)水平探孔，探測水量，單孔出水量＜2 L/（m·min）。

（5）施工過程中，淺埋段分為若干個(gè)加固段，動(dòng)態(tài)評(píng)估每個(gè)段落的加固效果，綜合評(píng)價(jià)掌子面安全情況，依據(jù)掌子面穩(wěn)定性，確定下道工序施工。

3.3 洞內(nèi)拱頂下沉變形分析

隧道下穿淺埋河谷段的拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，以DK639+930、DK639+940監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為例，拱頂下沉曲線演化形態(tài)主要分為2個(gè)階段，即上升階段與趨于穩(wěn)定階段，拱頂下沉曲線初期上升，后期逐漸趨于穩(wěn)定，屬于“穩(wěn)定性”變形。

拱頂累計(jì)下沉量最大值約為40 mm，下沉速度最大值約為4 mm/d，曲線“突跳”頻度較低，采用初期支護(hù)+三維綜合注漿加固技術(shù)，能夠有效控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。拱頂下沉曲線見圖9。

圖9 拱頂下沉曲線

4 結(jié)論

采用三維綜合注漿加固技術(shù)對(duì)下穿河流淺埋復(fù)合地層進(jìn)行施工，總結(jié)3個(gè)維度注漿預(yù)加固技術(shù)及其地層適應(yīng)性，形成下穿河流淺埋復(fù)合地層的隧道圍巖穩(wěn)定性維護(hù)支護(hù)措施，及其配套的開挖與支護(hù)施工技術(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）地表與洞內(nèi)多種措施相組合，預(yù)加固后，實(shí)現(xiàn)隧洞周邊多維度土層完整性、強(qiáng)度及自承能力的提高，為三臺(tái)階開挖工法的實(shí)施提供了有效加固圈。

（2）在保證安全的前提下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖工法優(yōu)化為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱，有效縮短了拱墻初期支護(hù)落底時(shí)間，達(dá)到了洞內(nèi)初期支護(hù)快速封閉成環(huán)的目的，施工機(jī)械化程度提高，掘進(jìn)速度加快，施工工效提升，創(chuàng)造了Ⅵ級(jí)圍巖大斷面隧道單月開挖進(jìn)尺40 m的紀(jì)錄，與設(shè)計(jì)工法相比，施工進(jìn)度提高了1倍以上，同時(shí)降低了工程投資。

（3）通過三維綜合注漿預(yù)加固，圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)，隧道變形處于允許范圍內(nèi)，安全順利通過淺埋溝谷，實(shí)現(xiàn)“快速、安全、高效”的施工目標(biāo)，為類似工況隧道圍巖變形控制與穩(wěn)定性維護(hù)提供了較為可靠的借鑒依據(jù)。