新圓梁山隧道穿越2#溶洞超前帷幕注漿技術(shù)研究

曹林衛(wèi)，姜波

（中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121）

0 引言

我國巖溶地貌分布廣泛，修建鐵路隧道不可避免地會與巖溶地層遭遇。在巖溶地層中修建隧道經(jīng)常會遇到高壓富水溶洞，如果處治不當(dāng)，將會發(fā)生突水突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，因此對高壓富水溶洞進(jìn)行超前預(yù)加固至關(guān)重要。

張民慶等[1]在對齊岳山隧道高水壓涌水地段進(jìn)行處治中，采用了循環(huán)注漿堵水技術(shù)。張梅等[2]在對野三關(guān)隧道 “602” 高壓富水溶腔進(jìn)行處治中，采用了高位泄水降壓技術(shù)、注漿技術(shù)和管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)，保證了隧道溶洞段的施工安全。杜永昌[3]針對大支坪隧道 “990” 高壓富水溶腔，綜合采取預(yù)鉆孔排水減壓、帷幕注漿預(yù)加固隧道周邊圍巖以及高位支洞排水等措施，成功地處理了溶洞區(qū)突水災(zāi)害問題。劉招偉等[4]在圓梁山隧道毛壩向斜高壓富水區(qū)，采用多種注漿方法和手段，實現(xiàn)了對圍巖和充填物的加固和阻水。由此可見，注漿是防治突水的重要施工技術(shù)[5]。渝懷鐵路Ⅱ線新圓梁山隧道穿越巖溶地質(zhì)條件復(fù)雜，突水突泥等災(zāi)害風(fēng)險大，其中2#溶洞的處治是隧道施工的重點[6]。

鑒于此，以新圓梁山隧道為工程依托，在分析2#溶洞特點與注漿難點的基礎(chǔ)上，開展超前帷幕注漿方案設(shè)計，并通過現(xiàn)場檢驗驗證了超前帷幕注漿加固的效果。研究成果對類似工程具有一定的參考價值。

1 工程概況

新圓梁山隧道由既有圓梁山隧道平導(dǎo)擴(kuò)挖修建，全長11172m，最大埋深774m。新圓梁山隧道位于既有線右側(cè)30m處，設(shè)計為人字坡，底板標(biāo)高低于既有線1.5m。新圓梁山隧道穿越地層條件與既有線隧道相似。

1.1 2#溶洞概況

新圓梁山隧道2#溶洞位于YDK340+337～YDK340+397，溶洞距進(jìn)口3060m，距地表約579m，探測到的溶洞長度為122m，設(shè)計抗水壓力3MPa。隧道位于毛壩向斜YDK339+102～YDK341+302段舟型富水區(qū)核部。溶蝕裂隙發(fā)育廣泛，為具寬大構(gòu)造-溶蝕裂隙特征的深埋充填溶洞。溶洞內(nèi)充滿黃褐、褐紅色黏質(zhì)粉細(xì)砂與粉質(zhì)黏土。填充物與溶解的灰?guī)r以及巖塊交叉分布，自穩(wěn)性差。溶洞與上部巖溶水體或地下暗河相連。一線施工期間洞內(nèi)水壓：正洞3.013MPa，平導(dǎo)2.016MPa。總之，2#溶洞具有規(guī)模大、水量大、水壓高的特點，因此，施工處治難度大[7]。2#溶洞示意圖如圖1所示。

圖1 新圓梁山隧道2#溶洞平面發(fā)育示意圖

為降低風(fēng)險，保證施工安全，從安全使用性、地質(zhì)適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)、工期、既有工程經(jīng)驗等方面對多種超前預(yù)支護(hù)方案進(jìn)行綜合對比分析，確定采用帷幕注漿法對2#溶洞進(jìn)行預(yù)加固。

1.2 帷幕注漿施工重難點分析

根據(jù)隧道所處地理位置以及開挖揭示的工程地質(zhì)和水文情況，隧道施工的風(fēng)險及重點如下：

（1）工程地質(zhì)復(fù)雜，巖溶管道與充填介質(zhì)軟硬不均，且溶洞充填介質(zhì)主要為含水黏質(zhì)粉細(xì)砂與粉質(zhì)黏土，不易成孔，這種地層的鉆孔效率被嚴(yán)重制約。如何提高孔位的鉆探效率是該項目能否快速完成注漿加固的根本保證。

（2）溶洞充填體以粉細(xì)砂為主，漿液固結(jié)后呈切割土體的網(wǎng)脈狀，不能完全浸潤土體，注漿體的固結(jié)形態(tài)、擴(kuò)散范圍不能精確預(yù)控，整體強度差異大或提高有限。如何對注漿過程進(jìn)行嚴(yán)格把控，從而提高注漿質(zhì)量是關(guān)鍵。

（3）溶洞充填體頂部涵蓋范圍廣、含水率大，開挖施工擾動易對注漿后的止水加固圈造成影響，使土體發(fā)生液化反應(yīng)，成流塑狀，可能產(chǎn)生突泥、突水、頂部掉泥現(xiàn)象，難以形成自然拱。如何在施工過程中盡可能降低對土體的擾動是保證安全開挖的重點。

綜上所述，如何提高鉆孔效率、注漿質(zhì)量，降低開挖對土體的擾動是注漿施工的重難點。

2 隧道穿越2#溶洞超前帷幕注漿方案設(shè)計

根據(jù)2#溶洞的空間分布特征及施工重難點，確定在YDK340+330～YDK340+405段施作全斷面帷幕注漿，同時采用大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。采用大管棚支護(hù)并進(jìn)行管棚注漿加固，能夠在提高帷幕注漿效果的同時，對隧道頂部溶洞內(nèi)的粉細(xì)砂等充填體進(jìn)行加固，形成連續(xù)密閉的管棚喇叭桶形支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免隧道拱部的坍塌、掉泥等災(zāi)害，保證隧道安全開挖。通過施作止?jié){墻并采用分段前進(jìn)式注漿方式，可以有效防止塌孔和成孔困難。此外，在超前帷幕注漿施工前進(jìn)行注漿試驗，獲取注漿量、漿液配合比、凝結(jié)時間、注漿終壓等參數(shù)。在帷幕注漿施工中，除采用常規(guī)注漿材料外，還采用了硫鋁酸鹽水泥、超細(xì)水泥等特種注漿材料。特種注漿材料早期強度高、快硬，具有良好的可注性、分散性和浸潤性，能夠有效注入地層并形成脈狀網(wǎng)格膠結(jié)體結(jié)構(gòu)，可以防止坍塌，且注漿效果可預(yù)控，能顯著提高注漿質(zhì)量。

2.1 施工條件準(zhǔn)備

隧道進(jìn)行超前帷幕注漿前需施作止?jié){墻，并對場地進(jìn)行硬化處理。

止?jié){墻施作時，先開挖止?jié){墻基礎(chǔ)。在基底及周邊打設(shè)兩排連接筋。連接筋采用直徑Φ22、長度2m的螺紋鋼。鋼筋間距為0.5m，排距為1.5m。采用強度等級為C25的混凝土立模澆筑止?jié){墻。為便于現(xiàn)場施工，止?jié){墻分4次進(jìn)行澆筑，厚度為2m。

帷幕注漿前，在止?jié){墻前方10m施作鉆機作業(yè)平臺，如圖2所示。平臺表面采用C25模筑混凝土澆筑硬化。混凝土澆筑厚度為30cm。硬化場地前端斜坡不大于30°。斜坡上也須澆筑30cm厚混凝土，混凝土澆筑須平整，便于鉆機上下。

圖2 場地硬化布置圖（單位：mm）

2.2 超前帷幕注漿設(shè)計

超前帷幕注漿參數(shù)如表1所示。隧道每次開挖20m。在縱向加固段的8m和15m處增加兩個補孔注漿斷面，以減少注漿盲區(qū)。超前帷幕注漿設(shè)計圖如圖3所示。

表1 注漿設(shè)計參數(shù)表

圖3 超前帷幕注漿設(shè)計圖（單位：cm）

2.3 注漿材料

超前帷幕注漿材料及其配比參數(shù)詳見表2。由于地質(zhì)條件差異和現(xiàn)場施工情況不同，材料配比可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2.4 超前帷幕注漿施工

表2 注漿材料配比表

圖4 超前帷幕注漿施工流程圖

超前預(yù)注漿按照 “由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔” 的順序進(jìn)行。超前帷幕注漿施工流程如圖4所示。需要注意的是，在鉆孔和注漿過程中如出現(xiàn)突水突泥、塌方等災(zāi)害時，應(yīng)立即停止施工。

3 超前帷幕注漿效果現(xiàn)場檢驗

為檢驗帷幕注漿設(shè)計方案的現(xiàn)場實施效果，對注漿后圍巖松動圈、檢查孔及滲水情況進(jìn)行檢測。

3.1 圍巖松動圈測試

為了確定和驗證超前帷幕注漿堵水和加固效果，分別在隧道未注漿段YDK334+885、YDK335+715、YDK336+350處和注漿段YDK340+355、YDK340+375處測量了圍巖松動圈厚度。圍巖松動圈測試結(jié)果如表3所示。

表3 圍巖松動圈測試結(jié)果

由表3可知，隧道開挖后圍巖的松動圈厚度最大能夠達(dá)到1.6m，這主要是在裂隙較發(fā)育的Ⅳ級圍巖段中。據(jù)此可以推算，裂隙較發(fā)育的Ⅴ級圍巖段的圍巖松動圈厚度應(yīng)該超過1.6 m。注漿后的裂隙較發(fā)育的Ⅴ級圍巖段圍巖松動圈厚度約在1m左右，這和Ⅳ級圍巖段松動圈在未注漿之前的厚度是一樣的，這也同時說明，采用5m注漿加固圈加固后的裂隙較發(fā)育較嚴(yán)重的Ⅴ級圍巖段的圍巖等級提高了一個級別。

3.2 徑向檢查孔

在各注漿段開挖和支護(hù)完成后，為了確定帷幕注漿堵水的效果，在系統(tǒng)錨桿（L=3.5m）和鎖腳錨桿（L=4.0m）施工過程中，鉆孔均未出水。同時，在2#溶洞段選取了YDK340+355和YDK340+375作為檢測斷面，每個斷面布設(shè)了三個徑向檢查孔，分別位于隧道斷面的拱腰和左右拱頂處，每個檢查孔的深度為5m，利用鉆機鉆至設(shè)計孔深，發(fā)現(xiàn)三個檢查孔均未出水，這也能夠表明，在2#溶洞段把圍巖注漿厚度定為5m能夠達(dá)到堵水的效果。

3.3 注漿后滲水情況監(jiān)測

為了確定帷幕注漿后隧道滲水情況，在2#溶洞段隧道分三個區(qū)間進(jìn)行滲水量監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表4。

表4 滲水監(jiān)測結(jié)果

從表4監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以看出，帷幕注漿堵水后實際滲水量均小于設(shè)計規(guī)定滲水量，說明2#溶洞段隧道帷幕注漿堵水達(dá)到了設(shè)計要求和預(yù)期效果，滿足隧道開挖期間滲水量的要求。

4 結(jié)論

新建圓梁山隧道鄰近既有線，采用擴(kuò)挖施工，穿越的2#溶洞規(guī)模大、水量大、水壓高、施工風(fēng)險大。采用超前帷幕注漿法對2#溶洞進(jìn)行預(yù)加固，并對超前帷幕注漿參數(shù)和施工進(jìn)行設(shè)計。對超前帷幕注漿效果進(jìn)行現(xiàn)場檢驗顯示，注漿加固提高了圍巖的等級，檢查鉆孔未出水，溶洞段滲水量小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，超前帷幕注漿起到了圍巖加固和注漿堵水的效果。