高原鐵路隧道穿越水庫底卵石土地層施工技術

楊剛 中鐵二局第五工程有限公司

一、工程概況

拉林鐵路藏日拉隧道為單線鐵路隧道，D3K232+819～D3K233+154 段洞身穿越〈8-9-4〉卵石土地層，對應地表位置為一個容量約8 萬立方米的水庫，地面距離洞頂最小距離130m，為確保隧道施工安全，本段設計采用超前帷幕注漿預設計，采用臺階法開挖，并于隧道拱部預設φ89 管棚，初支的全環架縱向間距為0.8m/榀，采用I20b 工字鋼制作。

二、總體施工技術

施工前將水庫放水排干，并對水庫進行調查、拍照、攝影取證，進行沉降和變形監測。為探明掌子面前方地層情況，超前地質預報采用以紅外探水法為主的探測手段，然后開展超前帷幕注漿止水及預加固施工，根據預報成果結合現場實際地質情況，選取適宜的鉆孔注漿工藝，在地質情況較好而易于成孔的部位采用后退式注漿，反之則采用前進式的注漿工藝；注漿結束后，即開始施作洞身φ89 管棚進行超前支護，根據圍巖情況采用引孔頂入法或跟管鉆進工藝；采用上下臺階法進行隧道開挖掘進，以弱爆破法開挖為主，在掌子面圍巖松散地段可采用挖掘機輔以人工鑿出的方法，循環進尺控制在0.8m，快速完成初期支護的鋼架及錨網噴結構施工，通過地表和洞內的監控量測掌握圍巖及支護變形情況，待初支變形穩定后及時施作二次襯砌。

三、具體施工方法

（一）超前地質預報

先進行地震波反射法和紅外探水的“長”預報，取得初步預報成果，在此基礎上，進行超前鉆探和加深炮孔的“短”預報，物探法和鉆探法相互結合起來，開展綜合分析比較及印證。根據超前地質預報成果和結合洞內外的監控測量情況綜合判斷是否進行帷幕注漿處理。

（二）超前帷幕注漿堵水技術

優先選擇后退式注漿，其適用于比較容易成孔的地層，反之則需要選擇前進式注漿。掌子面單孔出水量≥10L/min 或超前鉆探孔中的水量大于0.4L/（min.m），是判斷是否需要進行超前帷幕注漿止水施工的條件。一個循環注漿施工長度為30 米，掌子面共設7 環共130 個孔。

前進式分段注漿工藝：從孔口開始，每鉆進3～5 米長度后立即進行注漿，直至整個孔完成鉆進和注漿。

后退式分段注漿工藝：一次性成孔并經檢驗合格后，單次注漿的分段長度根據地質狀況取0.6～1 米，從遠端最靠前的分段退至孔口處，完成第一段的注漿作業后，退至第二分段開展注漿作業，如此往復后退，直至整個孔完成。

如圖1 所示。

⑴止漿墻：第一循環施工時設C20 止漿墻，施工前對出水點采用引流方式進行處理，止漿墻沿隧道輪廓環向擴挖嵌槽25～50cm 以保證止漿效果，清理基底，安裝止漿墻模板（鋼模或木模）及支撐加固體系，最后澆筑混凝土，養護至15Mpa 以上，再進行下一步的鉆孔作業。后續施工時每循環只開挖25 米，剩余部分作為止漿盤。

⑵鉆孔：成孔設備選用回轉式鉆機，鉆進過程中，現場技術人員認真觀察出水、鉆進速度、巖性等情況，做好詳細記錄，同時分析鉆屑的情況，為注漿順序提供參考依據。前進式注漿的掃孔作業：在前段漿液具有0.15MPa 以上的強度后，再進行掃孔作業，此時圍巖與水泥漿的凝結體不易破壞，同時可有效避免坍孔，掃孔時鉆桿姿態應基本保持與鉆孔時基本相同。

圖1 超前帷幕注漿示意圖

⑶注漿：若止漿墻混凝土或止漿盤漿體強度不足設計的100%，不能進行注漿作業。為保證止漿系統的有效，需對前方地層的吸水性及滲透性進行測定。采用壓水試驗進行檢驗，密封性較差時通過止漿墻周邊預埋管注漿充填空隙。漿液主要采用水泥凈漿，在封孔時或遇到涌突水情況下采用水泥水玻璃雙漿液。施工過程中，根據掌子面前方圍巖情況、富水情況和壓水試驗情況，對注漿壓力、注漿材料、漿液水灰比等參數作動態調整。

①注漿材料：水灰比0.8:1～1:1，現場準備好稱量設備和拌和桶，調制水泥漿液，注漿時漿液濃度由稀到濃，逐級變化；雙漿液的水泥和水玻璃比1:0.8，水玻璃波美度Bé=40。

②注漿順序：按照“由外圈孔向內圈孔”的原則進行注漿，并根據掌子面出水點的水源位置和涌水方向等情況，按照“從無水孔至有水孔”的順序進行注漿。

③注漿結束標準

單孔結束標準：a、注漿壓力達到，穩壓時間超過10 分鐘；b、進漿速度明顯減小，小于初始進漿速度的四分之一或進漿量達到設計的80%；c、檢查孔的每分鐘涌水量＜0.2L。

單循環結束標準：a、所有孔均達到單孔結束的條件；b、注漿堵水后隧道預測涌水量＜1m3/（d.m）；c、有效注漿范圍滿足設計要求；d、鉆孔抽芯檢查，芯樣中漿液充填飽滿。

注漿效果檢驗：鉆孔取芯檢驗注漿的效果，上臺階設3 個、下臺階設2 個，鉆進深度不得伸入下循環預留止漿盤中。經檢驗不能滿足單孔或單循環結束標準的情況下需要補鉆追加注漿。

（三）洞身管棚施工技術

D3K232+819～D3K233+154 段超前支護在隧道拱部設φ89 大管棚，長度為10m，外 插 角10～15°，每 環27 根φ89×6mm 無縫鋼管，縱向間距6.4m/環，鋼花管管壁開10～20cm 注漿小孔。洞身管棚不設工作室，每環管棚位置前3 榀鋼架及開挖斷面擴大30cm 以滿足鉆機的工作空間。

⑴平臺

鉆孔平臺寬度約2.5m，采用鋼管架進行搭設，鉆機安裝平穩，鉆桿定位準確，鉆孔順序為從拱頂往兩側向下進行，鉆桿軸線與設計的導管軸線重合，保證鉆孔的精準度。

⑵管棚施工工藝

引孔頂入法：即先鉆進成孔后再將導管頂入孔內，使用鉆機進行頂管操作，當地層地質狀況好、易于成孔時采用；

管鉆進法：在鉆桿鉆進的同時跟進外套管，成孔之后先緩慢拔出鉆桿，再頂入鋼花管，最后拔掉套管，遇到圍巖破碎、砂卵石層等易坍孔時采取。

⑶鉆孔及清孔

管棚施工外插角控制在10～15°，采用干鉆成孔工藝，設備采用淺孔鉆機；引孔頂入法采用直徑108mm 鉆頭，跟管鉆進法需加大鉆頭直徑，可采用直徑127mm 的鉆頭。

①地質狀況較好、不坍孔時一次性成孔到位，當遇到卡鉆或坍孔等現場時，則先補注水泥漿再鉆進。

②開鉆時先低鉆速鉆進，過程中根據現場地質狀況進行調整、逐步加快，注意檢查是否偏位。

③現場技術人員做好鉆孔記錄，根據鉆進情況和巖屑預測前方地質情況，并作為超前地質預報。

④采用引孔頂入法時，成孔后應先掃孔，保證孔徑。

⑤孔中插入高壓風管進行清孔，驗孔采用測斜儀。

⑷頂管：

頂管：采用引孔頂入法時用鉆機旋轉頂入鋼花管，采用跟管鉆進法時

堵孔：鋼花管與孔壁的空隙在孔口位置采用砂漿或錨固劑進行封堵，壓緊管控密封圈，以保證注漿的效果，在管口連接止漿球閥和三通接頭。

⑷注漿作業

漿液配合比通過現場試驗進行調配，保證注漿固結效果為目的，施工時可根據上一個循環的效果進行調整，注漿終止壓力選取0.5～1.0MPa。

①注漿順序為：采用間隔交錯注漿，由下到上，從無水孔到有水孔，壓力先小后大，漿液濃度為由稀到濃，進漿量由大到小。

②施工過程中注意安排人員盯控，若壓力表顯示注漿壓力突然激增，必須停機查明原因解決問題；發生串漿情況時，立即采取封堵措施，封堵材料可用錨固劑、快凝水泥砂漿、布條等。

③單孔注漿終止條件：

a、注漿壓力逐漸升高達到設計終止壓力標準，且穩壓時間超過10 分鐘；

b、進漿速度逐漸減小，直至小于初始進漿速度的1/4 以下；

c、注漿量大于或等于設計注漿量的80%。

（四）開挖支護

⑴洞身開挖

綜合考慮洞身尺寸及地質情況，選用上下臺階法施工，按照“多鉆眼、少裝藥、短進尺、少擾動”的原則，嚴格控制鉆眼質量和裝藥量，單次開挖進尺為0.8m，周邊眼間距30cm；必要時采用挖機開挖、輔以人工風鎬修整斷面開挖，保證施工安全。

⑵初期支護

合理組織施工，縮短圍巖封閉時間，初期支護采用“鋼架+錨桿+鋼筋網+噴射砼”體系。開挖后進行找頂排險，施工初噴砼初步抑制圍巖的松動，鋼構件均采用廠制，鋼架出廠前需要進行預拼并編號，運輸至施工現場安裝，噴射砼采用濕噴法。并在上臺階底部設置臨時支撐，達到初步成環的效果，下臺階開挖時進行拆除。臨時橫撐的材料為工字鋼架結合噴射混凝土。鎖腳與鋼架之間連接牢固，保證安裝質量。

（五）監控量測

通過進行洞內外施工各階段圍巖的變形監測和數據分析，掌握圍巖和初期支護的穩定性，通過反饋信息及時調整支護參數和措施。施工前埋設地表觀測點，施工過程中加強地表原地面監測和雨天時水庫水位監測，避免受水庫影響段提前發生突涌水。

①必測項目

隧道內觀察、地表觀察，水庫地表沉降，拱頂下沉，凈空變化。主要采用全站儀進行量測。

②選測項目

對于有條件的或地質情況較差有需要時，可對圍巖內力、圍巖內部壓力、初支噴砼內力、孔隙水壓力、爆破振動等項目進行選測。

測量過程中如發現異常情況應及時提出相關等級的預警，以便及時處理。隧道變形基本穩定的判斷條件：隧道圍巖變形速率有明顯減緩的趨勢，拱頂下沉日變化小于0.15mm，凈空收斂日變化小于0.2mm。

（六）襯砌緊跟

經圍巖監測，變形趨于穩定后，及時跟二襯施工，開挖掌子面距離襯砌不超過35米為宜。襯砌施工可按以下方式進行：仰拱及矮邊墻采用帶模自行式仰拱棧橋澆筑，拱墻二次襯砌的施工模板采用自行式液壓鋼模板臺車，帶分倉入模裝置。兩種襯砌施工設備均為襯砌快速施工封閉成環的關鍵。

四、總結

1.超前地質預報的準確性是開展穿越水庫底砂卵石地層施工的前提，和監控量測的及時性是保證施工安全的關鍵。

2.初支緊跟開挖，襯砌快速成環是保證施工安全具有重要意義。

3.在施工過程中驗證超前帷幕注漿止水效果和洞身管棚在砂卵石地層的應用效果，調整并記錄最佳的各項施工參數，對今后類似工程的施工具有借鑒價值。