新建隧道穿越巨型暗河溶洞注漿加固技術研究

賀玉朋

（北京瑞威世紀鐵道工程有限公司，北京101499）

1 工程概況

玉京山隧道掘進D3K279+948 處出現了巨型巖溶大廳、暗河，溶洞橫向長度約230 m，寬約93 m，大致呈長方形，溶洞頂部呈穹隆狀，大廳垂直高度在45～130 m 不等，隧道頂部位于溶洞大廳頂部附近。發育暗河位于隧道軌底以下約130 m，與線路組合極為不利。為保證隧道施工安全及后期運營安全，對隧道巨型溶洞采用暗河改道+溶洞回填+隧道暗挖+橋梁跨越的總體設計方案。

2 技術方案研究

為保證隧道暗挖拱頂、洞身的穩定性和開挖施工安全，以及隧道后期運營基底承載力，采用溶洞頂板低預應力全黏結性錨索+側向剛性袖閥管+基底剛性袖閥管注漿加固3 項措施。

3 注漿設計方案

3.1 注漿加固范圍

1）先對溶洞頂板低預應力全黏結錨索注漿加固，采用豎直向上布置的方式，孔間距2.0 m（環）×3.0 m（縱），孔徑為φ140 mm，鉆孔長度為25 m。錨索設計拉力值為1 200 kN，鎖定時預加力為100 kN。采用9 束直徑為φ15.2 mm 環氧涂層鋼絞線制作，環氧涂層鋼絞線抗拉強度不小于1 860 MPa。

2）再對隧道側向開挖輪廓線以外15 m 注漿加固，采用剛性袖閥管，沿線路方向孔間距為2.5 m，每個斷面注漿孔終孔間距為3 m[1]。

3）最后，隧道開挖至底板預埋導向管，進行底板澆筑、基底鉆孔注漿加固施工。采用剛性袖閥管，采用2 m×2 m 矩形布置，孔間距為2 m，深度33.5 m，其中，55 孔為沉降觀測孔，作為后期線路運營觀測孔。注漿結束后，兩側預留2 排注漿孔進行線路后期運營中補償注漿。注漿加固范圍如圖1、圖2 所示。

圖1 錨索、側向注漿加固范圍斷面及平面圖

圖2 基底注漿加固范圍斷面及平面圖

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆孔工藝

鉆孔穿越堆積體和松碴回填體多種地層，成孔較困難。袖閥管能按照設計要求安裝到既定深度是主要難點之一。為解決此項困難，采用多功能履帶鉆機，通芯鉆套管鉆進，防塌孔、卡鉆。成孔后鉆桿拆除安裝剛性袖閥管，最后拔出套管，即可完成鉆孔的施作。鉆具規格見表1。

表1 鉆具規格表

3.2.2 注漿工藝

本工程采用袖閥管注漿工藝，利用水囊式止漿塞止漿，袖閥管注漿工藝特點為：

1）能按注漿工程的設計要求，確定注漿位置和擴散范圍；

2）不易產生注漿盲區和薄弱區，適合高風險注漿施工；

3）注漿位置可通過止漿塞的移動進行調整，靈活變動；

4）同一注漿點可采用不同注漿材料進行注漿；

5）可實現多次注漿，保證注漿質量；

6）注漿壓力可控，安全性高。

3.3 注漿參數

注漿參數見表2。

表2 注漿參數表

3.4 鉆孔注漿施工難點及解決措施

3.4.1 鉆孔注漿施工難點

1）鉆孔過程中因地層破碎，塌孔卡鉆嚴重，工效低、進度慢；

2）場地小設備人員多，造成管理和安全風險大；

3）地層進漿量大，人工攪拌無法保證拌漿質量及漿液供應問題；4）注漿壓力上升慢，漿液流失大效果不明顯；5）注漿孔及預留后期漿液補償孔的保護問題。

3.4.2 鉆孔注漿施工解決措施

1）采用偏芯鉆及通芯鉆施工對比，通芯鉆相比偏芯鉆孔工藝較便捷，鉆孔速度較高，解決了塌孔卡鉆問題，但通芯鉆對鉆機扭矩及起拔力是一大考驗，扭矩需達到22～27 kN·m、起拔力需達到80～100 kN，采用滿足要求的設備及鉆具，保證了工期。

2）對設備進行分區施工，在鉆機動力頭加裝排渣收集桶。此鉆孔分區作業避免了互相干擾，渣土收集避免排渣對周邊人員造成傷害。

3）隧道內沒有施作全自動攪拌系統，通過現場考察溶洞頂部與地表設有通風井，直徑1.5 m，高80 m，地表處于半山體狀態，對地表進行平整加固，將全自動拌漿系統放置地表進行拌漿，將φ108 mm×5 mm 無縫鋼管連接至隧道內注漿泵站進行漿液供應，解決人工質量及供應量的問題。

4）通過在周圈孔全孔及中間孔孔底以上2 m 范圍內采用水泥、水玻璃雙液漿進行帷幕封堵，使地層加固區域形成“杯子”形狀，再采用硫鋁酸鹽水泥漿進行中間部位回填擠密加固。此注漿工藝解決了注漿過程中漿液的流失及壓力上升慢等問題。

5）通過研究袖閥管管頭嵌入混凝土面以下5 cm，采用土工布等軟材料進行袖閥管內管頭以下10 cm 封閉，土工布及軟材料包裹寬松放入預留5 cm 處使用細沙覆蓋，確保了每根袖閥管操作性及安全性。

4 監控量測

錨索及側向注漿結束后開始對隧道進行開挖，先進行隧道中心線開挖出行車道，再對左右邊墻牙口分段開挖支護，降低側墻收斂變形。開挖高度達17 m 時，采用φ85 cm×18 m 鋼支撐對隧道拱頂下13 m 處橫向進行支撐，隧道開挖至底板后，安裝第二道鋼支撐至拱頂下18 m 處橫向進行支撐。通過對錨索軸力、錨桿軸力、拱頂沉降、凈空收斂位移、鋼支撐軸力進行觀測，以及基底回填體分層檢測監測，確保隧道開挖及施工安全。

底板混凝土澆筑完成后，拆除第二道鋼支撐進行鉆孔基底鉆孔施工。通過鋼支撐卸載、拆除過程中軸力在土體變化均處于正常受力[2]。

5 效果驗證

5.1 孔內成像法

注漿結束后，采用φ125 mm 裸鉆成孔，未出現塌孔現象，施作孔內成像顯示孔壁較光滑、有明顯漿脈，由此判斷本次注漿對堆積體及松碴回填體地層加固良好，如圖3 所示。

圖3 注漿效果孔內成像圖

5.2 開挖過程驗證效果

開挖揭示對回填體注漿效果達到了預期目標，增強了地層側向適應力及基底承載力，結合隧道錨索軸力、錨桿軸力、拱頂沉降、凈空收斂位移、鋼支撐軸力以及基底回填體分層檢測監測觀測，保證了隧道施工安全及后期運營安全。

6 結論

1）對破碎不均勻地層進行通芯鉆施工工藝，保證了剛性袖閥管下設深度及下設的質量。

2）注漿結束后，對注漿薄弱區域檢查驗收，施工中周圈全孔及中間孔底以上2 m 采用雙液漿帷幕，中間孔采用硫鋁酸鹽水泥回填擠密加固的注漿材料，是適合的。

3）由于場地小，設備人員多，設備人員分區進行施工是有必要的。

4）注漿處理中創新性地采用了3 個首次：（1）首次在隧道溶洞頂板采用低預應力全黏結型錨索結構使溶洞頂板更加穩定；（2）首次在隧道巨型溶洞堆積體和松碴回填體地層之中修建大斷面寬20 m×高25 m（寬×高）襯砌結構；（3）首次對隧道結構采用差異沉降控制進行檢算，并對隧道處理采用在運營期間進行補償注漿控制總沉降量和差異沉降量的措施，確保了隧道在運營期間的安全。

5）通過本工程施工對安全防護、設備選型、檢測監測及鉆孔注漿材料的選取都取得了較好的結論及論證。通過開挖揭示及測量監控均達到有利效果，注漿改良地層對本段做好了相應的安全保證，專項方案效果明顯，為以后類似工程提供了借鑒。