暗挖隧道全斷面止水帷幕施工技術(shù)研究

吳寶坤

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300000）

隧道在穿越山嶺時往往會遇到不良地質(zhì)情況，常見的情況有破碎巖層，軟弱巖層，同時在山嶺地區(qū)水系復雜在山嶺巖層中富含地下水，當?shù)叵滤性谄扑檐浫鯉r層中時是工程施工的隱患，山嶺隧道開挖至富含地下水的破碎巖層帶時，圍巖容易產(chǎn)生坍塌、地下水涌出等施工風險。為避免破碎巖層和地下水給工程帶來的風險，常見的隧道圍巖預處理、預加固的方法有超前小導管預加固、管棚預支護等方法，這些方法在隧道施工時對圍巖進行提前預加固使得圍巖的承載能力得到提升。但是超前小導管在實施過程中使用的導管數(shù)量大注漿效果難以保證，管棚預支護工程量大需要使用的機械設備多工藝較為復雜，因此提出一種施工快速且注漿預加固效果好，實施過程便捷的隧道預加固方法。有學者對該問題進行了研究，吳松鋒等對在富含地下水隧道中提出對圍巖進行帷幕注漿堵水，建立注漿帷幕力學模型分析加固方案的效果[1]；劉香會等對鉆孔參數(shù)、注漿量等參數(shù)進行合理設計探討帷幕注漿對圍巖、掌子面的加固止水效果[2]；于松波等針對地質(zhì)環(huán)境差的特點提出帷幕加固的方案，通過觀察拱頂變形、地表沉降等分析加固效果[3]。

根據(jù)已有學者研究[4-14]，基于黔張常鐵路大坡隧道工程圍巖的破碎情況復雜同時受到地下水的干擾，本文大坡隧道施工提出一種全斷面止水帷幕的施工方法，止水帷幕通過注漿的方式提前對隧道輪廓線外的破碎巖層進行注漿加固，使隧道的整個外輪廓得到充分的注漿加固形成一個圓筒形的注漿保護層，漿體在破碎圍巖形成帷幕能夠增加破碎圍巖的穩(wěn)定性和有效防止地下水的侵入。

1 工程概況

黔張常鐵路大坡隧道工程位于湘西龍山段境內(nèi)，該段地質(zhì)條件復雜受侵蝕溶蝕以及地下水影響大，山勢陡峭多呈“V”型谷。大坡隧道全長6678米，雙線隧道。該隧道輔助施工平行導洞5267米，進口平導設7 個橫通道、出口平導設4 個橫通道。大坡隧道褶皺和斷層情況如表1。

表1 大坡隧道褶皺和斷層情況

褶皺斷層較多同時受溶蝕、地下水影響容易引起巖體坍塌、透水等，隧道適合采用采用全斷面止水帷幕的施工方法。采用注漿固結(jié)的形式使隧道拱頂、兩側(cè)、仰拱外側(cè)圍巖得到預先加固處理。全斷面注漿加固方法采用隧道開挖方向的方向進行，在掌子面設置止?jié){墻作為注漿的基準面，止?jié){墻上布設注漿鉆孔，注漿鉆孔內(nèi)埋設注漿小導管。為保證注漿效果，對止?jié){墻與隧道巖面的空隙進行注漿封堵保證止?jié){墻封堵效果。帷幕注漿材料根據(jù)地質(zhì)和地下水情況進行適當調(diào)整，主要采用硫鋁酸鹽水泥并對注漿效果進行評定。當隧道穿越圍巖破碎帶等地質(zhì)條件較差的地段采用前進式注漿，并根據(jù)地下水流量分段前進式進行即每次向前進行注漿；當圍巖較為完整時采用后退式注漿工藝，即開始注漿時噴出漿液的位置是注漿管的末端然后逐步向注漿孔孔口進行；不同的地質(zhì)條件使用不同的注漿方式達到注漿效果的最優(yōu)方案。

2 全斷面止水帷幕工程參數(shù)

本工程所處地質(zhì)環(huán)境受溶蝕、地下水影響嚴重，褶皺斷層較多容易引起巖體坍塌、透水等，采用全斷面注漿的方式對隧道圍巖進行預加固。加固范圍是隧道外輪廓線外5m，注漿范圍包括隧道的拱頂、兩側(cè)以及仰拱，注漿固結(jié)的形態(tài)大致呈現(xiàn)沿隧道外輪廓線的圓筒狀。全斷面帷幕注漿的推進方向與隧道開挖方向一致，止水帷幕注漿每一循環(huán)30m，止?jié){墻厚度2m，其中止?jié){墻與掌子面形成相嵌狀態(tài)，起到穩(wěn)固掌子面巖層的作業(yè)；注漿孔擴散半徑2m，孔底間距按3m布置。注漿鉆孔直徑采用130mm、長度1m 的無縫鋼管，可以為后續(xù)注漿孔插入作導向和定位作業(yè)，注漿鉆孔部需要安裝牢固。止水帷幕外形如圖1所示，漿液沿鉆孔填充滿巖層空隙區(qū)域和擠走地下水，隨著漿液在的流動漿液壓力不斷減少直至停止流動，漿液在巖層裂隙中硬化從而提高巖層強度和阻止地下水滲入。

圖1 帷幕注漿加固范圍示意圖

3 止?jié){墻及泄水孔施工工藝

止?jié){墻采用C20 混凝土，拱頂、兩側(cè)以及仰拱預埋設長度為2.5m 的Φ42 注漿小導管，對止?jié){墻與巖面間空隙進行注漿封堵，確保注漿封堵效果。止?jié){墻形狀如圖2所示，止?jié){墻與隧道的內(nèi)輪廓和巖面緊密貼合，止?jié){墻的作用可以穩(wěn)固圍巖，并且可以為注漿孔和泄水孔提供作業(yè)區(qū)域便于注漿施工。

圖2 止?jié){墻布置圖

現(xiàn)場在掌子面后方2m，開挖輪廓線外1.5m位置左、右兩側(cè)分別布設泄水孔，孔深30m，終孔位于開挖輪廓線外10m。泄水孔布置如圖2 所示。然后施做施工平臺，施工平臺位于止?jié){墻的后部，施工凈空為不小于5m，縱向長度不小于16m。

4 帷幕注漿工藝

帷幕注漿的漿體采用硫鋁酸鹽水泥單液漿，其特性是早強快硬，注漿壓力在2MPa-6MPa 之間，注漿能夠迅速在注漿孔擴散到巖體空隙和封堵地下水。

4.1 注漿材料配合比

預先規(guī)劃帷幕止水注漿的施工參數(shù)見表2 所示，漿液配比參數(shù)見表3 所示，一個循環(huán)的注漿包括止?jié){墻的制作、注漿形成的止?jié){盤、加固后的隧道開挖。由于暗挖隧道掌子面前方圍巖和地下水千變?nèi)f化，隨時會面對不可預測的地質(zhì)情況，因此需要實時對參數(shù)作出調(diào)整。

表2 帷幕止水注漿設計參數(shù)表

表3 漿液配比參數(shù)表

4.2 注漿效果評定

施工過程中對注漿困難、地質(zhì)薄弱的區(qū)域進行記錄，當進行注漿效果評定時需要對這些注漿孔的注漿效果進行全面評定，取孔數(shù)量為總注漿孔的5%～10%，評定的內(nèi)容有出水量，成孔效果，巖層是否坍塌等。當發(fā)現(xiàn)注漿后止水預加固效果不佳時需要進行補孔等加強措施。

5 前進式注漿工藝

隧道穿越褶皺、斷層破碎帶、圍巖接觸帶等地質(zhì)條件較差的地段采用前進式注漿，其注漿剖面如圖3，注漿沿隧道縱向向外發(fā)散式有利于加固隧道頂部、側(cè)墻的松散圍巖，注漿的要求主要有三個方面：

圖3 注漿剖面圖

a.確定注漿孔位位置，由于注漿方向是沿隧道外方向擴散需要準確確定鉆進角度并進行鉆孔作業(yè)；

b.鉆孔的孔口外壁需要采用水泥基錨固劑錨固確保牢固不漏漿；

c.注漿采用分段進行即前進式分段，先進行靠近注漿孔附近的位置注漿然后向遠離注漿孔的方向再進行注漿然后需要該過程。注漿過程需要根據(jù)巖體內(nèi)水流量的情況進行，水量較大時注漿的影響區(qū)域適當降低即降低分段長度增加注漿次數(shù)，水量較小時注漿的影響區(qū)域適當增加即增加分段長度減少注漿次數(shù)。當水量小于10m3/h 時，前進式注漿的一次注漿長度控制在10m 范圍，當水量在10～30m3/h 時，減少注漿的分段長度，控制在5m范圍，當水量過大需要提前進行注漿加固。鉆孔注漿工藝見圖4所示，分段注漿如圖5所示。

圖4 鉆孔注漿工藝流程圖

圖5 分段前進式注漿效果圖

6 后退式注漿工藝

巖體較完整的地段采用后退式注漿，終壓力達到2MPa。注漿前進行注漿試驗從而確定注漿壓力、注漿量、掌握注漿擴散范圍等。后退式注漿采用鉆至設計深度后采用后退式注漿，漿體通過鉆孔進入破碎巖層后保持注漿壓力保持2～3分鐘保證漿體在這段時間內(nèi)擴散到巖隙內(nèi)然后后退鉆桿進行下一段注漿，重復同樣方法直至退桿到孔口位置，后退式注漿工藝流程如圖6所示。后退式注漿的特點是一次鉆進至設計深度然后從鉆孔的最深處末端逐次分段向止?jié){墻方向注漿，該方法施工效率高，重復掃孔工作量小，后退式注漿順序如圖7所示，漿體之間實現(xiàn)重疊狀態(tài)，漿體硬化過程后注漿體與周邊巖體融合進行柱體。

圖6 后退式注漿工藝流程圖

圖7 后退式注漿順序示意圖

7 隧道量測分析

對溶蝕破碎地層和富含地下水地質(zhì)條件，采用全斷面止水帷幕加固并配合使用前進式注漿和后退式注漿施工工藝，為評價施工方法的效果，確定隧道監(jiān)控量測項目以及列出量測數(shù)據(jù)。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，采用全斷面止水帷幕并配合注漿的隧道施工方法，注漿后10 天范圍內(nèi)隧道變形速率小于5mm/d,處于安全的變形速率范圍內(nèi)；注漿10 天后，隧道拱頂下沉和地表沉降處于平緩狀態(tài)，變形較小。因此采用全斷面止水帷幕加固并進行注漿加固處理是適合的。

表4 隧道量測數(shù)據(jù)

8 結(jié)語

黔張常鐵路大坡隧道采用全斷面止水帷幕加固隧道輪廓線外圍巖，采用注漿固結(jié)的形式使隧道拱頂、兩側(cè)、仰拱外側(cè)圍巖得到預先加固處理。止?jié){墻作為注漿的基準面設置在掌子面上，止?jié){墻上布設注漿鉆孔和注漿小導管。帷幕注漿材料主要采用硫鋁酸鹽水泥并對注漿效果進行評定。當隧道穿越圍巖破碎帶等地質(zhì)條件較差的地段采用前進式注漿，并根據(jù)地下水流量分段前進式進行；當圍巖較為完整時采用后退式注漿工藝；經(jīng)過隧道量測數(shù)據(jù)分析，全斷面帷幕注漿方法能夠保證隧道施工的順利推進。