軟弱富水大變形隧道施工技術(shù)

王 榮

中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710016

1 概述

米亞羅3號(hào)隧道是汶馬高速公路項(xiàng)目C18合同段的重難點(diǎn)工程。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，受米亞羅斷層及地震影響，巖體破碎、裂隙發(fā)育，巖體多被切割成塊狀，部分巖體松動(dòng)變形。米亞羅3號(hào)隧道最大埋深285m，隧道圍巖主要為板巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖等軟弱巖體構(gòu)成，受斷層影響，裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，隧道孔隙水與基巖裂隙水較發(fā)育，千枚巖遇水軟化。特別是軟弱富水地層、高地應(yīng)力區(qū)的千枚巖板巖地層和斷層破碎帶等不良地層是誘發(fā)隧道拱頂坍塌，圍巖大變形，突水突泥的主要原因。

根據(jù)米亞羅3號(hào)隧道工程特點(diǎn)以及施工技術(shù)方案，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)具體應(yīng)用狀況，對(duì)隧道施工難題進(jìn)行全面系統(tǒng)性分析，進(jìn)一步對(duì)治理方案、方法進(jìn)行科學(xué)總結(jié)，形成一套復(fù)雜地質(zhì)條件下比較完備的施工技術(shù)，保障米亞羅3號(hào)隧道順利建成[1]。

2 工程概況

汶馬高速公路項(xiàng)目C18合同段，位于四川省阿壩州理縣米亞羅鎮(zhèn)境內(nèi)，起訖里程K160+100～K168+400，線(xiàn)路全長(zhǎng)8.3km，線(xiàn)路自米亞羅鎮(zhèn)向西北行，穿越三家寨山，上跨G317國(guó)道，沿來(lái)蘇河北行，經(jīng)大郎壩村到達(dá)本標(biāo)段終點(diǎn)。米亞羅3號(hào)隧道圍巖主要為板巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖等軟弱巖體構(gòu)成，受斷層影響，裂隙發(fā)育，巖體極為破碎，隧道孔隙水與基巖裂隙水較發(fā)育，整體屬Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。依據(jù)C18合同段地質(zhì)資料，整條線(xiàn)路穿越了大量復(fù)雜不良地層，施工過(guò)程中面臨諸多技術(shù)難題，為整條線(xiàn)路按期順利完工造成了一定的影響。

3 施工技術(shù)及施工工藝

3.1 隧道高地應(yīng)力大變形施工技術(shù)

3.1.1 隧道高地應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)

依據(jù)本標(biāo)段地應(yīng)力測(cè)試資料以及計(jì)算結(jié)果，區(qū)域最大水平構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)镹60°W，米亞羅3號(hào)隧道軸線(xiàn)附近垂直方向地應(yīng)力沿地形線(xiàn)向下逐漸增大，隧道穿越區(qū)域，最大水平主應(yīng)力值為：13-23MPa，出口與進(jìn)口處較小；垂直主應(yīng)力值主要為3-13MPa，在最大埋深處應(yīng)力達(dá)到峰值；最小水平主應(yīng)力值5-12MPa。米亞羅3號(hào)隧道最大主應(yīng)力方向主要在N50°W-N70°W，利用斷層力學(xué)分析法可得該區(qū)域隧道三向主應(yīng)力關(guān)系應(yīng)為SH＞SV＞Sh，米亞羅3號(hào)隧道局部存在高地應(yīng)力。可以預(yù)測(cè)該隧道發(fā)生大變形的可能性很大[2]。

圖1 米亞羅3號(hào)隧道地應(yīng)力場(chǎng)縱向分布

3.1.2 軟弱圍巖大變形施工技術(shù)

軟弱圍巖隧道極易引起圍巖變形和失穩(wěn)。結(jié)合米亞羅3號(hào)隧道地質(zhì)情況，施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、快加固、早成環(huán)、勤量測(cè)”的原則作為軟弱圍巖支護(hù)的主要支護(hù)手段，調(diào)整施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)時(shí)間等，能有效控制軟弱圍巖大變形的發(fā)生。

（1）開(kāi)挖方法

在高地應(yīng)力軟弱大變形隧道施工中，加強(qiáng)圍巖量測(cè)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)與預(yù)留變形量，以確保施工安全與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

根據(jù)米亞羅3號(hào)隧道圍巖實(shí)際情況，在軟弱圍巖隧道施工中，使用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工工藝簡(jiǎn)單，作業(yè)空間大，方便大型機(jī)械設(shè)備的操作。

（2）支護(hù)施作

支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，隨時(shí)對(duì)大變形地段施工進(jìn)行加固及支護(hù)參數(shù)調(diào)整措施。

正常段采用Ⅰ22b工字鋼型鋼鋼架支護(hù)，間距0.5m/榀，超前采用φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)，環(huán)向間距為40cm，外插角控制在10°～15°，相鄰兩排小導(dǎo)管縱向搭接長(zhǎng)度不小于1m；系統(tǒng)錨桿采用φ32自進(jìn)式注漿錨桿，錨桿的長(zhǎng)度為6.0m，并對(duì)錨桿進(jìn)行注漿[3]。

（3）徑向注漿加固

對(duì)于高地應(yīng)力大變形段圍巖自穩(wěn)能力差，巖體結(jié)構(gòu)松散破碎地段，單靠開(kāi)挖后正常支護(hù)不能起到良好的支護(hù)效果，必須對(duì)已施作完成的初期支護(hù)圍巖進(jìn)行注漿加固措施。徑向注漿采用T76S自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)12m+6m，長(zhǎng)短交替布置，環(huán)向間距*縱向間距1.5m。

自進(jìn)式錨桿鉆進(jìn)：鉆孔前應(yīng)檢查錨桿體中孔和鉆頭的水孔是否暢通，若有異物應(yīng)及時(shí)清理。在破碎巖中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的水孔易堵塞，因此在鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，多回轉(zhuǎn)，少?zèng)_擊，注意水從鉆孔中流出的狀況，若有水孔堵塞的現(xiàn)象，應(yīng)后撤錨桿50cm左右，并反復(fù)掃孔，使水孔暢通，然后慢慢推進(jìn)，直到設(shè)計(jì)深度。用鋼管將止?jié){塞通過(guò)錨桿外露打入孔壁封孔進(jìn)行注漿，圍巖較為破碎可采用錨固劑封孔。

錨桿注漿：徑向注漿采用普通水泥單液漿，水灰比：W:C=(0.8～1):1，注漿壓力1.0MPa，注漿過(guò)程連續(xù)不停頓，必須一次完成，觀(guān)察漿液從止?jié){塞邊緣流出或壓力表達(dá)到設(shè)計(jì)值，即可停泵，漿體強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa后可上緊螺母。

（4）二襯施工要點(diǎn)

施工必須遵循“先柔后剛、先放后抗”的原則，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)資料，各項(xiàng)位移已達(dá)到預(yù)計(jì)位移量的80%，或速度小于0.1～0.2mm/d，時(shí)施作二襯。對(duì)于軟巖大變形隧道，可提前施作二次襯砌。控制初期支護(hù)不得侵入二次襯砌。

3.2 特殊不良地層加固技術(shù)

3.2.1 斷層及破碎帶管棚超前加固技術(shù)

在隧道施工中常會(huì)遇到斷層及破碎帶，易引起隧道洞內(nèi)拱頂圍巖失穩(wěn)、坍塌等安全問(wèn)題時(shí)，宜采用大管棚超前支護(hù)。米亞羅3號(hào)隧道左線(xiàn)：ZK161+764至ZK161+780；右線(xiàn)：K161+723至K161+748；右線(xiàn)K163+173至K163+213段采用大管棚超前支護(hù)。

管棚施工避免洞內(nèi)大管棚侵入隧道凈空，洞內(nèi)應(yīng)該增設(shè)管棚工作室，應(yīng)比設(shè)計(jì)斷面大30～50cm，長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足鉆機(jī)作業(yè)要求。施工導(dǎo)向架，安裝φ127導(dǎo)向管，長(zhǎng)度為2m。

（1）管棚施工工藝

大管棚采用φ108、壁厚6mm熱軋無(wú)縫鋼管制成。大管棚環(huán)向間距40cm，外插角1°～2°，拱部120°布設(shè)。為提高導(dǎo)管的抗彎能力，在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由4根主筋和固定環(huán)組成，主筋采用Φ16，固定環(huán)采用φ42短管節(jié)，節(jié)長(zhǎng)5cm，將其與主筋焊接，按0.5m間距設(shè)置。

（2）管棚鉆孔

鉆孔過(guò)程采用測(cè)斜儀量測(cè)鉆進(jìn)的偏斜度，以準(zhǔn)確控制鉆機(jī)軸線(xiàn)方向，使鉆桿以1°～3°的外插角前進(jìn)，每鉆完一孔應(yīng)立即安設(shè)一根鋼管。

（3）鋼管加工

第一節(jié)鋼管一端15cm長(zhǎng)管壁4等分，用石筆畫(huà)出4個(gè)三角形，用氧氣切割掉4個(gè)三角形后，用大錘敲打切割好的4個(gè)齒牙，使合攏在一起，形成圓錐形，用電焊焊接牢固[4]。

（4）鋼筋籠加工

先將φ42鋼管用砂輪切割機(jī)切割成5cm長(zhǎng)的短節(jié)做為固定環(huán)，環(huán)外壁上事先畫(huà)上4等分線(xiàn)，2根Φ16鋼筋放在制作臺(tái)上，放上固定環(huán)，使鋼筋和固定環(huán)的接觸面與等分線(xiàn)重合，按50cm間距焊接固定環(huán)，焊接牢固后，用同樣的方法焊接其余2根Φ16鋼筋。

（5）頂管

鋼管頂進(jìn)采用機(jī)械配合，利用鉆機(jī)的沖擊力和推力低速頂進(jìn)鋼管，鋼管軸線(xiàn)與導(dǎo)向管軸線(xiàn)基本一致，送入第一節(jié)鋼管后外露20cm，安裝已車(chē)好絲的外套φ114鋼管，使絲扣連接15cm，用電焊焊接外接口，焊好后連接第二節(jié)φ108鋼管，絲扣連接15cm，焊接外接口，第二節(jié)鋼管送入方法同第一節(jié)，依此類(lèi)推安裝完一根鋼管。

（6）鋼筋籠安裝

鋼管按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度安好后，穿入已加工好的鋼筋籠，將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實(shí)，并在外露端鋼管焊上法蘭盤(pán)及閥門(mén)，焊接密實(shí)。

（7）注漿

注漿時(shí)，單液水泥漿可直接注入，水泥—水玻璃漿液利用三通管同時(shí)注入。注漿壓力初壓一般為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa，持壓15min后停止注漿，關(guān)閉閥門(mén)。注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達(dá)到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，方可終止注漿。

3.2.2 突水突泥注漿加固技術(shù)

隧道施工突水突泥時(shí)有發(fā)生，對(duì)隧道開(kāi)挖掌子面前方的水源探測(cè)，總是存在不確定性。施工時(shí)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用先進(jìn)可靠的預(yù)報(bào)方法：TSP203地震波法和超前鉆孔等，根據(jù)預(yù)報(bào)成果采取相應(yīng)的處理措施，制定施工方案。

（1）突水突泥防治原則

堅(jiān)持“超前預(yù)報(bào)、以堵為主、堵排結(jié)合、限量排放”的原則，對(duì)大的突水進(jìn)行注漿封堵，對(duì)小型突水進(jìn)行排放，避免地下水大量流失。

（2）突水突泥探測(cè)

米亞羅3號(hào)隧道全程施作TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。對(duì)突水段采用超前水平鉆孔探測(cè)前方地下水狀況。超前地質(zhì)水平鉆施作4個(gè)探孔，鉆孔直徑采用φ75，活動(dòng)斷裂帶超前探測(cè)長(zhǎng)度80～100m，搭接長(zhǎng)度不小于10m,其余地段超前探測(cè)長(zhǎng)度不小于30m，搭接長(zhǎng)度不小于5m。

（3）突水突泥帷幕注漿治理方案

隧道圍巖軟弱破碎、地下水豐富、流沙層、人工回填土，圍巖穩(wěn)定性極差，需要加固方可開(kāi)挖的隧道。帷幕注漿對(duì)軟弱、富水段、突水突泥、碎屑流等地層的固結(jié)效果優(yōu)于其它措施。米亞羅3號(hào)隧道右線(xiàn)：K163+223～K163+163段采用帷幕注漿加固處理[5]。

圖2 帷幕注漿示意圖1

圖3 帷幕注漿示意圖2

a止?jié){墻施作

上臺(tái)階清碴盡可能靠近掌子面后，開(kāi)始施作止?jié){墻。采用C35模筑混凝土施作，厚3.0m，施工空間高度為4.5m。周邊和下部與開(kāi)挖輪廓線(xiàn)的接觸部用直徑Ф22的螺紋鋼筋3排連接，止?jié){墻底部要向下挖3m寬，0.8m深一個(gè)矩形槽，拱頂部位間隔預(yù)留5根直徑φ42的4m長(zhǎng)小導(dǎo)管，小導(dǎo)管前2m加工溢漿孔，待止?jié){墻澆筑完成后，在止?jié){墻周邊施工縫處實(shí)行噴射混凝土施工，防止止?jié){墻與周邊注漿跑漿，混凝土澆筑必須振搗密實(shí)，防止漏漿，止?jié){墻完成后，對(duì)小導(dǎo)管先進(jìn)行注漿。

b場(chǎng)地平整

為了滿(mǎn)足鉆機(jī)施工作業(yè)要求，必須在止?jié){墻后方預(yù)留12m長(zhǎng)的作業(yè)平臺(tái)，并整平壓實(shí)。

c注漿參數(shù)

表1 注漿參數(shù)表

d注漿材料

注漿材料采用普通水泥添加早強(qiáng)劑水泥漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿、普通水泥單液漿為鋪。普通水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為：W:C=(0.8～1):1，水玻璃濃度為30～35°Be’；普通水泥-添加劑漿液，水灰比為：W:C=(0.8～1):(1:0.1)。

e注漿順序

注漿順序按“由外到內(nèi)、由下到上、間隔跳孔”的原則進(jìn)行，以達(dá)到控域注漿，擠密加固的目的。

f鉆孔注漿工藝

先用鉆機(jī)鉆孔深1.5m，直徑φ114mm的鉆孔，安設(shè)固結(jié)1.5m長(zhǎng)φ108mm孔口管。通過(guò)孔口管鉆設(shè)φ90mm注漿孔，鉆到5m深時(shí)開(kāi)始實(shí)施注漿作業(yè)。采取復(fù)合式分段注漿工藝進(jìn)行鉆孔注漿施工，注漿分段長(zhǎng)度4～6m。即鉆進(jìn)4～6m，注漿一次，注漿結(jié)束后再鉆4～6m進(jìn)行注漿，當(dāng)前進(jìn)注漿到10m以后，就一次性鉆孔到該循環(huán)注漿設(shè)計(jì)里程，直接采用后退分段注漿工藝完成該孔作業(yè)；依次循環(huán)，直至結(jié)束注漿。

g注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

全部注漿孔注漿完成后，在主要出水點(diǎn)附近設(shè)至少5個(gè)檢查孔，測(cè)孔內(nèi)涌水量或進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，若滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則可以開(kāi)挖，否則進(jìn)行補(bǔ)注漿。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究為汶馬高速公路的安全順利貫通提供有利保障，項(xiàng)目研究成果可以解決在施工環(huán)境特殊復(fù)雜地區(qū)施工隧道時(shí)所面臨的一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，最大限度的保障隧道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的環(huán)境和結(jié)構(gòu)安全，具有顯著的社會(huì)效益。