高廣義

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，交通基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的同時(shí)，越來越多深埋長大隧道及地下工程施工過程中遭遇第三系富水砂層，因其屬泥質(zhì)弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)，成巖性差，遇水或長時(shí)間暴露時(shí)極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，很快變成松散流塑狀，在開挖擾動(dòng)及水的作用下膠結(jié)松散的砂層塌落隨著流水涌出，隨后逐漸擴(kuò)大，極易發(fā)生涌水、涌砂和塌方等工程災(zāi)害［1］。目前注漿加固是該地層隧道施工的一項(xiàng)重要工法［2］，注漿技術(shù)在隧道富水砂層、巖溶和軟弱地層加固等方面取得了顯著的成果，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道及地下工程施工發(fā)揮著重要的作用，也成為近年來對(duì)不良地質(zhì)施工的研究熱點(diǎn)。新建原州區(qū)至王洼線程兒山隧道第三系富水粉細(xì)砂層段施工采取“帷幕注漿+超前大管棚”技術(shù)有效控制解決了隧道開挖過程中發(fā)生的涌水、涌砂等突發(fā)事故［3］;新建蘭渝鐵路胡麻嶺隧道富水粉細(xì)砂地層通過現(xiàn)場實(shí)踐表明，采用雙液回退劈裂注漿施工，有效地改善了地層的穩(wěn)定性，控制了圍巖變形［4］，采用傳統(tǒng)的帷幕注漿技術(shù)雖然能夠達(dá)到改良富水砂層的效果，但不能否認(rèn)的事實(shí)是全斷面帷幕注漿時(shí)間長、工效低和造價(jià)高［5］。對(duì)于長區(qū)段的富水砂層施工必須對(duì)注漿和開挖施工技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，從而在確保安全和效果的前提下，實(shí)現(xiàn)快速施工。本文以山西中南部鐵路通道百店隧道400 m第三系富水砂層段施工為例，提出“超前周邊注漿+掌子面加筋注漿+加固體外超前泄水降壓+開挖過程中補(bǔ)充注漿+快挖快封”的綜合施工技術(shù)，以保證隧道安全快速施工。

1 工程概況

山西中南部鐵路通道工程某隧道全長2 954 m，設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道。隧道埋深80～160 m，地層自上而下分別為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層(Qeol3)新黃土及第四系中更新統(tǒng)洪積層(Qpl2)老黃土，堅(jiān)硬—硬塑狀，松軟結(jié)構(gòu)，厚度約80 m;老黃土層底至洞頂?shù)貙訛榈谌瞪闲陆y(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂巖、富水砂層互層，硬塑—堅(jiān)硬，松軟結(jié)構(gòu)。隧道 DK283+763～DK284+204段長441 m揭露地層為第三系富水砂層，隧道進(jìn)口上中臺(tái)階、出口上臺(tái)階為富水砂層，中砂黃褐色，中密—密實(shí)，潮濕—飽和，厚度為5.5～7.0 m;隧道洞身位于地下水位以下，富含地下水，掌子面拱部及拱腰兩側(cè)有股狀水出露帶動(dòng)砂涌流，已完成初支表面呈淋雨?duì)铋_挖后砂層呈流體狀(如圖1所示);砂層在施工中曾發(fā)生多次涌泥、涌砂地質(zhì)災(zāi)害(如圖2所示)。根據(jù)開挖揭示結(jié)合工程地質(zhì)分析，洞身所處第三系富水砂層物理力學(xué)指標(biāo):含水率，5.6% ～28.9%;細(xì)度模數(shù)，2.3～2.5;孔隙率，40% ～45%;含泥量，9.6% ～14.%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)，2.3% ～2.7%。

圖1 開挖后砂層流體狀Fig.1 Fluid sand strata after excavation

圖2 涌砂、涌泥地質(zhì)災(zāi)害Fig.2 Sand outburst and mud outburst

2 工程重難點(diǎn)分析

1)對(duì)于長區(qū)段富水砂層施工，鉆孔注漿效率直接影響全隧施工進(jìn)度，如何通過調(diào)整設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝，在確保注漿效果的情況下，提高鉆孔注漿施工效率。

2)水是影響富水砂層正常開挖的關(guān)鍵因素，如何確保在注漿加固完成后，開挖工作面處于低壓無水情況下施工。

3)砂層開挖中，易出現(xiàn)局部涌砂、涌水;采用何種措施快速封閉涌漏點(diǎn)，并對(duì)薄弱處再次加強(qiáng)補(bǔ)充注漿。

4)軟弱地層開挖要求“快挖、快支、快封閉”，如何通過優(yōu)化開挖方法，提出適合該地層的以快速鉆孔注漿為主的施工工法。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對(duì)本工程第三系富水砂層施工，適宜的技術(shù)方案不僅要保證安全施工要求，還應(yīng)避免常規(guī)帷幕注漿所具有的工效低、造價(jià)高等缺點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)在于注漿工藝工法的優(yōu)化以及合理配套的開挖工法。根據(jù)以往工程實(shí)例，并借鑒張明慶等人提出的“精細(xì)化跟蹤注漿施工工法”［6］，結(jié)合該隧道富水砂層物理參數(shù)，提出“外堵內(nèi)固”對(duì)砂層進(jìn)行整體改良和開挖過程中薄弱環(huán)節(jié)局部補(bǔ)充注漿的超前預(yù)加固體系下，輔以加固體外鉆孔泄水降壓，配合三臺(tái)階臨時(shí)仰拱及上臺(tái)階中隔壁預(yù)留核心土的開挖方法，在確保安全的前提下提高施工效率，從而滿足安全開挖和快速施工的目的。

3.1 “外堵內(nèi)固”注漿設(shè)計(jì)

富水砂層隧道最大的危害無疑是地下水的作用，而“外堵內(nèi)固”注漿設(shè)計(jì)理念能夠有效改善地層和阻止地下水對(duì)開挖面的危害?！巴舛聝?nèi)固”的設(shè)計(jì)理念為:

1)根據(jù)地層水壓和水量情況沿隧道開挖輪廓線在掌子面周邊按一定外插角布設(shè)2～3圈孔，縱向加固長度20～25 m，注漿孔擴(kuò)散半徑按1～1.5 m，終孔間距按2.0～2.5 m，通過周邊兩圈高壓劈裂注漿，切斷隧道洞身范圍地層與外部的水力聯(lián)系，從而降低地層滲透系數(shù)，減少地下水對(duì)周邊圍巖的弱化作用，增大地層的抗變形能力，即“外堵”。

2)在隧道工作面按照1.5 m×1.5 m間距梅花形布孔，鉆孔深度與注漿段長一致，成孔后下入與注漿孔等長φ 25 mm的中空玻璃纖維錨桿(玻璃錨桿每隔40～60 cm鉆設(shè)φ 8 mm的溢漿孔)，并進(jìn)行一次高壓劈裂注漿施工，使具有高抗拉強(qiáng)度的錨桿通過漿液和軟弱地層形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高開挖面土體穩(wěn)定性，增強(qiáng)注漿加固區(qū)域土層的抗變形能力，有效地抑制開挖引起的工作面失穩(wěn)［7］，即“內(nèi)固”。以隧道進(jìn)口某循環(huán)注漿設(shè)計(jì)為例，超前探孔水量約8 m3/h，含泥量為11.2%，砂層厚為5.8 m。采取“外堵內(nèi)固”注漿設(shè)計(jì)，對(duì)上斷面富水砂層進(jìn)行超前注漿加固，注漿設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，超前注漿設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

表1 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Designed grouting parameters

3.2 注漿施工及效果

注漿施工根據(jù)鉆孔情況動(dòng)態(tài)調(diào)整方案設(shè)計(jì)，加強(qiáng)過程控制，并通過調(diào)節(jié)漿液類型和濃度、多鉆少注等工藝使?jié){液達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)的擴(kuò)散半徑。為保證漿液縱向擴(kuò)散范圍，所有注漿孔均下入PVC管并進(jìn)行孔底注漿，同時(shí)對(duì)上一段注漿效果及加固后地層穩(wěn)定性進(jìn)行檢查評(píng)價(jià)。

注漿結(jié)束后，在注漿薄弱區(qū)域布設(shè)檢查孔，并采用成孔率分析、漿液填充率分析、P－Q－t曲線分析等綜合注漿效果評(píng)定技術(shù)手段，并結(jié)合孔內(nèi)成像攝像技術(shù)對(duì)注漿效果評(píng)價(jià)。檢查孔無塌孔現(xiàn)象，且終孔出水量滿足設(shè)計(jì)0.2 L/(min·m)的標(biāo)準(zhǔn)要求，注漿效果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 開挖前鉆孔泄水降壓

為避免因注漿加固造成地層水量集聚，水壓上升，給開挖帶來風(fēng)險(xiǎn)，上斷面超前注漿加固和長管棚支護(hù)施工完成后，沿開挖輪廓線布置環(huán)向泄水降壓孔，減輕水壓力對(duì)加固體的損害，并能通過泄水孔進(jìn)行降水施工，降低加固體周邊砂層的含水量［8］。泄水孔沿上斷面初支護(hù)縱向鉆設(shè)泄水孔，泄水孔縱向長度25 m，終孔在開挖輪廓線5 m(加固體外)，共布設(shè)5個(gè)，泄水降壓孔布置如圖4所示。

圖3 超前注漿設(shè)計(jì)圖(單位:cm)Fig.3 Design of advance grouting(cm)

圖4 泄水孔布設(shè)示意圖(單位:cm)Fig.4 Layout of water-releasing holes(cm)

3.4 開挖過程中TSS管補(bǔ)充注漿

富水砂層注漿施工由于漿液擴(kuò)散不均勻性或鉆孔精準(zhǔn)度有偏差，導(dǎo)致注漿加固體難免出現(xiàn)注漿薄弱環(huán)節(jié)或盲區(qū)，在開挖施工中，局部出現(xiàn)涌水涌砂，無法采取及時(shí)補(bǔ)救措施，形成空洞，導(dǎo)致地層損失，進(jìn)而引發(fā)開挖面失穩(wěn)。為了能夠在局部出現(xiàn)涌水、涌砂情況下及時(shí)封閉涌砂點(diǎn)，并對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)開挖局部涌水、涌砂大小情況，在涌砂點(diǎn)周圍1～3 m范圍內(nèi)布設(shè)TSS注漿管，并進(jìn)行補(bǔ)充加固注漿。具體TSS管設(shè)計(jì)及注漿施工如下:

1)注漿孔設(shè)計(jì)。注漿孔按0.5～0.8 m擴(kuò)散半徑環(huán)形布置，注漿管長3～5 m;

2)TSS管注漿。采用手持風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔孔徑φ 50，并下入TSS管，孔口與巖壁周圍采用棉紗+速凝水泥砂漿封堵，使用帶有止?jié){塞的芯管按每隔0.6 m長度進(jìn)行后退式注漿，注漿材料為普通水泥水玻璃雙液漿，單液漿水灰比(W∶C)=0.8∶1，雙液漿體積比(C∶S)=1∶1，注漿終壓 1 ～1.5 MPa。

3.5 開挖工法選擇

大斷面富水砂層隧道開挖大都采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或CRD工法將斷面化整為零進(jìn)行小斷面以人工開挖為主，工法復(fù)雜，工序轉(zhuǎn)化繁雜，施工進(jìn)度極其緩慢［9］;經(jīng)過現(xiàn)場不斷優(yōu)化調(diào)整，提出了三臺(tái)階臨時(shí)仰拱六部開挖方法(其中上臺(tái)階中隔壁預(yù)留核心土)，如圖5所示，即保證砂層集中區(qū)域拱頂范圍可進(jìn)行小斷面快挖快封施工，又能在中下臺(tái)階實(shí)現(xiàn)左右側(cè)人工配合機(jī)械快速開挖，在確保安全的前提下，大大提高了施工效率。

采用三臺(tái)階法臨時(shí)仰拱其中上臺(tái)階中隔壁預(yù)留核心土開挖施工，上、中、下斷面臺(tái)階高度分別為3.5，4.2，2.4 m，臺(tái)階長度3 ～5 m，仰拱高 1.7 m。支護(hù)后上臺(tái)階凈空高3.2 m，可保證預(yù)留核心土機(jī)械作業(yè)空間。每臺(tái)階分割為左、右部，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)進(jìn)開挖，錯(cuò)進(jìn)長度為2～3 m，其中上臺(tái)階中間增設(shè)中隔壁預(yù)留核心土，每部左側(cè)開挖時(shí)，安裝左側(cè)拱架，右側(cè)開挖時(shí)，安裝右側(cè)拱架和臨時(shí)仰拱形成封閉環(huán)。施工過程中，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺和循環(huán)時(shí)間，上臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，中下臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺不超過1.2 m，每循環(huán)時(shí)間控制在6 h以內(nèi)完成。

圖5 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱上臺(tái)階中隔壁預(yù)留核心土開挖法Fig.5 Sketch of excavation method

4 結(jié)論與探討

1)采用“外堵內(nèi)固”高壓劈裂注漿和開挖過程中薄弱環(huán)節(jié)TSS管補(bǔ)充注漿的加固措施，能夠提高開挖工作面砂層的整體強(qiáng)度和抗變形能力，降低砂層的透水性，有效保證開挖順利進(jìn)行。

2)通過在加固體外布設(shè)大角度的泄水降壓孔，直接有效疏散因注漿引起的水量集聚，并能有效降低地層水對(duì)注漿體的侵害程度。

3)“外堵內(nèi)固”注漿+三臺(tái)階臨時(shí)仰拱上臺(tái)階中隔壁預(yù)留核心土的砂層快速技術(shù)，大大提高了綜合施工效率，月平均開挖進(jìn)尺25～30 m，是常規(guī)砂層施工的4～5倍，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4)大斷面、長區(qū)段富水砂層隧道施工難度風(fēng)險(xiǎn)大，費(fèi)用成本高，應(yīng)通過詳細(xì)地質(zhì)勘測(cè)，盡可能在線路和高程選擇上避免穿越此種地層。

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