涌水隧道穿越邊墻破碎帶施工關(guān)鍵技術(shù)探討

許世輝

(四川路航建設(shè)工程有限責(zé)任公司,四川成都 610045)

隨著川西地區(qū)高速公路持續(xù)發(fā)展勢頭，多以隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的崇山峻嶺，通常伴有滑坡、涌突水、涌突泥、巖爆、瓦斯帶、巖溶、軟弱破碎帶、斷層等復(fù)雜的不良地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)。在穿越斷層破碎帶類不良地質(zhì)段時，可采取逐段敷設(shè)長管棚超前支護(hù)、逐段超前預(yù)注漿后開挖等方式進(jìn)行處治，以改善開挖支護(hù)環(huán)境，但超前長管棚主要用于隧道拱部處治，超前預(yù)注漿雖可對隧道全斷面注漿加固，但因注漿量大、成本高而往往不能得到采用。因此，在隧道開挖過程中，遇到邊墻部位圍巖破碎易坍塌時，需要采用注漿加固、提高支護(hù)參數(shù)和增強(qiáng)鋼拱架鎖腳等措施方法，在斷層富水破碎地段加固邊墻時，還需要設(shè)置泄水管實施有目的地分散排水，緩解圍巖富水壓力，降低隧道施工安全風(fēng)險。

1 工程概況及難點

飛仙關(guān)特長隧道位于雅(安)康(定)高速公路K19+715～K24+655段，全長4 949 km。隧道進(jìn)口位于雅安市雨城區(qū)，出口位于天全縣。隧道所在項目位于四川盆地西南部，是青藏高原與四川盆地的過渡地帶，沿線屬低山山地，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，山巒起伏，地形切割較強(qiáng)烈，多成“V”型谷，谷底至岸頂高差變化較大，屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌。隧址區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.1～16.2 ℃，年平均降雨量1 250～1 750 mm。周邊水系含青衣江、滎經(jīng)河、天全河。隧道最大埋深799 m，涌水段位于C7標(biāo)段右線隧道出口K23+690～K23+708，洞身圍巖以弱風(fēng)化粉砂巖﹑細(xì)砂巖為主，偶夾薄層泥巖。

飛仙關(guān)隧道出口段初見涌水量高達(dá)15×104～16×104m3/d，接近設(shè)計峰值0.46×104m3/d的35倍，遠(yuǎn)超地勘預(yù)估量，經(jīng)過近4個月的持續(xù)衰減后，涌水量降至3×104～4×104m3/d。在采取了側(cè)導(dǎo)坑引水、初支換拱、施作長管棚等處治工法后，掌子面滿足帶水作業(yè)條件。涌水段掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)，特大涌水后，由于高應(yīng)力釋放和重分布導(dǎo)致右線隧道左邊墻圍巖擠壓破碎(圖1)，下臺階開挖時揭露了出水通道，邊墻部位圍巖坍空且有股狀涌水流出，常規(guī)方式安裝初支鋼拱架不能自穩(wěn)，邊墻破碎帶極易發(fā)生坍塌，開挖支護(hù)難度較大。

圖1 邊墻破碎帶示意

2 邊墻破碎帶處治技術(shù)應(yīng)用

2.1 下臺階邊墻預(yù)注漿加固

2.1.1 預(yù)留下臺階巖體

隧道涌水段采用三臺階開挖，下臺階施工時預(yù)留部分巖體暫不開挖(圖2)，預(yù)留長度(隧道縱向)為下臺階縱向開挖長度，預(yù)留寬度(隧道橫斷面)約1～2 m，預(yù)留巖體對邊墻部分施加一個反向推力，防止過早出現(xiàn)臨空面,邊墻部位應(yīng)力集中，圍巖發(fā)生擠壓變形破壞。

圖2 下臺階預(yù)留巖體、小導(dǎo)管注漿示意

2.1.2 小導(dǎo)管預(yù)注漿加固

在預(yù)留巖體保持穩(wěn)定時，對邊墻破碎帶采用圍巖預(yù)注漿的工藝，是一個有效的加固手段。單層注漿小導(dǎo)管在預(yù)留巖體部位豎向打入3根，斜向下方約11 °，間距1 m，小導(dǎo)管長4.5 m，直徑42 mm，壁厚4 mm，前端呈尖錐形，管壁上每隔10 cm交錯鉆眼，眼孔直徑為8 mm，打入圍巖部分2.8～3.5 m。由于單液漿(純水泥漿)凝結(jié)時間長，動水條件下結(jié)石率低且注漿量大，所以選用水泥-水玻璃雙液漿。采用KBY30/120注漿泵進(jìn)行注漿作業(yè)，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.8，水玻璃濃度35 °Be′，水玻璃模數(shù)2.6，注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。

在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，在工作壓力下注漿速率偏大(超過20 L/min),且較長時間后未明顯降低。下臺階開挖后發(fā)現(xiàn)圍巖后方裂隙發(fā)育，仍然存在出水通道，大部分漿液被急流帶走，預(yù)注漿加固效果不理想，未達(dá)到施工預(yù)期。

2.2 排水鎖腳樁

經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，發(fā)明了鋼管排水鎖腳樁，同時兼具排水和鎖腳功能，對穿越斷層富水破碎帶類不良地質(zhì)段的隧道拱墻初期支護(hù)進(jìn)行加固和排水降壓(圖3)。

圖3 鋼管排水鎖腳樁結(jié)構(gòu)立面

2.2.1 鋼管排水鎖腳樁結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼管排水鎖腳樁樁身及排水部分由錨固鋼管和內(nèi)嵌的排水鋼管、注漿管、架線環(huán)、內(nèi)堵頭板、外封頭板和集水孔等組成(圖4)。鎖腳樁、鋼拱架分別同定位塊焊接，并通過I16上下型鋼縱梁將其連接范圍內(nèi)的鋼拱架、鋼管排水鎖腳樁等串連成一個剛性整體，提高對上方初期支護(hù)的承載能力。

圖4 加強(qiáng)型鋼管排水鎖腳樁結(jié)構(gòu)示意

臺階法開挖隧道過程中，完成上一級臺階的初期支護(hù)后，開挖下一級臺階時拱墻背的圍巖發(fā)生松動坍塌，將容易導(dǎo)致開挖段上方已形成的初期支護(hù)失穩(wěn)破壞，當(dāng)采用加強(qiáng)型鋼管排水鎖腳樁將上方初期支護(hù)連接成整體后，開挖下一臺階時再輔以短進(jìn)尺開挖支護(hù)工法，能夠有效避免這種失穩(wěn)破壞，降低施工安全風(fēng)險(圖5)。

圖5 加強(qiáng)型鋼管排水鎖腳樁大樣

2.2.2 施工工藝

(1)鉆孔工作面處置：邊墻破碎帶上方初期支護(hù)時預(yù)留工作坑洞，尺寸以能滿足定位塊安裝和正常鉆孔施工為準(zhǔn)；未預(yù)留時，可用人工破拆工作面范圍內(nèi)的噴射混凝土及鋼筋的方式形成工作坑洞。

(2)樁位放樣：用卷尺和拉線等量測工具在拱墻背圍巖表面確定鎖腳樁孔位，并用鐵釘或紅油漆等作明顯標(biāo)識。

(3)安裝定位塊：在鋼拱架上安裝定位塊，為便于校正，先將定位塊底板與鋼拱架點焊連接，再將側(cè)板與底板、鋼拱架分別焊接，最后將定位塊滿焊接在鋼拱架上，施工中防止其變形移位，板平面與鎖腳樁設(shè)計軸線垂直；定位塊占用既有初期支護(hù)中的鋼筋位置時，將鋼筋與定位塊焊接固定。

(4)鉆孔：采用錨固鉆機(jī)鉆孔，根據(jù)孔位準(zhǔn)確安裝固定鉆機(jī)，精確調(diào)整機(jī)位；將錨固鋼管套入定位塊孔內(nèi)并抵緊圍巖，用偏心鉆具跟管鉆至孔底，再用鉆機(jī)退出錨固鋼管至設(shè)計錨固位置，形成集水孔。

(5)安裝注漿及排水裝置：①焊接排水鋼管和內(nèi)堵頭板，鋼管進(jìn)水口穿出內(nèi)堵頭板約0.2 m，管軸線與內(nèi)堵頭板板面保持垂直；②制作架線環(huán)，并將其和注漿管、排水鋼管用扎絲綁扎固定，注漿管的出漿口距離內(nèi)堵頭板0.2～0.3 m；③將O形止水圈嵌套于內(nèi)堵頭板外緣凹槽處，為防止止水圈脫落，可采用防水膠粘貼固定，然后將上述裝置緩緩送入錨固鋼管內(nèi)；④安裝外封頭板，并與錨固鋼管、排水管分別滿焊連接。

(6)焊接鎖腳樁：將錨固鋼管與拱架上的定位塊焊接形成整體，需要時可用8 mm厚梯形加勁板將鋼管外壁和定位塊之間按豎向一字型或豎向、橫向十字型焊接加強(qiáng)。

(7)填補(bǔ)工作坑洞：用混凝土摻加適量速凝劑填平工作坑洞，施工時避免混凝土堵塞管口。

(8)錨固段注漿：①連接注漿管、止?jié){閥和壓漿機(jī)；②選用水泥+水玻璃雙液漿注漿，注漿采用孔底返漿的方式，初始注漿壓力宜控制在0.5～1.0 MPa，至排氣孔口溢出新鮮漿液時用木塞或堵頭封堵排氣口，終壓宜控制在2.0 MPa，并持壓5 min后關(guān)閉止?jié){閥。

(9)鋼管排水鎖腳樁縱梁安裝：依次安裝上下型鋼縱梁，型鋼縱梁與錨固鋼管之間的縫隙處用鋼墊板墊塞并焊接成整體，型鋼縱梁與鋼拱架之間焊接后再用加勁鋼板焊接加強(qiáng)。

(10)工后下一級臺階開挖方法：施工完成鋼管排水鎖腳樁后，開挖下一級邊墻部位時，采用短進(jìn)尺開挖工法并采取措施減弱對邊墻處的圍巖擾動，一次開挖不宜超過3榀拱架寬度，開挖后充分清除破碎巖體及虛渣，超挖量較大時采用M10漿砌片石回填密實或補(bǔ)注漿處理，也可采用模筑混凝土填充密實，充分利用鎖腳樁和新做的邊墻支護(hù)提高隧道初期支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

在圍巖預(yù)注漿條件不理想情況下，用較大直徑鋼管替代 常用的鋼筋錨桿和注漿小導(dǎo)管鎖腳，其強(qiáng)度更高、剛度更大，通過注漿法固結(jié)周邊圍巖和鎖定樁體，利用鎖腳樁提高對上方圍巖和初期支護(hù)的承載能力，在樁內(nèi)設(shè)置的排水管道，具有排放裂隙水，緩解圍巖富水壓力的功能，實施后效果良好。在隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹ь惒涣嫉刭|(zhì)段時，采用鋼管排水鎖腳樁可以實現(xiàn)同時加固拱墻初期支護(hù)和排水降壓的功能，降低富水破碎帶隧道施工的安全風(fēng)險。