馬 棟

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

富水糜棱巖地層大斷面隧道施工技術

馬 棟

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

廣昆鐵路秀寧隧道為雙線大斷面隧道，出口段550 m為富水糜棱巖地層，施工難度極大。在對糜棱巖物理性質、組成及結構特征、抗剪強度及水穩(wěn)性、滲透特性進行分析的基礎上，先采用超前預注漿及施作大管棚超前支護等措施對糜棱巖地層進行加固，同時局部設置引水導管使得糜棱巖快速排水固結，然后進行四臺階九步開挖法施工。隧道開挖時可見大量明顯的漿脈和漿柱，表明在富水糜棱巖地層中注漿起到了劈裂和擠密的作用。該施工方法不僅能加快施工進度，而且能較好控制大斷面隧道施工時的圍巖變形，尤其是對富水糜棱巖等軟弱地層的安全、快速施工具有較好的適應性。

糜棱巖 富水地層 雙線鐵路 隧道施工

1 工程概況

1.1 工程設計

秀寧隧道為改建鐵路成昆線廣通至昆明段最長雙線隧道，也是我國在建高速鐵路單洞雙線長大隧道中的一條代表性隧道。隧道全長13 187 m，最大埋深565 m，設計速度200 km/h。隧道施工采取主洞進、出口及“進口平導+4個斜井”輔助坑道方案。

1.2 工程地質及水文地質

秀寧隧道地處云貴高原東南部，隧址處地質構造復雜，共穿越2個背斜、3個向斜和9個斷層，其中隧道出口段550 m穿越羅茨—易門斷裂帶。出口段隧道拱頂最大埋深約70 m，圍巖為糜棱巖，Ⅵ級，極破碎，局部富水呈飽和狀，有不規(guī)則的泥囊分布。地表水主要為溪水、溝水，地下水主要為巖溶及構造裂隙水，隧道最大涌水量140 000 m3/d。

1.3 施工難點

糜棱巖對水的敏感性很強，洞身開挖時地下水迅速下滲導致掌子面及側面巖體溜坍呈泥石流狀緩慢移動，開挖后20～60 min便頻繁出現(xiàn)剝落掉塊和溜坍等失穩(wěn)現(xiàn)象，自穩(wěn)性極差，施工十分困難。

2 糜棱巖物理性質、組構特征

圍巖的工程性質是影響隧道結構穩(wěn)定的一個重要因素［1］，為進一步了解秀寧隧道糜棱巖組成、物理力學性質以及應力應變特性，在隧道出口段施工現(xiàn)場取了兩組糜棱巖的原狀試樣XN1和XN2進行測試。

2.1 糜棱巖物理性質

根據現(xiàn)場觀測和室內試驗，測得糜棱巖的含水率為8.20%，密度為2.25 g/cm3，相對密度為2.67。

2.2 糜棱巖的組成及結構特征

1)糜棱巖的顆粒組成

糜棱巖試樣的顆粒組成見表1。由表1可以看出，糜棱巖是一種土石混合物，顆粒粒徑分布較廣，細顆粒含量高，一旦富水飽和，極易進入流態(tài)，失去強度，工程性質不良。

表1 糜棱巖試樣的顆粒組成 %

2)糜棱巖的結構特征

糜棱巖宏觀上具有明顯的條帶狀與紋層狀構造，發(fā)育有頁理和拉伸線理。原巖受壓扭應力和強烈塑性變形作用，發(fā)生錯動、斷裂、研磨和粉碎，形成大量角礫和細小顆粒，且細小顆粒呈定向排列，其結構松散、大小顆粒間幾乎無聯(lián)結、整體性很差。糜棱巖微觀孔隙的孔徑分布相對集中，有明顯的孤峰存在，孔徑分布有利于糜棱巖吸水和貯存水，其平均孔徑為0.07～0.18 μm，中值孔徑為0.24 ～0.72 μm。

2.3 糜棱巖抗剪強度及水穩(wěn)性

糜棱巖的應力—應變曲線屬于強化塑性，基本無彈性變形階段，塑性變形貫穿始終，無明顯的峰值破壞應力。含水率變化對糜棱巖的抗剪強度影響非常大，含水率增高，其黏聚力逐漸增大，而內摩擦角隨之減小，見圖1。

圖1 糜棱巖強度與含水量的關系

2.4 糜棱巖滲透特性

糜棱巖滲透系數(shù)與干密度的關系見圖2。可見糜棱巖的滲透性受其干密度的影響很大，其滲透系數(shù)隨干密度的增大而迅速減小。

圖2 糜棱巖滲透系數(shù)與干密度關系

3 富水糜棱巖段超前注漿施工

根據對出口段富水糜棱巖結構特性的分析，決定采用“上堵下排”超前預注漿方法加固圍巖和大管棚剛性支撐共同形成立體預支護體系，提高周邊圍巖及工作面穩(wěn)定性，達到隧道安全、快速施工的目的［2］。

3.1 注漿參數(shù)

循環(huán)注漿長度25 m，開挖長度20 m，保留5 m注漿巖盤，注漿加固范圍為開挖工作面及開挖輪廓線外5 m［3］，所有注漿孔均位于上半斷面，見圖3。注漿壓力3～4 MPa，漿液擴散半徑2 m，注漿孔終孔間距3 m，注漿速度5～110 L/min。注漿工藝采用全孔一次性注漿，不設置止?jié){墻。

圖3 上堵下排注漿孔布置示意(單位：cm)

下半斷面根據圍巖含水率分布動態(tài)設置引水導管排水，降低開挖面水壓、加速圍巖內水的滲透，防止涌水突泥，加速地層固結。

3.2 注漿材料與漿液配比

注漿材料以P.O42.5普通硅酸鹽水泥單液漿為主，普通硫鋁酸鹽水泥、普通水泥—水玻璃雙液漿為輔。水玻璃濃度為35Be'，模數(shù)為2.4～2.8。

普通水泥和普通硫鋁酸鹽水泥單液漿水灰比為(0.6～1.0)∶1，普通水泥—水玻璃雙液漿水灰比為(0.8～1.0)∶1。施工中根據地質情況，加入一定比例的外加劑，以調整注漿材料的各項性能。

3.3 注漿結束標準

定量標準：圍巖孔隙率按20%計算，單孔每米設計注漿量控制在2.5 m3，當單孔注漿量達到設計注漿量的1.5～2.0倍時，若壓力仍然不斷上升，可采取調整漿液配比縮短凝膠時間或進行間歇注漿等工藝使注漿壓力達到設計終壓，然后結束該孔注漿。

定壓標準：根據圍巖特性和注漿兼具劈裂、擴散及擠密的特性，注漿終壓初期控制在不小于4 MPa，最后成孔注漿終壓控制在7 MPa，達到設計終壓并維持10 min以上可結束該孔注漿。

當設計的所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現(xiàn)象，且所有檢查孔均合格時結束全段注漿。

3.4 注漿效果［4］

1)P-Q-t曲線

由于糜棱巖地層不均，注漿過程中注漿壓力隨時間有明顯的波動，一般注漿壓力上升達到4 MPa時，壓力就會下降，注漿流量增加，如此反復多次，經過反復劈裂—擠密—劈裂—擠密，地層得到擠密和加固。相應的P-Q-t曲線如圖4所示。

圖4 糜棱巖劈裂注漿壓力—注漿量—注漿時間(P-Q-t)曲線

2)取芯檢查

注漿完成后，在掌子面布設了7個檢查孔(圖5)，進行出水和取芯檢查。4#和5#檢查孔無水，3#和7#檢查孔有少量滴水，1#、2#和6#檢查孔的出水量分別為0.20，0.15 和0.12 L/(m·min)，達到了注漿加固圍巖的設計要求。從檢查孔中取出的芯樣(圖6)來看，由于漿液的擠壓，芯樣密實，含水率降低，強度有所提高。

3)圍巖物理力學特性變化

圖5 注漿檢查孔布置

圖6 2#檢查孔中取出的芯樣

對2#和5#檢查孔中取出的糜棱巖芯樣進行試驗測定，其平均含水率5.44%、平均重度23.48 kN/m3、黏聚力18.14 kPa、內摩察角33.91°，與注漿前糜棱巖試樣的平均含水率8.20%、平均重度22.07 kN/m3、黏聚力31.64 kPa、內摩察角27.69°相比有較大的變化。說明在注漿壓力作用下，糜棱巖地層受壓產生排水固結，含水率大為減小，密度有所增加，地層的抗剪強度得到較大幅度的提升，圍巖的穩(wěn)定性得到改善。

4 富水糜棱巖段隧道開挖與襯砌施工

4.1 施工步驟

該隧道采用四臺階九步開挖法工序施工(圖7)，施工前先預加固。

圖7 四臺階九步開挖法施工工序

具體施工步驟如下：

1)針對富水糜棱巖地層易涌泥溜坍的特性，隧道開挖前采用“超前預注漿+φ108大管棚超前支護”加固圍巖，大管棚環(huán)向間距40 cm，外插角6°，每環(huán)40根，每根長不小于25 m;另外考慮到大管棚與開挖輪廓之間土體的穩(wěn)定性，管棚間插打φ42超前小導管，小導管環(huán)向間距0.4 m，每根長4.0 m，縱向每隔2榀格柵施作一環(huán)。

2)上部弧形開挖。弱爆破或機械開挖①部，施作①部周邊的初期支護：初噴混凝土，鋪鋼筋網，架立鋼架(設鎖腳錨管)，鉆設徑向錨桿，復噴混凝土至設計厚度。

3)左、右側中臺階開挖。在滯后①部一段距離后，弱爆破或機械開挖②、③部(左、右側臺階錯開2～3 m)，施作②、③部初期支護。

4)左、右側下臺階(三臺階)開挖。在滯后②、③部一段距離后，弱爆破或機械開挖④、⑤部(左、右側臺階錯開2～3 m)，施作④、⑤部邊墻初期支護。

5)左、右側下臺階(四臺階)開挖。在滯后④、⑤部一段距離后，弱爆破或機械開挖⑥、⑦部(左、右側臺階錯開2～3 m)，施作⑥、⑦部邊墻初期支護。

6)上、中、下臺階預留核心土開挖。弱爆破開挖⑧-1，⑧-2，⑧-3，⑧-4部各臺階預留核心土，開挖進尺與各臺階循環(huán)進尺相一致;另外在中部核心土開挖后根據圍巖情況，必要時在中部增設臨時橫撐、豎撐，以免拱部下沉過大造成初支開裂、侵限等。

7)隧底開挖。弱爆破或機械開挖⑨部，施作⑨部仰拱初期支護，即初噴混凝土，安裝仰拱鋼架，復噴混凝土至設計厚度，使初期支護及時封閉成環(huán)。

8)灌注 部仰拱混凝土。待仰拱混凝土初凝后，灌注 部仰拱填充混凝土至設計高度。

9)根據監(jiān)控量測分析，確定二次襯砌施作時機，鋪設防水層，利用襯砌模板臺車一次性灌注 部二襯混凝土。

4.2 施工控制要點

1)隧道掘進開挖

Ⅴ級圍巖采用弱爆破開挖方法，Ⅵ級圍巖采用人工配合機械開挖方法，循環(huán)進尺一般控制在0.6～1.2 m，最長不超過1.5 m。上臺階高度2.5～3 m，核心土長度3～5 m、高度1.5～2.5 m、寬度為上臺階開挖跨度的1/3～1/2，中下臺階高度2～2.5 m、長度2 ～3 m［5］。

2)初期支護施工

初期支護主要由錨桿、鋼筋網、鋼架、鎖腳錨管和噴射混凝土組成。初期支護預留了40 cm變形及補強空間，變形補強空間根據現(xiàn)場施工及監(jiān)控量測信息及時調整。

中臺階開挖時擴大拱腳，以增加拱腳的承載力，在開挖下臺階時發(fā)揮大拱腳支撐拱部的重要作用，減少圍巖沉降。初期支護要盡早封閉成環(huán)［6-7］。

3)仰拱施工

為形成穩(wěn)定的支護體系，初期支護應盡早封閉成環(huán)。仰拱每循環(huán)開挖長度2～3 m，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成兩個隧底開挖、支護循環(huán)后，及時施作仰拱。仰拱分段長度為4～6 m，其距上臺階開挖工作面距離控制在25 m以內，時間在20 d以內［8-9］。

4)二次襯砌施工

采用自制防水層臺架按設計要求進行防水層施工，臺架長度一般在4～6 m，確保二襯緊跟仰拱施工。

5)施工監(jiān)控量測

秀寧隧道出口段施工中，對隧道拱頂沉降和水平收斂(在上臺階和中臺階布置兩條基線SL1和SL2)進行監(jiān)測，平均每5 m布置1個監(jiān)測斷面［10］。

隧道開挖過程中可以看到明顯的漿脈和漿柱，開挖掌子面和初支穩(wěn)定，無大的變形。洞外地表無明顯的變化。拱頂沉降監(jiān)測結果見圖8，隧道拱頂最終累計沉降在-25～-55 mm，初期支護處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工安全。隧洞周邊收斂監(jiān)測結果見圖9，其中負值表示向內收斂。上臺階外側下部SL1基線處累計位移約在-40～-80 mm;中臺階外側下部SL2基線處累計位移約在-30～-65 mm，初期支護處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工安全。

圖8 D K1006+135拱頂下沉歷時曲線(2010年)

圖9 D1006+120洞周收斂歷時曲線(2011年)

5 結語

秀寧隧道在長達5年半的施工中，克服了出口段穿越Ⅵ級富水糜棱巖地層施工等諸多困難，實現(xiàn)了單洞雙線鐵路隧道萬米以上施工安全質量無事故的目標。通過試驗和施工實踐得出：

1)糜棱巖的水穩(wěn)性很差，含水率變化對糜棱巖的抗剪強度有很大的影響，隨含水率增加其黏聚力增大，而內摩擦角則快速減小。利用糜棱巖的這一特性，在注漿時通過設置排水孔加速富水糜棱巖地層的排水固結，使糜棱巖的強度在短時間內得到較大的提升，也為隧道的快速開挖施工打下了基礎。

2)隧道注漿后開挖看到大量明顯的漿脈和漿柱，表明在富水糜棱巖地層中注漿起到了劈裂和擠密的作用。

3)先采取超前預注漿及施作大管棚超前支護等措施對巖體進行加固，再采用四臺階九步開挖法施工，不僅能加快施工進度，而且能較好控制大斷面隧道施工時的圍巖變形。該工法對富水糜棱巖等軟弱地層的安全、快速施工具有較好的適應性。

［1］關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］張民慶，彭峰.地下工程注漿技術［M］.北京：地質出版社，2008.

［4］趙晉乾.山嶺公路隧道注漿效果評價及技術指南研究［D］.成都：成都理工大學，2009.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2005 鐵路隧道設計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［6］張洋.隧道工程軟弱圍巖大變形控制體系研究［D］.成都：西南交通大學，2006.

［7］廖俊.毛羽山隧道軟巖大變形特征及原因分析［J］.鐵道建筑，2013(8)：79-81.

［8］蘇立華.富水淺覆不均勻地層大斷面隧道快速施工技術研究［J］.鐵道建筑，2012(1)：51-53.

［9］袁青，吳立，錢娟娟，等.向家山大斷面淺埋偏壓隧道洞身段施工技術［J］.鐵道建筑，2014(1)：43-45.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2007.

Construction technology of large profile tunnel in water-rich mylonite rock

MA Dong
(China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China)

Xiuning tunnel of Guangkun railway is a double-track large section tunnel and the 550 m exit section is watery mylonite strata，the construction of which is very difficult.Based on analysis of physical properties，composition and structure characteristics，shear strength and water stability，permeability of mylonite，this paper adopted the measures for mylonite strata reinforcement such as pre-grouting and large pipe shed forepoling，set the diversion conduit locally which enables mylonite quick drainage consolidation and used the four step-nine pace excavation method for construction.There are a large number of slurry veins and slurry columns during tunnel excavation，which means grouting in watery mylonite strata has the effect of splitting and compaction.The construction method presented in this paper can not only accelerate the construction progress，but also control surrounding rock deformation of large section tunnel construction better，which would adapt to security and quick construction of weak strata especially for watery mylonite.

Mylonite rock;Watery strata;Double-track railway;Tunnel construction

(責任審編 葛全紅)

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.12

1003-1995(2014)10-0047-05

2014-03-10;

2014-07-20

馬棟(1963— )，男，河南方城人，教授級高級工程師，研究生。