高廣義

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，交通基礎設施快速發(fā)展的同時，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，因其屬泥質弱膠結結構，成巖性差，遇水或長時間暴露時極易產(chǎn)生結構破壞，很快變成松散流塑狀，在開挖擾動及水的作用下膠結松散的砂層塌落隨著流水涌出，隨后逐漸擴大，極易發(fā)生涌水、涌砂和塌方等工程災害［1］。目前注漿加固是該地層隧道施工的一項重要工法［2］，注漿技術在隧道富水砂層、巖溶和軟弱地層加固等方面取得了顯著的成果，在應對復雜地質條件下隧道及地下工程施工發(fā)揮著重要的作用，也成為近年來對不良地質施工的研究熱點。新建原州區(qū)至王洼線程兒山隧道第三系富水粉細砂層段施工采取“帷幕注漿+超前大管棚”技術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砂地層通過現(xiàn)場實踐表明，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)的帷幕注漿技術雖然能夠達到改良富水砂層的效果，但不能否認的事實是全斷面帷幕注漿時間長、工效低和造價高［5］。對于長區(qū)段的富水砂層施工必須對注漿和開挖施工技術進一步優(yōu)化和改進，從而在確保安全和效果的前提下，實現(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+開挖過程中補充注漿+快挖快封”的綜合施工技術，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，設計為單洞雙線隧道。隧道埋深80～160 m，地層自上而下分別為第四系上更新統(tǒng)風積層(Qeol3)新黃土及第四系中更新統(tǒng)洪積層(Qpl2)老黃土，堅硬—硬塑狀，松軟結構，厚度約80 m;老黃土層底至洞頂?shù)貙訛榈谌瞪闲陆y(tǒng)粉質黏土、砂巖、富水砂層互層，硬塑—堅硬，松軟結構。隧道 DK283+763～DK284+204段長441 m揭露地層為第三系富水砂層，隧道進口上中臺階、出口上臺階為富水砂層，中砂黃褐色，中密—密實，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有股狀水出露帶動砂涌流，已完成初支表面呈淋雨狀開挖后砂層呈流體狀(如圖1所示);砂層在施工中曾發(fā)生多次涌泥、涌砂地質災害(如圖2所示)。根據(jù)開挖揭示結合工程地質分析，洞身所處第三系富水砂層物理力學指標:含水率，5.6% ～28.9%;細度模數(shù)，2.3～2.5;孔隙率，40% ～45%;含泥量，9.6% ～14.%;質量分數(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、涌泥地質災害Fig.2 Sand outburst and mud outburst

2 工程重難點分析

1)對于長區(qū)段富水砂層施工，鉆孔注漿效率直接影響全隧施工進度，如何通過調整設計、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，并對薄弱處再次加強補充注漿。

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 關鍵技術研究

針對本工程第三系富水砂層施工，適宜的技術方案不僅要保證安全施工要求，還應避免常規(guī)帷幕注漿所具有的工效低、造價高等缺點，其關鍵技術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)以往工程實例，并借鑒張明慶等人提出的“精細化跟蹤注漿施工工法”［6］，結合該隧道富水砂層物理參數(shù)，提出“外堵內固”對砂層進行整體改良和開挖過程中薄弱環(huán)節(jié)局部補充注漿的超前預加固體系下，輔以加固體外鉆孔泄水降壓，配合三臺階臨時仰拱及上臺階中隔壁預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 “外堵內固”注漿設計

富水砂層隧道最大的危害無疑是地下水的作用，而“外堵內固”注漿設計理念能夠有效改善地層和阻止地下水對開挖面的危害?！巴舛聝裙獭钡脑O計理念為:

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2～3圈孔，縱向加固長度20～25 m，注漿孔擴散半徑按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φ 8 mm的溢漿孔)，并進行一次高壓劈裂注漿施工，使具有高抗拉強度的錨桿通過漿液和軟弱地層形成空間立體網(wǎng)狀結構，提高開挖面土體穩(wěn)定性，增強注漿加固區(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“內固”。以隧道進口某循環(huán)注漿設計為例，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“外堵內固”注漿設計，對上斷面富水砂層進行超前注漿加固，注漿設計參數(shù)如表1所示，超前注漿設計圖如圖3所示。

表1 注漿設計參數(shù)表Table 1 Designed grouting parameters

3.2 注漿施工及效果

注漿施工根據(jù)鉆孔情況動態(tài)調整方案設計，加強過程控制，并通過調節(jié)漿液類型和濃度、多鉆少注等工藝使?jié){液達到預設計的擴散半徑。為保證漿液縱向擴散范圍，所有注漿孔均下入PVC管并進行孔底注漿，同時對上一段注漿效果及加固后地層穩(wěn)定性進行檢查評價。

注漿結束后，在注漿薄弱區(qū)域布設檢查孔，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定技術手段，并結合孔內成像攝像技術對注漿效果評價。檢查孔無塌孔現(xiàn)象，且終孔出水量滿足設計0.2 L/(min·m)的標準要求，注漿效果滿足設計要求。

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，給開挖帶來風險，上斷面超前注漿加固和長管棚支護施工完成后，沿開挖輪廓線布置環(huán)向泄水降壓孔，減輕水壓力對加固體的損害，并能通過泄水孔進行降水施工，降低加固體周邊砂層的含水量［8］。泄水孔沿上斷面初支護縱向鉆設泄水孔，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5個，泄水降壓孔布置如圖4所示。

圖3 超前注漿設計圖(單位:cm)Fig.3 Design of advance grouting(cm)

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

3.4 開挖過程中TSS管補充注漿

富水砂層注漿施工由于漿液擴散不均勻性或鉆孔精準度有偏差，導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，無法采取及時補救措施，形成空洞，導致地層損失，進而引發(fā)開挖面失穩(wěn)。為了能夠在局部出現(xiàn)涌水、涌砂情況下及時封閉涌砂點，并對其薄弱環(huán)節(jié)進行補強，根據(jù)開挖局部涌水、涌砂大小情況，在涌砂點周圍1～3 m范圍內布設TSS注漿管，并進行補充加固注漿。具體TSS管設計及注漿施工如下:

1)注漿孔設計。注漿孔按0.5～0.8 m擴散半徑環(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壁導坑法或CRD工法將斷面化整為零進行小斷面以人工開挖為主，工法復雜，工序轉化繁雜，施工進度極其緩慢［9］;經(jīng)過現(xiàn)場不斷優(yōu)化調整，提出了三臺階臨時仰拱六部開挖方法(其中上臺階中隔壁預留核心土)，如圖5所示，即保證砂層集中區(qū)域拱頂范圍可進行小斷面快挖快封施工，又能在中下臺階實現(xiàn)左右側人工配合機械快速開挖，在確保安全的前提下，大大提高了施工效率。

采用三臺階法臨時仰拱其中上臺階中隔壁預留核心土開挖施工，上、中、下斷面臺階高度分別為3.5，4.2，2.4 m，臺階長度3 ～5 m，仰拱高 1.7 m。支護后上臺階凈空高3.2 m，可保證預留核心土機械作業(yè)空間。每臺階分割為左、右部，實現(xiàn)錯進開挖，錯進長度為2～3 m，其中上臺階中間增設中隔壁預留核心土，每部左側開挖時，安裝左側拱架，右側開挖時，安裝右側拱架和臨時仰拱形成封閉環(huán)。施工過程中，嚴格控制開挖進尺和循環(huán)時間，上臺階每循環(huán)進尺0.6 m，中下臺階每循環(huán)進尺不超過1.2 m，每循環(huán)時間控制在6 h以內完成。

圖5 三臺階臨時仰拱上臺階中隔壁預留核心土開挖法Fig.5 Sketch of excavation method

4 結論與探討

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

2)通過在加固體外布設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注漿體的侵害程度。

3)“外堵內固”注漿+三臺階臨時仰拱上臺階中隔壁預留核心土的砂層快速技術，大大提高了綜合施工效率，月平均開挖進尺25～30 m，是常規(guī)砂層施工的4～5倍，社會效益和經(jīng)濟效益明顯。

4)大斷面、長區(qū)段富水砂層隧道施工難度風險大，費用成本高，應通過詳細地質勘測，盡可能在線路和高程選擇上避免穿越此種地層。

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