張園園

（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，太原 030002）

1 工程概況

小浪底引黃工程施工XI標(biāo)主要工程內(nèi)容包括2#隧洞52+966～59+590土洞段，14#，16#，17#支洞及臨時(shí)工程等，主洞全長(zhǎng)6.624km，縱向坡度1/3000，襯砌后主洞段面尺寸為3.8m×5.0m （寬×高）。3條支洞總長(zhǎng)1268m，其中17#支洞全長(zhǎng)302m，與主洞交匯點(diǎn)樁號(hào)為57+590.3，交匯點(diǎn)底標(biāo)高477.71m，支洞出碴采用無軌運(yùn)輸。

2 地質(zhì)情況

施工XI標(biāo)16#支洞下游與17#支洞上游之間主洞控制段樁號(hào)為55+400～57+590，長(zhǎng)2190m。 17#支洞控制主洞段上游前期地質(zhì)勘察基本情況為：隧洞附近圍巖以低液限黏土層為主，部分為含砂低液限黏土，局部夾薄層級(jí)配不良砂、級(jí)配不良礫和卵石混合土。17#支洞至16#支洞區(qū)間隧洞設(shè)計(jì)底高程在478m，設(shè)計(jì)洞底位于地下水位以上，但上部存在上層滯水，隧洞施工可能存在少量滲水現(xiàn)象。

在實(shí)際施工過程中，開挖至17#上游57+279掌子面時(shí)，地質(zhì)條件發(fā)生變化，陸續(xù)出現(xiàn)干燥薄層級(jí)配不良砂層，砂層顆粒松散，無自穩(wěn)能力，開挖時(shí)易發(fā)生坍塌變形；含砂低液限黏土，含細(xì)粒土砂層，顆粒松散、無黏結(jié)力；軟弱土層，土體破碎，裂隙發(fā)育，開挖時(shí)易發(fā)生坍塌掉塊現(xiàn)象，拱部滲水洞段，地下水作用下土體發(fā)生軟化，開挖時(shí)易發(fā)生滑塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。后續(xù)采用小導(dǎo)管施工并通過至56+434處。

3 發(fā)生突涌及方案比選

3.1 突涌發(fā)生過程

17#支洞控制主洞段56+434掌子面開挖時(shí)，隧洞拱頂出現(xiàn)直徑1m的塌腔口，并伴隨著出水，拱部土體及細(xì)砂顆粒逐漸從塌腔口向掌子面塌落；坍塌體隨后堆滿整個(gè)掌子面，掌子面出水量短時(shí)間內(nèi)急劇增加，在右側(cè)邊墻起拱線附近形成泥沙流；涌泥堆積物推至距離掌子面70m位置后逐漸穩(wěn)定。通過現(xiàn)場(chǎng)估算突涌坍塌方量1400m3。

通過仔細(xì)觀察，塌落物介于為粉砂—粉土之間，含泥含水量大，遇水呈流體狀，具有較大黏性，人員機(jī)械行走困難。該段巖性以低液限黏土為主，洞頂存在粉細(xì)砂層，有層間滯水，洞頂埋深100m，地表未發(fā)現(xiàn)塌陷變形。初步推斷出該段塌方部位地層結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 塌腔地層推斷

3.2 方案比選

3.2.1 超前大管棚注漿施工

洞內(nèi)處理時(shí)，先對(duì)涌泥進(jìn)行清理，在掌子面后一定距離做封堵墻，并用土石反壓回填。對(duì)于塌方及塌方影響段的初支背后進(jìn)行排水固結(jié)和注漿加固。對(duì)塌方空腔采用C25混凝土與M7.5砂漿相結(jié)合的方式回填加固［1］。塌方段采用超前管棚支護(hù)施工，并輔以大角度小導(dǎo)管注漿加固，直到固結(jié)后實(shí)施開挖，這不僅使開挖輪廓線的外圈形成一片棚幕，還能形成一層殼體，由于此次前方塌腔體極為松散，成孔困難，本次采用跟孔鉆進(jìn)的施工方法進(jìn)行管棚施工。自56+434開始在拱部180°范圍內(nèi)設(shè)置管棚，管棚長(zhǎng)度12m，搭接長(zhǎng)度4m。鋼管規(guī)格采用熱軋無縫鋼管φ108mm，壁厚6mm，仰角8°（不包括隧洞縱坡），方向與路線中線平行。管棚鋼筋籠主筋采用φ20螺紋鋼，每根管棚內(nèi)設(shè)3根，長(zhǎng)度12m，成等邊三角形布置，三角形邊長(zhǎng)8cm，箍筋采用φ8圓鋼，縱向間距30cm。注漿采用一次全鉆孔注漿，水泥漿水灰比1∶1，配置水泥—水玻璃雙液漿，注漿初壓0.5～1MPa，終壓2.5MPa。

在后續(xù)的施工開挖過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的管棚注漿等超前支護(hù)存在注漿壓力不足，鉆孔及注漿施工工藝不適應(yīng)等問題，特別是在涌水粉細(xì)砂層上方存在較大水頭的情況下，施工中出現(xiàn)鉆桿裹鉆、注漿時(shí)吃漿困難，注漿加固范圍不均勻等問題，注漿效果難以保證，隧洞開挖施工過程中泥沙潰流，小規(guī)模突涌等問題持續(xù)發(fā)生，隧洞施工安全無法得到保證。

3.2.2 超前帷幕高壓注漿施工

鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，在掌子面施做第一循環(huán)超前全斷面帷幕注漿止水加固施工。首先修建止?jié){墻和鉆機(jī)操作平臺(tái)，在止?jié){墻后方9m范圍內(nèi)施做徑向注漿，以保證施工安全并防止初支在全斷面注漿過程中受力變形［2］。第一循環(huán)超前全段注漿加固長(zhǎng)度20m（含止?jié){墻），開挖長(zhǎng)度15m（含止?jié){墻），預(yù)留5m作為下循環(huán)施工止?jié){巖盤。注漿孔終孔位置在開挖輪廓線外4m，漿液擴(kuò)散半徑在拱部為1.2m，終孔間距不大于1.9m，在拱部以下為1.5m，終孔間距不大于2.4m，共設(shè)20m終孔斷面1個(gè)注漿斷面，共計(jì)49個(gè)注漿孔，如圖2。

圖2 超前注漿開孔

拱部注漿孔在注漿完成后下入φ32玻纖錨桿，增加拱部出水位置圍巖的連結(jié)性。注漿材料采用普通水泥—水玻璃雙液漿，必要時(shí)采用TGRM超細(xì)水泥漿液配置或其他化學(xué)材料，水泥標(biāo)號(hào)P.O42.5，普通水泥—水玻璃雙液漿配比，即W∶C=（0.8～1）∶1，C∶S=1∶1。注漿工藝采用前進(jìn)式分段注漿與鉆桿后退式分段注漿相結(jié)合的施工工藝。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采取定壓定量相結(jié)合的控制標(biāo)準(zhǔn)，注漿終壓5～8MPa［3］。 根據(jù)注漿情況可以對(duì)薄弱位置進(jìn)行補(bǔ)充注漿。完成了1個(gè)循環(huán)（56+434～56+421.5）的注漿及開挖試驗(yàn)段施工，如圖3～圖5。

超前全斷面帷幕注漿起到了較好的止水及加固效果，開挖過程中掌子面滲流量明顯減少，圍巖處于干燥狀態(tài)，局部有滲水現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定無掉塊現(xiàn)象。但同時(shí)全斷面帷幕注漿存在施工周期長(zhǎng)（90d），局部注漿效果不好，注漿控制難度大，造價(jià)較高等缺點(diǎn)。

圖3 超前注漿終孔橫斷面

圖4 超前注漿縱斷面

圖5 超前水平旋噴縱剖

3.2.3 超前水平高壓旋噴結(jié)合超前帷幕注漿施工

對(duì)國(guó)內(nèi)相類似工程借鑒學(xué)習(xí)后［4］，從地質(zhì)情況、施工安全、施工效率等角度綜合考慮，決定采用“超前水平旋噴+超前帷幕注漿”相結(jié)合的處理方式。

采用“超前水平高壓旋噴+超前帷幕注漿”方式通過17#支洞主洞控制段上游涌水砂層地段，其施工原理為：利用超前水平高壓旋噴樁在開挖輪廓線周邊形成止水帷幕墻，并對(duì)砂層起到剛性承載支護(hù)的作用，利用超前帷幕注漿對(duì)地層空隙進(jìn)行填充止水及加固，并在掌子面前方形成止水帷幕，最終在隧洞周邊形成封閉的止水帷幕，將地下水隔阻于開挖輪廓線之外。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)上一循環(huán)超前全斷面帷幕注漿及開挖施工情況，并根據(jù)圍巖地質(zhì)變化情況，自里程樁號(hào)56+421.5開始，采用超前水平旋噴+超前帷幕注漿方式施工［5］。

3.2.3.1 超前水平高壓旋噴加固

在開挖輪廓線周邊及掌子面施做超前水平高壓旋噴樁，每循環(huán)施工長(zhǎng)度為15m（考慮到水平旋噴樁存在一定的外插角，為保證施工安全及效果，每循環(huán)旋噴樁施工長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)），開挖長(zhǎng)度10～11m（視圍巖情況而定），預(yù)留4～5m作為搭接。根據(jù)砂層的分布情況，如砂層集中在掌子面起拱線以上，洞身周邊旋噴樁共設(shè)100根，掌子面旋噴樁共設(shè)11根，共計(jì)111根；如為全斷面的砂層，根據(jù)砂層分布情況調(diào)整增加旋噴樁數(shù)量。

周邊水平旋噴樁共布設(shè)三環(huán) （考慮到水平旋噴樁咬合效果不容易檢測(cè)，并參考國(guó)內(nèi)其他類似工程處理方式［6］），其中外環(huán)及內(nèi)環(huán)旋噴樁在拱部180°范圍打設(shè)，中環(huán)旋噴樁沿開挖面周邊全環(huán)布設(shè)。周邊水平旋噴樁開孔在初支內(nèi)側(cè)向內(nèi)5cm，樁徑500mm，外環(huán)旋噴樁外插角5°25′37″，中環(huán)旋噴樁外插角4°17′21″，內(nèi)環(huán)旋噴樁外插角3°8′53″，外環(huán)旋噴樁開孔環(huán)向間距29cm，中環(huán)旋噴樁開孔環(huán)向間距28cm，內(nèi)環(huán)旋噴樁開孔環(huán)向間距27cm，10m斷面處中環(huán)拱部旋噴樁環(huán)向間距37cm，咬合13cm。高壓旋噴灌漿采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為W∶C=（0.8-1）∶1，灌漿壓力45～50MPa。根據(jù)地質(zhì)條件和涌水量，水泥漿漿液可適當(dāng)調(diào)整配比以進(jìn)行優(yōu)化。

外環(huán)拱部180°范圍內(nèi)的旋噴樁在旋噴完成并凝固之后，樁內(nèi)鉆孔下入φ76管棚（無縫鋼管，單根長(zhǎng)度15m，壁厚4mm），增強(qiáng)旋噴樁的抗剪能力，同時(shí)對(duì)φ76管棚進(jìn)行水泥-水玻璃補(bǔ)充注漿止水，水泥—水玻璃雙液漿配比：W∶C=（0.8-1）∶1，C∶S=1∶1，注漿壓力1～2MPa，另一方面φ76管棚還起到了增強(qiáng)旋噴樁抗剪能力的作用；掌子面布設(shè)11根φ500穩(wěn)定樁，外插角0°，增強(qiáng)開挖面整體穩(wěn)定性；旋噴體設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥3MPa（參考國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)［7］）。 如圖6～圖7。

圖6 水平旋噴開孔示意圖

3.2.3.2 超前帷幕注漿

根據(jù)掌子面前方砂層分布情況，對(duì)掌子面上臺(tái)階部位進(jìn)行注漿堵水加固，注漿長(zhǎng)度15m，開挖長(zhǎng)度10～11m，預(yù)留4～5m作為下循環(huán)止?jié){盤。注漿孔漿液擴(kuò)散半徑1.0m，共布設(shè)10個(gè)（后續(xù)循環(huán)施工根據(jù)砂層高度及分布面積的變化情況增加或減少注漿孔）。

注漿材料采用普通水泥—水玻璃雙液漿，普通水泥—水玻璃雙液漿配比：W∶C=（0.8-1）∶1，C∶S=1∶1。注漿工藝采用鉆桿后退式分段注漿與集束TSS管注漿工藝相結(jié)合的施工工藝。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采取定壓定量相結(jié)合的控制標(biāo)準(zhǔn)，注漿終壓5～8MPa。注漿結(jié)束后，根據(jù)探孔檢查情況，如發(fā)現(xiàn)注漿薄弱部位須進(jìn)行補(bǔ)充注漿［8］，如圖8。

圖7 水平旋噴10，15m斷面

截止目前，采用該方案已經(jīng)完成了4個(gè)循環(huán)施工?！俺八礁邏盒龂?超前帷幕注漿”的生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，在涌水砂層段的施工中，旋噴樁咬合效果較好，成樁直徑均勻，達(dá)到了理想的圍護(hù)效果；帷幕注漿起到了較好的止水效果，開挖過程中圍巖基本處于干燥或局部滲水狀態(tài)，滿足了涌水砂層條件下的開挖要求。

圖8 帷幕注漿開孔終孔

4 結(jié)語

（1）“超前水平高壓旋噴+超前帷幕注漿”用作超前支護(hù)，具有剛度大、強(qiáng)度高、施工可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在涌水粉細(xì)砂層中應(yīng)用，保證了掌子面的穩(wěn)定，施工安全度高，進(jìn)度可控。

（2）根據(jù)該剩余洞段地質(zhì)補(bǔ)勘資料推測(cè)，前方尚有30～40m的全斷面涌水粉細(xì)砂層段，之后由于砂層走向向下方延伸，使開挖時(shí)被揭露的砂層面積逐漸變小，由全斷面粉細(xì)砂層逐步向局部斷面粉細(xì)砂層轉(zhuǎn)變，因此后續(xù)將根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整相關(guān)水平高壓旋噴施工參數(shù)或按傳統(tǒng)的大管棚施工，輔以小導(dǎo)管超前預(yù)支護(hù)。

［1］SL62—2014，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范 ［S］.

［2］陳慶志，趙志忠.帷幕注漿技術(shù)在富水區(qū)隧道開挖中的應(yīng)用研究［J］.西部交通科技， 2017（2）.

［3］張慧峰，吳建文，張恒.高壓大流量地下水隧道開挖超前帷幕注漿參數(shù)研究［J］.水利水電技術(shù)，2017（48）.

［4］肖廣智，游旭.高壓水平旋噴樁超前支護(hù)技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010（4）.

［5］周前，趙德剛.水平旋噴樁在富水砂層淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）， 2014，44（4）.

［6］劉俊成.水平旋噴技術(shù)在城市地鐵富水砂層中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010（4）.

［7］楊宏射.水平旋噴技術(shù)在興旺峁隧道砂層加固施工中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2010（1）.

［8］易星.超前帷幕注漿技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用［J］.工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2017（1）.