趙前進， 李敬偉

(1. 中南大學, 湖南 長沙 410083; 2. 中國鐵路昆明局集團有限公司, 云南 昆明 650011)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，基建行業(yè)也迎來了建設高潮，特別是在鐵路建設方面，以客運專線、高速鐵路為主的鐵路建設更是發(fā)展迅速。隧道作為其中的重要組成部分，在項目中所占比例越來越大，在目前已建設的鐵路工程中，隧道工程所占比例一般在20%～30%，有的高達50%以上，建設過程中遇到的地質條件也越來越復雜。趙前進[1]指出富水破碎帶主要問題為圍巖穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生突水突泥，主要對策為超前排水泄壓、超前支護與加固； 翁賢杰等[2]的隧道斷層突水突泥前兆信息演化規(guī)律數(shù)值模擬研究表明，隧道開挖接近斷層時極易造成突水突泥災害，施工中應積極采取有效的防控措施； 周捷等[3]在大斷面隧道地層超前預加固及開挖支護過程穩(wěn)定性的數(shù)值模擬中指出，在低黏聚力的軟弱地層、大斷面隧道開挖中，掌子面穩(wěn)定是施工中面臨的很大問題； 錢七虎[4]在隧道工程建設地質預報及信息化技術的主要進展及發(fā)展方向中指出，為準確查明復雜不良地質的具體情況，及時采取針對性的防治措施，最大限度地減小不良地質對隧道施工與運營的影響，利用地質超前預報技術為不良地質隧道施工提供指導十分必要。

玉磨鐵路向北通過昆玉線進入昆明樞紐連接昆明，向南通過擬建老撾鐵路經(jīng)瑯勃拉邦至萬象，經(jīng)曼谷至新加坡，是泛亞鐵路中通道的重要組成部分，也是“一帶一路”建設的重要組成部分[5-6]。本文依托玉磨鐵路新平隧道，對穿越密集破碎帶施工技術進行研究，解決施工過程中遇到的技術難題。

1 工程地質及水文地質概況

圖1 新平隧道局部段落地質縱斷面圖(單位： m)

2 施工中遇到的重大技術難題

新平隧道是單洞雙線隧道，為Ⅰ級高風險隧道，設計時速為160 km； 開挖寬度近13 m、高度近12 m，斷面面積達到122 m2。隧址區(qū)位于石屏—建水斷裂(JSF6)和揚武—青龍廠大斷裂之間，走向與揚武—青龍廠大斷裂近平行，先后穿越魯奎山向斜、新寨背斜、新寨逆斷層、大開門—新寨逆斷層、寫莫逆斷層、揚武—趙米克逆斷層及阿布都逆斷層7個大型斷裂破碎帶以及數(shù)個小型的褶曲、斷裂等，區(qū)域地質條件極其復雜、地質構造程度極高，是全線施工技術難度最大的隧道之一。

2.1 隧道位于斷裂破碎帶中，災害頻發(fā)

開工以來,新平隧道累計發(fā)生突泥(砂)、涌水28次(見圖2)，突泥(砂)約6.4萬m3。經(jīng)分析研究可知，造成隧道突泥涌水、溜坍的主要因素有以下幾方面： 1)隧道處于斷裂破碎帶中，圍巖完整性差、巖體極破碎，自穩(wěn)性極差。2)在隧道爆破和開挖卸荷的作用下，對圍巖產(chǎn)生擾動，造成構造附近地下水涌出，隨著地下水水量聚集和攜帶能力加強，造成松散破碎巖體在地下水作用下失穩(wěn)并形成流體涌出； 同時，隧道穿越的地質構造除了向斜是含水構造外，背斜以及擠壓性逆斷層都是排水、隔水的地質構造，由于施工擾動的影響，斷裂帶在一定范圍內(nèi)往往出現(xiàn)較強烈的附加切向應力和圍壓變化，從而導致斷裂帶松弛、原有裂隙發(fā)展及新生裂隙產(chǎn)生與張開，形成新的水力通道，從而導致突泥涌水的發(fā)生[7]。由于無法準確預判隧道前方山體中的不可預見性次生斷裂構造和富水囊狀構造，極大地增加了隧道施工中發(fā)生突涌、溜坍的風險。

圖2 新平隧道掌子面突泥涌水

2.2 軟巖大變形問題

隧道開挖引起的圍巖重分布應力超過巖體強度使原巖進入塑性屈服狀態(tài)，稱之為圍巖的擠出作用，擠出性巖體向隧道凈空擠入時并無明顯的體積變化，而是逐漸緩慢地發(fā)生變形[8-9]。新平隧道圍巖極度破碎、風化程度高，圍巖自穩(wěn)能力極差，加之開挖的卸荷作用，使得松動圈內(nèi)的圍巖出現(xiàn)典型的塑性流變特性，表現(xiàn)為隧道凈空收斂的位移隨時間不斷增長，最大變形達到700 mm，導致初期支護侵限、開裂變形等軟巖大變形問題，見圖3。

圖3 初期支護系統(tǒng)變形

3 關鍵技術

3.1 含水體超前探測技術

地下水是隧道發(fā)生突泥涌水災害的重要影響因素，準確探明隧道前方地下水的發(fā)育情況對預防溜坍、涌突、變形等不良地質災害的發(fā)生有著重大意義。因為物探的多解性導致物探結論經(jīng)常與實際開挖揭示情況不相符，玉磨鐵路新平隧道采用時域瞬變電磁法(TEM)[10-11]、地震波法(TSP)以及鉆探相結合的方法相互印證，提高判譯準確率。以新平隧道3#橫洞正洞小里程D1K54+970～+890段為例，采用不同的預報手段進行綜合判譯，對掌子面前方地下水及構造發(fā)育情況進行探測。

3.1.1 瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法視電阻率剖面如圖4所示。由圖4可知，D1K54+970～+890段視電阻率較低，推測地下水發(fā)育，以股狀水形態(tài)出露； 其中D1K54+970～+940段水源主要來自于掌子面右側，左側視電阻率梯度線密集，推測巖體一致性差。

圖4 瞬變電磁法視電阻率剖面圖

Fig. 4 Nephogram of apparent resistivity of transient electromagnetic method

3.1.2 地震波反射法(TSP)

TSP法二維反射層位及物理力學參數(shù)成果如圖5所示。由圖5可知： D1K54+970～+940段圍巖破碎—局部極破碎，巖質軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，線狀水—股狀水，存在軟弱夾層及裂隙，局部裂隙水量較大； D1K54+940～+915段圍巖較破碎—破碎，巖質較軟，節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育，線狀水—小股狀水，存在軟弱夾層及裂隙； D1K54+915～+890段圍巖破碎，巖質較軟—軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，滴滲水—線狀水，存在軟弱夾層及裂隙。

3.1.3 鉆探

根據(jù)物探結果，現(xiàn)場采用超前鉆探進行驗證，鉆孔參數(shù)及孔位布置如表1所示。由表1可知： 8孔均鉆進30 m，成孔時間在60～100 min，返碴為板巖、砂巖，局部卡鉆、無突進，推測巖質較軟，巖體破碎； 1#—4#孔開孔即出水，終孔水量在1～2 L/s，匯總約6 L/s； 5#—8#孔終孔無水。

3.1.4 開挖揭示

(a) 物理力學參數(shù)成果圖

(b) 二維反射層位成果圖

表1 超前鉆孔參數(shù)及孔位布置圖

分析比較以上幾種方法探測結果可知： 瞬變電磁法(TEM)、地震波反射法(TSP)以及超前水平鉆探結果與開挖揭示基本一致，表明超前預報結果準確、可靠。多種預報方法相結合，大大提高了預報的準確性，為施工提供了極大的安全保障。

3.2 超前預加固技術

3.2.1 超前預加固方案

富水斷層破碎帶采用全斷面超前預注漿進行加固，注漿設計如圖6所示。

(a) 注漿孔開孔布置圖

(b) 注漿孔終孔斷面交圈圖

(c) 注漿孔縱剖面布置圖

Fig. 6 Design sketches of full-face advance pre-grouting reinforcement (unit: cm)

3.2.2 超前預注漿參數(shù)

富水斷層破碎帶注漿壓力為靜態(tài)壓力+1～2 MPa(一般不大于4 MPa)，隧道止?jié){墻為2～3 m。全斷面超前預注漿加固圈厚度為5 m，擴散半徑按1.5～2 m，全斷面注漿共設120個注漿孔(含12個玻璃纖維錨桿注漿孔)。注漿加固段長25 m，注漿后開挖20 m，余留5 m作為下一循環(huán)注漿施工的止?jié){巖墻。

3.2.3 超前預注漿材料

注漿材料的選擇是注漿成敗的關鍵，富水斷層破碎帶的注漿材料以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，普通水泥單液漿、超細水泥單液漿和硫鋁酸鹽水泥單液漿為輔。注漿材料水灰質量比控制在0.8∶1～1∶1，水泥-水玻璃體積比為1∶(1～0.3)，水玻璃波美度為30～35 °B′e，具體可根據(jù)現(xiàn)場情況適當調節(jié)。

為保證注漿效果和快速施工，在開挖輪廓線以外的注漿段使用硫鋁酸鹽水泥； 在地層比較致密、裂隙較小(微裂隙)但又有水，普通水泥注不進去或擴散困難、前進式注漿很慢時，使用超細水泥。另外，在單孔注漿量較大而注漿壓力仍然不上升時，使用硫鋁酸鹽水泥，注漿量控制根據(jù)實際地層情況而定，注漿量較大時，使用雙液漿封孔或間歇一段時間再重新掃孔注漿。

3.2.4 超前預注漿工藝

根據(jù)玉磨鐵路區(qū)域斷層破碎帶內(nèi)鉆孔過程中易塌孔、成孔困難的情況，超前預注漿施工工藝采取前進式分段注漿結合下PVC管孔底注漿的綜合施工工藝。

前進式分段注漿工藝： 主要采用安裝孔口管分段前進方式進行，首先用地質鉆機鉆設φ140 mm的孔，安裝φ127 mm的孔口管，然后采用φ100 mm鉆頭鉆孔第1次鉆至5 m，進行注漿試壓作業(yè)，之后每鉆進3～5 m注一次漿，如此循環(huán)下去，直至鉆到設計孔深，分段步距可根據(jù)現(xiàn)場地質情況適當調整。該工藝主要適用于成孔條件較差、易塌孔的周邊注漿孔和局部出水量較大的注漿孔。

PVC管孔底注漿工藝： 主要通過PVC管向孔底送漿，漿液通過孔底返漿方式注入地層，首先鉆直徑較大的孔，安裝孔口管和高壓球閥，然后通過前進式注漿方式成孔，并沿鉆孔全長安裝PVC管，在孔口安裝上排砂和止?jié){裝置，通過PVC管將漿液注入孔底，在較高的注漿壓力作用下，漿液在孔內(nèi)循環(huán)返回至孔口并擴散至地層。該工藝主要適用于成孔條件較好，基本無水的周邊注漿孔和開挖面上的個別孔。

3.2.5 超前預注漿結束標準

注漿結束標準以定量定壓相結合控制。注漿量根據(jù)地層圍巖孔隙率，當單孔注漿量達到設計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升時，可采取調整漿液配比、縮短凝膠時間或進行間歇注漿等措施使注漿壓力達到設計終壓，結束該孔注漿； 超前加固注漿終壓定為3～4 MPa，注漿壓力達到設計終壓并維持10 min以上可結束注漿。設計的所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現(xiàn)象，并達到注漿效果檢驗標準，可結束該段的注漿。

3.2.6 注漿效果檢驗和評價

注漿效果檢驗和評價采取分析法和鉆檢查孔法。

分析法采用P-Q-t曲線法和漿液填充率反算法。通過對注漿施工中所記錄的注漿壓力P、注漿速度Q進行P-t、Q-t曲線繪制，根據(jù)地質特征、注漿機制、設備性能、注漿參數(shù)等對P-Q-t曲線進行分析，從而對注漿效果進行評判； 通過統(tǒng)計總注漿量，可采用式(1)反算出漿液填充率，根據(jù)漿液填充率評定注漿效果，當漿液填充率達到90%以上，滿足開挖要求。

∑Q=Vnα(1+β)。

(1)

式中： ∑Q為總注漿量，m3；V為加固體體積，m3；n為地層孔隙率或裂隙度；α為漿液填充率；β為漿液損失率。

鉆檢查孔法是在可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進行鉆孔檢查。檢查孔無涌泥、不塌孔且檢查孔出水量小于0.2 L/(min·m)，則達到注漿效果。

3.2.7 超前預加固情況和效果

通過注漿使?jié){液對地層進行劈裂和擠密，提高了地層的承載能力。漿液在地層中劈裂填充形成較大的漿脈及結石體，跟地層中的土石砂粘結在一起形成承載力較高的混合體，可以把水堵在開挖輪廓線以外較遠位置，并對地層一定范圍內(nèi)進行加固，基本保證隧道能在無水或滲水很小的情況下開挖，有效地保證了隧道開挖安全。超前預加固效果如圖7所示。

(a) 加固前地質情況

(b) 加固后開挖效果

3.3 斷裂帶大變形控制技術

在實際施工中，初期支護結構的變形體現(xiàn)出周期長、速率高、累計值大等特點，最大變形達到700 mm，給開挖施工帶來了嚴重的安全隱患。

為保證斷裂帶大變形段的施工安全，應做好監(jiān)控量測工作，及時了解圍巖及支護結構的變形情況； 開挖時采用下臺階帶仰拱一次開挖技術[12]，盡量減少對圍巖的擾動次數(shù)、擾動強度、擾動范圍和擾動持續(xù)時間； 開挖后及時施作初期支護，并保證初期支護強度，使圍巖變形進入受控狀態(tài)； 通過可靠、足夠頻次的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來準確評價圍巖與支護結構的穩(wěn)定狀態(tài)，或判斷其動態(tài)發(fā)展趨勢，以便及時調整支護形式和開挖方法。

3.3.1 超前支護

采用φ76 mm中管棚配合大外插角φ42 mm超前小導管。管棚長度為6 m，環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距為3.6 m，每環(huán)47根； 小導管長度為4 m，環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距為2.4 m，每環(huán)47根。注漿漿液為水泥單液漿，注漿壓力為1.0 MPa。

3.3.2 開挖支護工藝

為了控制圍巖及支護結構的施工變形，應使初期支護結構盡早封閉成環(huán)，形成良好的完整承載結構體系，因此采用臺階法帶仰拱一次開挖工法進行施工。該工法的工藝特點是： 上、中、下臺階與仰拱同步鉆孔、爆破、出碴，仰拱與下臺階同步施作初期支護。初期支護混凝土噴射完成后，仰拱部位用洞碴回填，滿足開挖面施工行車需求，待后續(xù)施作仰拱二次襯砌與填充前清出。仰拱部位的施工配合采用24 m全配套自行式移動棧橋，仰拱二次襯砌與填充單幅施工長12 m，這樣可以保證前方行車、仰拱填充澆筑與下一組仰拱二次襯砌鋼筋綁扎平行作業(yè)，提高施工效率。具體的施工組織規(guī)劃如圖8所示。

采用臺階法帶仰拱一次開挖工法，可以因仰拱與上部斷面的同步爆破而減少斷面爆破次數(shù)，從而減少了對圍巖的擾動，這一點在軟巖區(qū)段體現(xiàn)得更為明顯。同時，因仰拱部位開挖支護比傳統(tǒng)臺階法提前，初期支護快速封閉成環(huán)，能夠盡早地形成有效的承載體系，更有利于控制斷面的前期變形，且使初期支護結構的應力分布更趨于合理，從而保障隧道支護結構的整體穩(wěn)定性。

3.3.3 支護參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，原設計支護參數(shù)無法滿足變形控制的需要，故對支護結構予以加強。變更前后的支護參數(shù)見表2。

3.3.4 施工效果分析

根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，通過以上技術措施，隧道穿越斷裂帶的施工變形得到了明顯的降低。圖9—12為典型測點的變形時程圖。其中，圖9與圖10分別示出工法及支護參數(shù)變更前的典型拱頂沉降與周邊收斂，圖11與圖12分別示出工法及支護參數(shù)變更后的典型拱頂沉降與周邊收斂。

圖8 臺階法帶仰拱一次開挖工法縱斷面示意圖(單位： m)

表2 原設計和變更后支護參數(shù)對比表

圖9 D1K51+595拱頂沉降時程曲線

圖10 D1K51+595上臺階收斂時程曲線

圖11 D1K51+521拱頂沉降時程曲線

圖12 D1K51+521上臺階收斂時程曲線

由圖9—12可知，采用合理的開挖工法并加強支護參數(shù)后，該段隧道拱頂沉降累計值及周邊收斂累計值均有明顯的下降，下降幅度在60%以上。說明采用的技術手段較為合理。

3.4 隧道非爆開挖技術

新平隧道穿越的巖性為薄層板巖夾砂巖，巖石單軸抗壓強度小于30 MPa，屬于軟巖。受次生斷裂的影響，隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，巖體破碎，這些巖層條件使隧道具備采用銑挖法非爆開挖技術的條件。銑挖法作為隧道開挖的重要方法，已應用在蘭渝鐵路、武廣高鐵等鐵路隧道，杭州地鐵、重慶市軌道交通等市政隧道工程中。

3.4.1 銑挖法的適用范圍

一般情況，銑挖機只用于隧道輪廓的開挖，但是在中低硬度的巖層中，它也可以直接用于隧道的掘進，尤其在裂隙、節(jié)理發(fā)育的破碎巖層及土質隧道中。銑挖機可以廣泛應用于隧道、溝渠、市政管線開挖、公路路面破碎、采礦、建筑物拆除、表面出新以及鋼鐵工業(yè)、林業(yè)等施工領域[13-15]。

3.4.2 設備選型

結合隧道斷面尺寸及開挖方法，選擇德國艾卡特ER1500-1XL銑挖頭。銑挖最大挖掘半徑為7.5 m，最大挖掘高度為6.8 m，銑挖寬度為50 cm，滿足本隧道三臺階七步法開挖工法的要求。

3.4.3 應用效果

新平隧道采用銑挖法非爆開挖技術后，銑挖一個循環(huán)工序時間約為95 min，與傳統(tǒng)的鉆爆法相比較，工序時間大大減少。工序時間對比見表3。

表3 工序時間比較

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計分析，新平隧道銑挖法開挖效率平均達到34 m3/h。采用銑挖法非爆開挖，有效地降低了因掌子面不能自穩(wěn)形成溜坍和涌突的頻率和風險，同時開挖平均線性超挖控制在15 cm以內(nèi)，隧道成型效果較好，超挖現(xiàn)象得到有效控制，施工效率得到有效提升，保障了隧道施工安全。銑挖法施工效果如圖13所示。

圖13 銑挖法施工效果

4 結論與討論

1)瞬變電磁法采用多測線、多方位的探測方式，綜合分析掌子面前方圍巖地下水發(fā)育情況，得到地下水的形態(tài)、發(fā)育段落及空間分布情況。探測結果與超前水平鉆探及開挖揭示的情況基本一致，預報準確率較高，取得較好的預測效果，為隧道突泥涌水風險判別提供詳實的依據(jù)，為隧道施工提供了安全保障。

2)根據(jù)新平隧道斷裂破碎帶的地層特點，富水斷層破碎帶采用全斷面超前預注漿。超前預加固施工工藝采取前進式分段注漿結合下PVC管孔底注漿的綜合施工工藝。注漿材料以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，采用普通水泥單液漿和普通水泥-水玻璃雙液漿混合注漿方式，對斷裂破碎帶進行超前預注漿加固，達到了預期的注漿加固效果。

3)為了有效控制斷裂帶施工變形，應采用下臺階與仰拱同步開挖工法，促使初期支護結構盡早封閉成環(huán)，同時根據(jù)現(xiàn)場試驗情況增強超前支護并適當加大支護強度。

4)采用銑挖法非爆開挖技術進行軟巖隧道開挖，可減少對圍巖的擾動，不易造成大面積變形和局部溜坍； 同時銑挖法定位準確，便于控制超欠挖，實現(xiàn)隧道輪廓的精確成型，具有簡便、快速、精確的特點。經(jīng)現(xiàn)場應用統(tǒng)計分析，銑挖法循環(huán)工序時間為95 min，平均施工工效達34 m3/h，實踐表明銑挖法是比較適合軟巖隧道開挖的一種既安全又經(jīng)濟的施工方法。

5)針對玉磨鐵路新平隧道斷裂破碎帶軟弱圍巖，通過采取動態(tài)設計、超前地質預報、預注漿加固、監(jiān)控量測、專業(yè)化施工等措施，各工序以“防突、控變、防塌方”為主要目的，實現(xiàn)了Ⅰ級高風險隧道施工安全、高效、順利的建設目標。