富水糜棱巖地層大斷面隧道施工技術(shù)

馬 棟

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

富水糜棱巖地層大斷面隧道施工技術(shù)

馬 棟

(中鐵十六局集團(tuán)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(duì)糜棱巖物理性質(zhì)、組成及結(jié)構(gòu)特征、抗剪強(qiáng)度及水穩(wěn)性、滲透特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，先采用超前預(yù)注漿及施作大管棚超前支護(hù)等措施對(duì)糜棱巖地層進(jìn)行加固，同時(shí)局部設(shè)置引水導(dǎo)管使得糜棱巖快速排水固結(jié)，然后進(jìn)行四臺(tái)階九步開挖法施工。隧道開挖時(shí)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(jìn)度，而且能較好控制大斷面隧道施工時(shí)的圍巖變形，尤其是對(duì)富水糜棱巖等軟弱地層的安全、快速施工具有較好的適應(yīng)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(shè)計(jì)

秀寧隧道為改建鐵路成昆線廣通至昆明段最長(zhǎng)雙線隧道，也是我國(guó)在建高速鐵路單洞雙線長(zhǎng)大隧道中的一條代表性隧道。隧道全長(zhǎng)13 187 m，最大埋深565 m，設(shè)計(jì)速度200 km/h。隧道施工采取主洞進(jìn)、出口及“進(jìn)口平導(dǎo)+4個(gè)斜井”輔助坑道方案。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

秀寧隧道地處云貴高原東南部，隧址處地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，共穿越2個(gè)背斜、3個(gè)向斜和9個(gè)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(jí)，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(gòu)造裂隙水，隧道最大涌水量140 000 m3/d。

1.3 施工難點(diǎn)

糜棱巖對(duì)水的敏感性很強(qiáng)，洞身開挖時(shí)地下水迅速下滲導(dǎo)致掌子面及側(cè)面巖體溜坍呈泥石流狀緩慢移動(dòng)，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(zhì)、組構(gòu)特征

圍巖的工程性質(zhì)是影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一個(gè)重要因素［1］，為進(jìn)一步了解秀寧隧道糜棱巖組成、物理力學(xué)性質(zhì)以及應(yīng)力應(yīng)變特性，在隧道出口段施工現(xiàn)場(chǎng)取了兩組糜棱巖的原狀試樣XN1和XN2進(jìn)行測(cè)試。

2.1 糜棱巖物理性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得糜棱巖的含水率為8.20%，密度為2.25 g/cm3，相對(duì)密度為2.67。

2.2 糜棱巖的組成及結(jié)構(gòu)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(xì)顆粒含量高，一旦富水飽和，極易進(jìn)入流態(tài)，失去強(qiáng)度，工程性質(zhì)不良。

表1 糜棱巖試樣的顆粒組成 %

2)糜棱巖的結(jié)構(gòu)特征

糜棱巖宏觀上具有明顯的條帶狀與紋層狀構(gòu)造，發(fā)育有頁(yè)理和拉伸線理。原巖受壓扭應(yīng)力和強(qiáng)烈塑性變形作用，發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、斷裂、研磨和粉碎，形成大量角礫和細(xì)小顆粒，且細(xì)小顆粒呈定向排列，其結(jié)構(gòu)松散、大小顆粒間幾乎無聯(lián)結(jié)、整體性很差。糜棱巖微觀孔隙的孔徑分布相對(duì)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(qiáng)度及水穩(wěn)性

糜棱巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線屬于強(qiáng)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(yīng)力。含水率變化對(duì)糜棱巖的抗剪強(qiáng)度影響非常大，含水率增高，其黏聚力逐漸增大，而內(nèi)摩擦角隨之減小，見圖1。

圖1 糜棱巖強(qiáng)度與含水量的關(guān)系

2.4 糜棱巖滲透特性

糜棱巖滲透系數(shù)與干密度的關(guān)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(guān)系

3 富水糜棱巖段超前注漿施工

根據(jù)對(duì)出口段富水糜棱巖結(jié)構(gòu)特性的分析，決定采用“上堵下排”超前預(yù)注漿方法加固圍巖和大管棚剛性支撐共同形成立體預(yù)支護(hù)體系，提高周邊圍巖及工作面穩(wěn)定性，達(dá)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(zhǎng)度25 m，開挖長(zhǎng)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(kuò)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(shè)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(jù)圍巖含水率分布動(dòng)態(tài)設(shè)置引水導(dǎo)管排水，降低開挖面水壓、加速圍巖內(nèi)水的滲透，防止涌水突泥，加速地層固結(jié)。

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(jù)地質(zhì)情況，加入一定比例的外加劑，以調(diào)整注漿材料的各項(xiàng)性能。

3.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

定量標(biāo)準(zhǔn)：圍巖孔隙率按20%計(jì)算，單孔每米設(shè)計(jì)注漿量控制在2.5 m3，當(dāng)單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2.0倍時(shí)，若壓力仍然不斷上升，可采取調(diào)整漿液配比縮短凝膠時(shí)間或進(jìn)行間歇注漿等工藝使注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，然后結(jié)束該孔注漿。

定壓標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)圍巖特性和注漿兼具劈裂、擴(kuò)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(dá)到設(shè)計(jì)終壓并維持10 min以上可結(jié)束該孔注漿。

當(dāng)設(shè)計(jì)的所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏注現(xiàn)象，且所有檢查孔均合格時(shí)結(jié)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(shí)間有明顯的波動(dòng)，一般注漿壓力上升達(dá)到4 MPa時(shí)，壓力就會(huì)下降，注漿流量增加，如此反復(fù)多次，經(jīng)過反復(fù)劈裂—擠密—劈裂—擠密，地層得到擠密和加固。相應(yīng)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(shí)間(P-Q-t)曲線

2)取芯檢查

注漿完成后，在掌子面布設(shè)了7個(gè)檢查孔(圖5)，進(jìn)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(dá)到了注漿加固圍巖的設(shè)計(jì)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(shí)，含水率降低，強(qiáng)度有所提高。

3)圍巖物理力學(xué)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(duì)2#和5#檢查孔中取出的糜棱巖芯樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，其平均含水率5.44%、平均重度23.48 kN/m3、黏聚力18.14 kPa、內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生排水固結(jié)，含水率大為減小，密度有所增加，地層的抗剪強(qiáng)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(tái)階九步開挖法工序施工(圖7)，施工前先預(yù)加固。

圖7 四臺(tái)階九步開挖法施工工序

具體施工步驟如下：

1)針對(duì)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(yù)注漿+φ108大管棚超前支護(hù)”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(zhǎng)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(dǎo)管，小導(dǎo)管環(huán)向間距0.4 m，每根長(zhǎng)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(jī)械開挖①部，施作①部周邊的初期支護(hù)：初噴混凝土，鋪鋼筋網(wǎng)，架立鋼架(設(shè)鎖腳錨管)，鉆設(shè)徑向錨桿，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

3)左、右側(cè)中臺(tái)階開挖。在滯后①部一段距離后，弱爆破或機(jī)械開挖②、③部(左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開2～3 m)，施作②、③部初期支護(hù)。

4)左、右側(cè)下臺(tái)階(三臺(tái)階)開挖。在滯后②、③部一段距離后，弱爆破或機(jī)械開挖④、⑤部(左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開2～3 m)，施作④、⑤部邊墻初期支護(hù)。

5)左、右側(cè)下臺(tái)階(四臺(tái)階)開挖。在滯后④、⑤部一段距離后，弱爆破或機(jī)械開挖⑥、⑦部(左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開2～3 m)，施作⑥、⑦部邊墻初期支護(hù)。

6)上、中、下臺(tái)階預(yù)留核心土開挖。弱爆破開挖⑧-1，⑧-2，⑧-3，⑧-4部各臺(tái)階預(yù)留核心土，開挖進(jìn)尺與各臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺相一致;另外在中部核心土開挖后根據(jù)圍巖情況，必要時(shí)在中部增設(shè)臨時(shí)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(jī)械開挖⑨部，施作⑨部仰拱初期支護(hù)，即初噴混凝土，安裝仰拱鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，使初期支護(hù)及時(shí)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(shè)計(jì)高度。

9)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)分析，確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)，鋪設(shè)防水層，利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌注 部二襯混凝土。

4.2 施工控制要點(diǎn)

1)隧道掘進(jìn)開挖

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

2)初期支護(hù)施工

初期支護(hù)主要由錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架、鎖腳錨管和噴射混凝土組成。初期支護(hù)預(yù)留了40 cm變形及補(bǔ)強(qiáng)空間，變形補(bǔ)強(qiáng)空間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)控量測(cè)信息及時(shí)調(diào)整。

中臺(tái)階開挖時(shí)擴(kuò)大拱腳，以增加拱腳的承載力，在開挖下臺(tái)階時(shí)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(hù)要盡早封閉成環(huán)［6-7］。

3)仰拱施工

為形成穩(wěn)定的支護(hù)體系，初期支護(hù)應(yīng)盡早封閉成環(huán)。仰拱每循環(huán)開挖長(zhǎng)度2～3 m，開挖后及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)，完成兩個(gè)隧底開挖、支護(hù)循環(huán)后，及時(shí)施作仰拱。仰拱分段長(zhǎng)度為4～6 m，其距上臺(tái)階開挖工作面距離控制在25 m以內(nèi)，時(shí)間在20 d以內(nèi)［8-9］。

4)二次襯砌施工

采用自制防水層臺(tái)架按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行防水層施工，臺(tái)架長(zhǎng)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(cè)

秀寧隧道出口段施工中，對(duì)隧道拱頂沉降和水平收斂(在上臺(tái)階和中臺(tái)階布置兩條基線SL1和SL2)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，平均每5 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果見圖8，隧道拱頂最終累計(jì)沉降在-25～-55 mm，初期支護(hù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工安全。隧洞周邊收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9，其中負(fù)值表示向內(nèi)收斂。上臺(tái)階外側(cè)下部SL1基線處累計(jì)位移約在-40～-80 mm;中臺(tái)階外側(cè)下部SL2基線處累計(jì)位移約在-30～-65 mm，初期支護(hù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，施工安全。

圖8 D K1006+135拱頂下沉歷時(shí)曲線(2010年)

圖9 D1006+120洞周收斂歷時(shí)曲線(2011年)

5 結(jié)語

秀寧隧道在長(zhǎng)達(dá)5年半的施工中，克服了出口段穿越Ⅵ級(jí)富水糜棱巖地層施工等諸多困難，實(shí)現(xiàn)了單洞雙線鐵路隧道萬米以上施工安全質(zhì)量無事故的目標(biāo)。通過試驗(yàn)和施工實(shí)踐得出：

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

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(yù)注漿及施作大管棚超前支護(hù)等措施對(duì)巖體進(jìn)行加固，再采用四臺(tái)階九步開挖法施工，不僅能加快施工進(jìn)度，而且能較好控制大斷面隧道施工時(shí)的圍巖變形。該工法對(duì)富水糜棱巖等軟弱地層的安全、快速施工具有較好的適應(yīng)性。

［1］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［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(shù)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2008.

［4］趙晉乾.山嶺公路隧道注漿效果評(píng)價(jià)及技術(shù)指南研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2009.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)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(xué)，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(shù)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(shù)［J］.鐵道建筑，2014(1)：43-45.

［10］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)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(zé)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(jí)高級(jí)工程師，研究生。