石鼓隧道穿越淺埋段沖溝方案技術(shù)研究

羅發(fā)勝 閔娟

摘 要：通過合理計(jì)算地下涌水量、處理地表沖溝水、選擇開挖方法及支護(hù)參數(shù)制定詳細(xì)的隧道穿越淺埋段沖溝方案，提高施工效率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，保障隧道施工安全，確保博深高速公路按計(jì)劃通車。

關(guān)鍵詞：特長大斷面隧道；沖溝；施工方案；涌水量計(jì)算

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程簡介

石鼓隧道為博深高速公路控制性工程，從銀屏山自然保護(hù)區(qū)通過，雙洞六車道設(shè)計(jì)，高度7.98m，寬度15.40m，為大斷面隧道，左、右線隧道分離布設(shè)。左線起屹樁號ZK32+447～ZK36+458，長4011米，最大埋深534米；右線起屹樁號YK32+459～YK36+339，長3880米，最大埋深504米，是全線的控制工程。并且隧址區(qū)地質(zhì)情況比較復(fù)雜，地下水豐富，淺埋段位于沖溝底下。因而，穿越淺埋段沖溝成為整座隧道施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2 淺埋段概況

石鼓隧道ZK33+140～ZK33+230以及YK33+060～YK33+160下穿保護(hù)區(qū)觀光大道和山間谷地溪流，為淺埋段，淺埋段埋深較淺且地表有常流水。圍巖主要由中-微風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r組成，巖質(zhì)較硬，受F1斷裂影響，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，地表水和地下水較發(fā)育，呈淋雨、滲流、涌流狀，易發(fā)生坍塌冒頂、涌水問題。

此處淺埋段為石鼓隧道控制性工程，能否順利通過直接決定博深高速公路的施工進(jìn)度。

2 施工方案

2.1 施工流程

圖1 施工流程圖

2.2 地表水處理

YK33+210、ZK33+145洞身地表為一山谷溪流，并處于F1斷裂影響帶內(nèi)，巖石破碎，節(jié)理較發(fā)育，洞身圍巖較薄。該里程段安排在枯水季節(jié)期間施工。經(jīng)現(xiàn)場察看發(fā)現(xiàn)，可在山谷溪流上游用漿砌片石筑壩蓄水，再用2根長150m公稱外徑1000mm的硬PVC管將溪流水引排至下游，從而最大程度地減少地表水對地下水的補(bǔ)給。

圖2 地表水處理方案示意圖

2.3 地下水涌水量計(jì)算

2.3.1 穩(wěn)定流理論公式法

根據(jù)鉆孔抽、注水試驗(yàn)成果，結(jié)合隧址區(qū)水文地質(zhì)條件，隧道涌水量采用裘布依穩(wěn)定流理論公式進(jìn)行估算。

裘布依公式法：

式中：Q-單側(cè)進(jìn)水涌水量，m3/d；B-隧道穿過含水層中的長度，m；K-含水巖層的滲透系數(shù)，根據(jù)利用鉆孔確定，m/d；H-隧道底面以上含水層平均厚度，m；h-水位下降曲線在隧道邊墻上的高度，設(shè)為0；R-隧道排水影響寬度，m（利用《鐵路工程地質(zhì)手冊》經(jīng)驗(yàn)公式R=2S（HK）0.5計(jì)算；

需要指出的是，由于區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)受降水影響，變化較大，雨季以及現(xiàn)行施工的單洞其隧道涌水量將有一定的增大。

2.3.2 降水入滲法

降水入滲法隧道涌水量計(jì)算公式：

Q=2.74αWA

式中：Q-涌水量，m3/d；α-入滲系數(shù)；W-年降水量，mm；A-隧道通過含水體的地下集水面積，km2。

根據(jù)隧址區(qū)地形，隧道范圍含水體地下集水面積范圍劃分原則左側(cè)以山頂、山脊作為分水嶺，右側(cè)主要以山谷為界。年降水量采用當(dāng)?shù)囟嗄昴昃邓俊?/p>

2.3.3 瞬變電磁儀法探測

在離前方富水或斷層破碎帶30～50m的位置探測，該探測手段對地下水較為敏感。

2.3.4 鉆孔計(jì)算法

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果推斷前方富水或斷層破碎帶的位置，主要采用鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆探，提前5m鉆孔，鉆孔長度可取10～20m，然后在出口處安裝水表。最后兩次讀取水表的讀數(shù)W1，W2，并記錄兩次讀數(shù)之間的時間T。由此可以得到：

鉆孔計(jì)算法計(jì)算公式：

Q=W/T，W=W1-W2

式中：Q-涌水量，m3/h；W-在時間T內(nèi)收集到地下水的總量，m3；T-時間，h。

2.4 開挖方法

ZK33+140～ZK33+230和YK33+060～YK33+160設(shè)計(jì)為IV級圍巖，但是根據(jù)鉆探資料及地調(diào)成果，本段圍巖主要由中-微風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r組成，巖質(zhì)較硬。實(shí)際施工時，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和掌子面圍巖揭露的實(shí)際情況，擬采用以下兩種方法。

2.4.1 上下臺階留核心土開挖法

當(dāng)巖體為散體狀或碎裂狀結(jié)構(gòu)，且地下水豐富時，為保證隧道施工的安全，擬采用上下臺階留核心土的開挖方法，由于該淺埋段覆蓋層在19～27m，為確保開挖安全，擬控制進(jìn)尺在2m內(nèi)。

上下臺階留核心土法施工順序：

Ⅰ、拱部超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)或拱部鋼插管超前支護(hù)→2.上半斷面中導(dǎo)坑開挖→Ⅲ、上半斷面中導(dǎo)坑初期支護(hù)（安裝鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土）→4（6）、上半斷面左（右）導(dǎo)坑開挖→Ⅴ（Ⅶ）、上半斷面左（右）導(dǎo)坑支護(hù)→8、核心土開挖→9、下半斷面左側(cè)開挖→Ⅹ、下半斷面左側(cè)初期支護(hù)（安裝工字鋼、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土）→11、下半斷面右側(cè)開挖→Ⅻ、下半斷面左側(cè)初期支護(hù)（安裝工字鋼、掛鋼筋網(wǎng)、安裝錨桿、噴混凝土）→ⅩⅢ全斷面模筑二次襯砌混凝土。

2.4.2 半斷面開挖法

當(dāng)巖體為層狀、塊狀結(jié)構(gòu)，地下水較豐富時，采用半斷面開挖法，由于該淺埋段覆蓋層在19～27m，為確保開挖安全，擬控制進(jìn)尺在2m內(nèi)。

半斷面開挖法施工步序（見圖4，圖中阿拉伯?dāng)?shù)字代表開挖步序，羅馬數(shù)字代表支護(hù)施工順序）。

圖4 半斷面開挖法步序示意圖

隧道用半斷面法進(jìn)行開挖時，需注意以下幾點(diǎn)：

（1）需嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，每次開挖進(jìn)尺以設(shè)計(jì)的兩榀鋼架間距為限，并及時施作支護(hù)，以達(dá)到短開挖，強(qiáng)支護(hù)的目的。（2）加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測，及時分析處理量測數(shù)據(jù)，以利進(jìn)行下一階段施工預(yù)控制，對隧道施工實(shí)行動態(tài)技術(shù)指導(dǎo)，確保施工的安全和隧道穩(wěn)定。（3）根據(jù)隨時掌握的圍巖動態(tài)和和掘進(jìn)所提示的工程地質(zhì)情況，對地質(zhì)發(fā)生變化的特殊不良地段可進(jìn)一步采取加強(qiáng)支護(hù)措施，如：加密鋼支撐，用噴射混凝土封閉掌子面等方法加以綜合治理。

2.5 支護(hù)參數(shù)

（1）全斷面采用系統(tǒng)錨桿支護(hù)，采用長度3.5mΦ22藥卷錨桿，間距100cm×75cm。（2）采用I18工字鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，間距0.75m。C20噴射混凝土厚度24cm，單層Φ8鋼筋網(wǎng)，間距20cm×20cm。（3）小導(dǎo)管超前支護(hù)，管長450cm，Φ42壁厚4mm，拱頂部130°范圍均布49根，間距40cm。（4）注漿參數(shù)根據(jù)地下水涌水量的大小進(jìn)行選擇，具體見涌水地段處理方法。

2.6 涌水地段處理方法

根據(jù)計(jì)算出來的涌水量大小分三種情況進(jìn)行處理。

2.6.1 出水量Q≥2m3/h

對于厚度較大或巖質(zhì)較差的斷層破碎帶且地下水較大（任一探水孔出水量Q≥2m3/h）時應(yīng)采用深孔周邊預(yù)注漿。

施工要點(diǎn)：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：從F1切過隧道位置起算，提前100m進(jìn)行（在ZK33+281、YK33+355處與洞身相交），應(yīng)較準(zhǔn)確的查出圍巖級別、F破碎帶的起點(diǎn)、終點(diǎn)位置、含水量等指標(biāo)，可用TSP203儀等設(shè)備進(jìn)行測試。（2）超前探孔：根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，主要采用水平鉆探測涌水量，鉆進(jìn)中要詳細(xì)記錄涌水量情況；一次未發(fā)現(xiàn)含水段重復(fù)5m再探，直至確定出水帶起點(diǎn)為止。探水過程中，如果出現(xiàn)特大水量，使其后續(xù)工作不好開展時，采用單孔雙液灌注止水，設(shè)備可用雙液漿機(jī)。（3）止?jié){巖盤設(shè)置：注漿加固范圍為開挖輪廓線外8m，止?jié){巖盤位于出水段前5～8m，要求盡量將掌子面修理平整，大的裂隙要進(jìn)行封堵，繼后先噴4～6cmC20砼，再結(jié)合錨樁布設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)@20×20cm，再復(fù)噴砼至20cm厚。如果止?jié){巖盤在注漿過程中嚴(yán)重漏漿、跑漿，無法正常注漿時，應(yīng)在原止?jié){巖盤上加做C20砼1.5～2m的止?jié){墻亦或在破碎掌子面設(shè)網(wǎng)后，直接現(xiàn)澆1.5～2m的止?jié){墻。（4）放線定位設(shè)孔口管：孔口管長3m，直徑φ127×4mm，要求外露20cm，且呈傘狀輻射狀，共計(jì)5圈。由外向內(nèi)編號I～V，其中I～I(xiàn)II環(huán)均為28孔，第IV環(huán)22孔，第V環(huán)16孔，全斷面122孔。各環(huán)孔位盡量做到梅花形排列?？卓诠艿墓芸趹?yīng)有法蘭盤或外絲口變徑接頭，以利于注管和止?jié){塞的安裝。孔口管的孔洞鉆鑿應(yīng)使用φ150鉆頭，周邊用麻絮塞緊，固定時應(yīng)壓雙液漿。（5）鉆孔注漿：鉆孔時利用能升降的萬能臺架進(jìn)行，本著先外圈后內(nèi)圈，先下部后上部，隔孔鉆注的原則，鉆一孔注一孔，嚴(yán)禁成批齊注。注漿形式有全孔一次灌注和分段兩種。鉆孔過程中，如果遇到水量特大，造成管涌、射流時，可立即采用雙液漿機(jī)對出水孔進(jìn)行注漿止水，達(dá)到終注標(biāo)準(zhǔn)結(jié)束。剩余段重新洗孔注漿，直至合格為止。每一注漿段長設(shè)計(jì)為40m。當(dāng)含水量超過40m時，注漿后開挖必須留出5m作為下一段的止?jié){巖盤。整個淺埋段含水段注完后，必須保證注漿段超過含水帶5～10m，確保地下水封堵效果。（6）洞身及仰拱開挖。（7）洞身及仰拱初期支護(hù)。（8）二次襯砌。

2.6.2 出水量0.024m3/h≤Q<2m3/h

對于地下水涌水量0.024m3/h≤Q<2m3/h的地段采用全斷面注漿止水的方法。

圖7 全斷面注漿止水

施工要點(diǎn)：

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：從F1切過隧道位置起算，提前100m進(jìn)行（左線ZK33+330，右線YK33+384開始），應(yīng)較準(zhǔn)確的查出圍巖級別、F破碎帶的起點(diǎn)、終點(diǎn)位置、含水量等指標(biāo)，可用TSP203儀和瞬變電磁儀等設(shè)備進(jìn)行測試。（2）洞身及仰拱開挖。（3）洞身及仰拱初期支護(hù)。（4）測量出注漿段涌水量。（5）加固范圍：注漿加固范圍為全斷面。鉆孔直徑為50cm，孔深L=500cm，孔間距為@150×150cm。（6）注漿段確定及注漿：確定了出水量和出水位置后，按照實(shí)測出水量及位置提前5～10m進(jìn)行劃段及打孔注漿。全斷面止水注漿在初期支護(hù)之后進(jìn)行，一般先注仰拱后注拱墻。仰拱部止水注漿時，初支砼強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到75%，拱墻部應(yīng)達(dá)到90%以上。注漿管與注漿孔直徑應(yīng)有10～20mm的差值。注漿管尾與注漿孔之間應(yīng)用棉絮塞死。注漿管設(shè)置應(yīng)盡量垂直初支環(huán)面。管口必須具備止?jié){塞。全斷層止水注漿必須分段進(jìn)行。（7）二次襯砌。

2.6.3 出水量Q<0.024m3/h

對于地下水涌水量Q≤0.024m3/h的地段，不要求進(jìn)行專門止水注漿，但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)問題：（1）應(yīng)按設(shè)計(jì)做好防水混凝土、防水隔離層、施工縫、變形縫、盲溝、排水管（溝）排水通暢。（2）加密布設(shè)14×3排水盲溝。

2.7 注意事項(xiàng)

（1）淺埋段通過F1斷層，為保護(hù)銀屏山自然保護(hù)區(qū)的地下水資源，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等措施予以核實(shí)之后，應(yīng)進(jìn)行超前深孔預(yù)注漿處理。對地下水進(jìn)行封堵處理，減少地下水排放量。（2）通過淺埋區(qū)時，應(yīng)施作小導(dǎo)管超前支護(hù)。待超前支護(hù)完成之后，方可進(jìn)行開挖工作。（3）加強(qiáng)淺埋區(qū)隧道監(jiān)控量測工作。密切把握隧道圍巖變形及襯砌受力情況，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及時調(diào)整加強(qiáng)隧道支護(hù)。（4）考慮淺埋段埋深較淺且地表有常流水，為防止爆破震裂地表圍巖導(dǎo)致地表水流入隧道洞內(nèi)，隧道通過淺埋段時盡量采用人工挖孔。爆破時應(yīng)采用微震爆破，嚴(yán)格控制裝藥量及爆破震動速度。

3 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3.1 預(yù)注漿液配比

水泥漿水灰比為1：1，水玻璃濃度35Be，水泥漿與水玻璃體積比1：0.6，緩凝劑摻量按水泥用量2%。

3.2 注漿檢查標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 深孔預(yù)注漿

檢查孔涌水量Q≤0.024m3/h，個別涌水量Q≤0.6m3/h，或在1MPa壓力下進(jìn)行壓水試驗(yàn)，進(jìn)水量Q<0.12m3/h時，可不補(bǔ)充注漿，否則應(yīng)打孔補(bǔ)注。

3.2.2 全斷面止水注漿

注漿前應(yīng)實(shí)測被注漿段涌水量Q1，注漿后再次實(shí)測涌水量Q2，若Q2<0.2×Q1，可不補(bǔ)注漿，否則應(yīng)補(bǔ)孔重注。

3.3 注漿壓力及終注標(biāo)準(zhǔn)

3.3.1 深孔預(yù)注漿

初壓取孔中靜水壓力（實(shí)測）的1.5～2倍，終壓1～2MPa保持10分鐘；或者達(dá)到單孔注漿量，亦或孔口冒漿，鄰孔串漿可終止注漿。

3.3.2 全斷面止水注漿

初始壓力0.5MPa，終壓1MPa，達(dá)到單孔注漿量；或孔口冒漿、鄰孔串漿、初支面跑漿，可終止注漿。

3.4 單孔注漿量計(jì)算

計(jì)算公式：

Q=π×R×L×n×α×β

R-注漿孔有效擴(kuò)散半徑（m）：深孔預(yù)注漿取2m。全斷面止水注漿取1m；L-注漿段長（m）：深孔注漿全孔一次注漿第I環(huán)取15m，第II環(huán)取27m，第III～V環(huán)取40m。全斷面止水注漿，取5m。如果分段注漿，按實(shí)際取值；n-圍巖孔隙率：取60%；α-填充系數(shù)：取80%；β-消耗系數(shù)：取1.1（包括灑、漏、跑漿）。

參考文獻(xiàn)

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