大瑞鐵路高黎貢山隧道施工挑戰(zhàn)與對策

卓 越， 高廣義

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，長大深埋鐵路隧道數(shù)量逐年增多[1]，施工環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復雜、技術(shù)難度大等問題日益突出，施工中面臨的風險日益加大，主要有以下幾點: 1)建設前期難以準確探清全隧范圍內(nèi)的詳細地質(zhì)信息，導致復雜地質(zhì)問題難以提前判知，加大了施工中的風險[2]； 2)隧道的埋深大，在高地應力作用下易產(chǎn)生軟巖大變形和硬巖巖爆問題； 3)地下水和大型斷層破碎帶一直以來是長大山嶺隧道面臨的重要難題； 4)鐵路深大豎井和TBM施工在長大隧道逐步推廣應用，施工經(jīng)驗欠缺。

目前，國內(nèi)學者針對長大隧道施工難題進行了相關(guān)研究[3-16]。桂書超[3]介紹了長大鐵路隧道施工中所面臨的洞內(nèi)施工環(huán)境狹小、隧道深埋較大、地質(zhì)條件等工程難題，并結(jié)合實際施工情況提出了相應的解決方案。張梅等[4]依托蘭渝鐵路木寨嶺隧道，進行了高地應力軟巖隧道圍巖分級，制定初期支護破壞準則，同時建立了地應力合理釋放與有效約束之間的平衡，并從設計和施工入手制定控制變形的措施，有效控制了大變形發(fā)生。陳麗娟等[5]針對礦山豎井掘進過程中遇到的涌水，采用地表深孔預注漿和工作面預注漿技術(shù)，使豎井工作面涌水量控制在安全范圍內(nèi)，取得了很好的效果。魏文杰[6]結(jié)合中天山隧道TBM過花崗巖節(jié)理密集帶，采用刀盤內(nèi)施作超前自進式錨桿、注新型聚氨脂化學漿液、圍巖出護盾后徑向注漿補加固等方法，有效地控制了圍巖變形坍塌，提高了設備利用率，確保TBM安全掘進。本文以高黎貢山隧道進場施工3年來各工點遭遇的地質(zhì)難題為依托，研究復雜地質(zhì)條件下隧道施工的成套關(guān)鍵技術(shù)，以期為今后長大難隧道的建設提供參考。

1 工程概況

高黎貢山隧道是我國第一條穿越橫斷山脈、地形地質(zhì)條件極為復雜的國家Ⅰ級干線鐵路隧道，工程地質(zhì)條件差，施工難度極高，工程建設風險突出，其工程規(guī)模、建設難度與工程風險，在目前國內(nèi)隧道施工領域首屈一指。隧道全長34.538 km，最大埋深1 155 m。洞內(nèi)為 “人”字坡。上坡段21.8 km最大線路坡度為23.5‰，下坡段12.74 km最大線路坡度為9‰。全隧采用“貫通平導+1座斜井+2座豎井”的輔助坑道設置方案[7]，出口段采用TBM 法和鉆爆法相結(jié)合施工，其中TBM施工段長10.180 km。高黎貢山隧道線路布置如圖1所示。

2 現(xiàn)場施工過程中的地質(zhì)難題

自2015年12月工程開工以來，各工點地質(zhì)難題不斷涌現(xiàn)，施工難度和風險逐步遞增，主要表現(xiàn)在4個方面。

1)1#斜井在高地應力作用下圍巖變形控制問題。1#斜井采用主、副井設置，長度3 850 m，施工過程中，后方初期支護持續(xù)變形，共計進行6次停工處理變形段落。變形段落初期支護混凝土開裂、掉塊嚴重，局部段落鋼架扭曲呈“S”、“Z”型(如圖2所示)，初期支護失效。該變形段埋深400 m，揭示圍巖為灰色板巖，弱風化，薄-中厚層，層間結(jié)合較差，左側(cè)圍巖受構(gòu)造影響，巖體破碎，右側(cè)巖體較破碎-破碎，巖層產(chǎn)狀： N30°W/73°SW，節(jié)理裂隙較發(fā)育。變形特點為： 1)變形部位多分布于兩側(cè)拱腰，連接板下部； 2)破壞力極強，I20拱架扭曲成“Z”型； 3)高地應力空間分布呈現(xiàn)“上下小、兩側(cè)大”的形式。

圖2 斜井鋼拱架扭曲變形情況

2)1#豎井富水高角度裂隙施工治水問題。1#豎井采用主、副井設置方式，井深764 m，根據(jù)井檢孔探測顯示整個井筒為混合花崗巖強風化層，共13段，分布較分散，總厚度為124 m。主井掘進至130 m時涌水達30 m3/h，副井在132 m處超前鉆孔涌水量達70 m3/h。開挖揭示圍巖破碎、裂隙發(fā)育且以高角度為主、走向和連通不規(guī)律、裂隙與周邊及上部補水渠道暢通、水量大小及位置難以預測。

據(jù)施工統(tǒng)計，一般井筒內(nèi)涌水量小于5 m3/h時，月進度達100 m左右；當涌水量在10～20 m3/h時，月進度僅為30 m左右；當涌水量超過20 m3/h時，井筒施工難度極大。施工過程中，必須提前對井筒內(nèi)涌水進行封堵，才能確保安全掘砌。副井超前鉆孔突涌水見圖3。

圖3 副井超前鉆孔突涌水Fig. 3 Water gushing in pilot hole of auxiliary shaft

3) 2#豎井井筒穿越大區(qū)段擠壓破碎帶超前加固問題。2#豎井采用主、副井設置方式，井深642 m，井檢孔探測顯示井筒巖體受構(gòu)造擠壓影響，巖體完整性差，間斷出現(xiàn)巖體擠壓破碎帶、構(gòu)造影響帶(補勘孔部分巖芯樣如圖4所示)。構(gòu)造影響帶共14處，總厚度63.2 m，含水層7層，分布深度位于80～580 m，根據(jù)抽水試驗確定巖層滲透系數(shù)K后，最大涌水量出現(xiàn)于第④含水層，為71.92 m3/h，厚度為31.95 m。含水層分布深度及預測最大涌水量詳見表1。

圖4 2#豎井補勘孔部分巖芯照片

Fig. 4 Photo of cores from #2 vertical shaft supplementary exploration borehole

表1 2#豎井含水層分布及涌水量預測

2#豎井地質(zhì)差，出水段多，井筒掘砌過程中易發(fā)生片幫、抽幫、突水等事故，必須對井筒系統(tǒng)加固處理后才能保證豎井順利到底。

4)敞開式TBM穿越不良地質(zhì)卡機問題。出口大小TBM在掘進過程中先后2次通過巖性接觸帶，6次通過節(jié)理密集帶，1次通過斷層破碎帶等不良地層，遭遇多次掘進緩慢和5次卡機。揭示地層均為糜棱化花崗巖，圍巖整體破碎，強度低，整體呈碎顆粒狀砂石，穩(wěn)定性差，地下水較發(fā)育，破碎巖體遇水則成流沙狀，發(fā)生涌渣、涌泥及涌水現(xiàn)象，造成TBM掘進困難?？C圖片如圖5和圖6所示。

圖5 破碎圍巖抱死TBM護盾

3 問題對策及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 1#斜井井身初期支護變形控制技術(shù)

3.1.1 變形成因分析

1)高地應力和圍巖強度低。依據(jù)地應力測試成果，測試點位置附近的地應力狀態(tài)以水平方向的構(gòu)造應力為主，這一點與西南地區(qū)的宏觀整體地應力表現(xiàn)基本一致，也與監(jiān)控量測顯示出的周邊收斂值始終大于拱墻下沉值基本一致。雖然絕對地應力值不高，但初始強度應力比、圍巖強度應力比均表現(xiàn)出處于極高的地應力狀態(tài)，大變形風險高，加之巖塊的飽和抗壓強度雖然屬于次硬巖，整體看不屬于軟弱圍巖，但存在薄層板巖，圍巖整體的強度將進一步降低，因此局部高地應力、圍巖強度低是發(fā)生大變形的主要因素。

圖6 刀倉內(nèi)糜棱化巖體

2)群洞效應。初步數(shù)值分析結(jié)果顯示： 緩傾層狀地層由于層間軟弱帶及節(jié)理的存在，隧道開挖后的應力場與位移場形式與均質(zhì)地層相比將有所變化，其主方向由豎直方向變?yōu)榇怪庇趯永矸较?，且位移出現(xiàn)明顯的增大；圍巖的層理及軟弱夾層的存在弱化了圍巖強度，改變了地層結(jié)構(gòu)，使得圍巖變形的趨勢及大小均發(fā)生了較大變化。因此，群洞效應對隧道圍巖發(fā)生大變形有一定影響。

3)隧道埋深。變形段埋深約300 m，埋深較淺；按照埋深自重計算的垂直應力約為7.5 MPa，實測垂直主應力10.3 MPa，兩者差距2.8 MPa，因此埋深也是決定隧道圍巖發(fā)生大變形發(fā)生的因素。

3.1.2 變形控制措施

1)變形地段優(yōu)先選擇“早成環(huán)、快封閉”的施工工法。具備條件的可采用全斷面法或微臺階法施工[8]。

2)合理設置開挖輪廓線曲率。①主井仰拱開挖應加大仰拱曲率。 ②副井由直墻改為曲墻并增加仰拱。 ③初期支護封閉成環(huán)的位置距掌子面應不大于2倍洞徑。

3)加強支護措施。 ①優(yōu)先采用型鋼鋼架全環(huán)支護，鋼架縱向連接，必要時采用槽鋼等型鋼。②采用長短錨桿結(jié)合的群錨方式。短錨桿施作快速便捷，用于初期變形控制，為長錨桿創(chuàng)造施作時機，同時后期長短結(jié)合形成群錨效應。短錨桿采用砂漿錨桿或樹脂錨桿；長錨桿采用普通中空錨桿、YE錨桿。

3.2 富水高角度裂隙下花崗巖豎井防治水施工技術(shù)

以“有掘必探、先探后掘”原則施工，施工中采取 “探、注、掘”三大工序轉(zhuǎn)換施工，每次工作面探水注漿長度80 m，允許掘進70 m。首先施作4個探水孔，采用下行式注漿方式，注漿孔沿井筒均勻布設，主井13個(副井12個)注漿孔(其中1#、4#、7#、10#4個兼作探孔)，孔口管距井筒襯砌內(nèi)輪廓線60 cm，各注漿孔等間距均勻布置，終孔位置距豎井開挖輪廓線為3 m，注漿孔豎向外插角度為4°。

經(jīng)現(xiàn)場試驗，普通硅酸鹽水泥注漿吸漿量小，將注漿材料調(diào)整為超細水泥，吸漿量大幅提升。初步分析原因： 花崗巖風化成的高嶺土等礦物細度約為300目，但普通水泥的細度也是300目，造成普通水泥顆粒很難通過裂隙，800目以上的超細水泥能夠比較輕松的通過裂隙。注漿壓力為靜水壓力的2～4倍，漿液水灰比為(0.8～1)∶1。經(jīng)主、副井各9個階段“探、注、掘”循環(huán)施工，各循環(huán)開挖過程中裂隙滲水量較小，每段高累計出水量小于5 m3/h，井壁穩(wěn)定，無井壁偏幫現(xiàn)象。注漿堵水效果較好，襯砌后，井壁出水點及滲水量明顯減少，縮短了壁后注漿時間；掘砌過程中抽排水時間減少，保證了混凝土澆筑質(zhì)量。工作面預注漿孔口布置如圖7所示。

圖7 工作面預注漿孔口布置圖(單位： mm)Fig. 7 Layout of pre-grouting holes in working face (unit: mm)

3.3 豎井井筒地面深孔S型預注漿施工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 鉆注設計

1)鉆孔布置。由于目前2#豎井場坪設備已安裝，同時為降低造孔難度，便于注漿孔造斜及降斜，在主、副井各布置3臺鉆機，施作6個S型孔鉆孔，分為2序施工，其中SZ1-1、SZ2-1和SZ3-1為1序孔，SZ1-2、SZ2-2和SZ3-2為2序孔，1、2序孔共用垂深0～50 m，2序孔為分支孔。2#豎井主、副井S孔軌跡示意圖如圖8所示。S型鉆孔軌跡如圖9所示。

(a) 主井

(b) 副井

Fig. 8 Schematic diagram of S-shape borehole trajectory of #2 main and auxiliary vertical shafts

圖9 S型鉆孔軌跡圖

2)鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔開孔鉆至50 m處，下套管并注漿固管。1序孔定向鉆進至垂深250 m入靶，之后鉆至鉆孔設計垂深590 m處； 1序孔注漿完成后施工2序孔，2序孔從1序孔垂深50 m處施作分支，定向鉆進入靶后至垂深250 m，后鉆至鉆孔設計垂深590 m處。2#豎井主、副井S孔鉆孔結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

先施工的孔兼作注漿前水量檢查孔，后施工的孔作為注漿質(zhì)量檢查孔。

圖10 2#豎井主、副井S孔鉆孔結(jié)構(gòu)圖(單位： m)

Fig. 10 Structural diagram of S-shape boreholes for #2 main and auxiliary vertical shafts (unit: m)

3)注漿段高及漿液擴散半徑。為保證注漿鉆孔可實施性，采用分段下行式注漿，由上而下分段，在同一段內(nèi)鉆孔與注漿交替進行。

注漿孔終孔深度應伸入含水層下方完整基巖不透水層10 m。注漿上限為第④含水層頂部270 m處，注漿下限為第⑦層含水層下10 m，即深度590 m。

根據(jù)GB 50511—2010《煤礦井巷工程施工規(guī)范》，漿液有效擴散半徑宜為8～10 m，結(jié)合高黎貢山隧道2#豎井注漿段地質(zhì)情況，地面預注漿漿液擴散半徑按9 m考慮。

4)注漿材料。結(jié)合豎井建井施工的特點，本次方案中地面注漿以堵水為主要目標，兼顧一定的圍巖加固作用，同時結(jié)合含水層滲透系數(shù)的大小、漿液配合比的精度和施作工藝控制的難易程度，因此，固管段選擇單液水泥漿，地表注漿選擇黏土-水泥漿作為主要的注漿材料，若遇到漏漿嚴重的層段，可采用水泥-水玻璃漿作為補充注漿材料。

5)注漿段劃分及注漿壓力。垂深250～270 m段設置止?jié){巖帽，巖帽段注水泥漿，270～590 m注漿范圍共劃分為11個注漿段，注漿材料為黏土-水泥漿。

3.3.2 注漿情況及工藝要點

1序孔先行施工，分段注漿至590 m垂深后，開始2序孔施工及豎井井身掘砌。副井1序孔施工過程中遭遇30 m厚破碎帶，成孔困難，及時將下行式注漿調(diào)整為上行式注漿。

工藝要點： S孔造孔精準度、黏土水泥漿配置及分段注漿的漿液防止上串是工藝控制重點，現(xiàn)場使用JDT-6型陀螺測斜儀每30 m進行一次測試與設計值對比，如出現(xiàn)孔位偏移，采用泥漿動能驅(qū)動螺桿鉆具進行糾偏；通過陀螺儀定位在造孔過程中的適時糾偏來確保造孔精準度，通過黏土質(zhì)量控制、制漿流程監(jiān)控確保漿液質(zhì)量，通過止?jié){塞的精準定位來防止?jié){液上串。

3.3.3 效果驗證

2#豎井地面深孔S型預注漿歷時5個月完成，累計完成造孔工程量7 080 m，黏土水泥漿51 494 m3，經(jīng)壓水試驗檢查，滿足結(jié)束標準。目前主井已累計開挖417 m，副井累計開挖390 m，從開挖揭示情況來看，井筒范圍內(nèi)黏土漿液充填痕跡明顯，井筒內(nèi)滲水量小于5 m3/h，注漿效果較好，達到預期效果。

3.4 敞開式TBM穿越糜棱化花崗巖施工關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 方案設計

1)加強TBM段地質(zhì)預報工作。采用TSP和激發(fā)極化法2種物探方式相互驗證，異常段落采用超前地質(zhì)鉆進行驗證，做到提前預判，提前處理。

2)當糜棱化花崗巖段落范圍小于5 m或浸入隧道范圍小于1/4時，則通過化灌盾體周邊加固、刀盤前方局部掏渣等手段加固。

3)當糜棱化花崗巖段落距離長(大于10 m)，需要進行超前加固時，采用施作小導洞法施工，在導洞內(nèi)進行超前注漿和管棚施工。

3.4.2 盾體周邊加固

1)漿液類型選擇。因TBM工法特殊性，盾體注漿位置處于刀盤及護盾周邊，無法做到漿液與設備的隔離。通過調(diào)研分析和現(xiàn)場試驗，TBM盾體周邊注漿宜采用化學漿液，具有低黏度、高強度、高黏結(jié)力、發(fā)泡倍數(shù)高(可適時調(diào)整)、可灌性等優(yōu)點。化學漿液對巖體有黏結(jié)作用，但不會將設備與巖體固結(jié)在一起(已經(jīng)過多次驗證)，化學漿液的固結(jié)體與鋼材黏結(jié)力差，不會使設備抱死。

化學漿液分為堵水型及加固型，在腰部集中出水點灌注堵水型漿液，其余部位均采用加固型漿液。

2)化灌注漿施工。考慮TBM設備的特殊性，刀盤前方不可安裝鐵管(后續(xù)掘進時鋼材損壞刀盤、刀具及皮帶機等設備)，因此刀盤前方需采用自進式玻璃纖維管作為注漿管，護盾上方采用φ42小導管。注漿管位置根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況及刀盤內(nèi)空間確定，破碎松散處安裝。

3.4.3 小導洞施工

在護盾頂部人工開挖小導洞并向兩邊擴挖，將刀盤上方、前盾頂部的積渣進行清理，恢復刀盤轉(zhuǎn)動，同時利用擴大洞室，施作超前管棚對前方不良地質(zhì)圍巖進行超前加固，以及進行護盾前端卷邊變形整修工作，完成后TBM掘進通過。

施作小導洞的主要目的是為護盾上方盾尾至刀盤之間提供一個施工通道，兼顧用于掌子面后方護盾周邊擴挖施工。小導洞布置位置為正拱頂，自盾尾后方2榀拱架之間開口進入，小導洞內(nèi)凈空高度1.3 m，拱部寬度1.2 m，長度6.25 m，采用化灌周邊固結(jié)+方木臨時支撐+HW150型鋼支撐架+140 mm槽鋼縱連+鎖腳錨管+超前小導管+噴射混凝土(視圍巖情況)聯(lián)合支護，小導洞結(jié)構(gòu)如圖11所示。

(a) 小導洞剖面圖(A-A)

(b) 小導洞縱面圖(俯仰圖)

圖11小導洞結(jié)構(gòu)示意(單位： mm)
Fig. 11 Structural schematic diagram of small pilot tunnel (unit: mm)

小導洞開口位置選擇在正拱頂最后2榀拱架之間，開口前需對該處及周邊徑向化灌注漿加固，然后割除開口處TBM初期支護，人工自下而上開挖，開挖完成后進行初期支護。

3.4.4 擴挖段施工

小導洞施作完成后，利用導洞沿著護盾環(huán)向向左右兩側(cè)開挖，開挖范圍為拱部162°，高度1.3 m(凈高)，長度2 m。上半斷面擴挖分6部，按照①-⑥的順序施工，不可同時進行2個部位的開挖，每部開挖支護完成后方可進行下一部，如圖12所示。開挖采用人工手持風鎬施工，渣體裝袋人工轉(zhuǎn)運至皮帶上輸送至礦車。開挖過程中采用木板+方木+鋼插板的臨時支撐體系進行防護。

圖12 擴挖斷面正視圖(單位： mm)

3.4.5 超前管棚施工

利用上斷面擴挖空間，施作φ76超前中管棚對前方圍巖進行支護。管棚長度一般為25 m，施作范圍為拱部120°，間距40 cm，共計22根。考慮長距離管棚施作成拋物線狀前端會向下垂，因此管棚角度考慮為斜向上3～5°，理論上最前端距離隧道輪廓線2 m[17]。

3.4.6 現(xiàn)場實踐

敞開式TBM采用小導洞法處置糜棱化花崗巖不良地段，在開始掘進前，綜合評估加固效果、試轉(zhuǎn)刀盤、清理完成護盾底部及仰拱塊端頭渣體具備立拱及仰拱塊安裝條件，掘進時采取“三低(低推力、低轉(zhuǎn)速、低貫入度)、一快(快速支護封閉)、一連續(xù)(連續(xù)施工)、寧慢勿停”的掘進原則。具體參數(shù)及注意事項如下： 1)刀盤轉(zhuǎn)速控制在約1.5 r/min。2)掘進過程中時刻觀察1#皮帶壓力及渣量情況，當皮帶機壓力過大時(接近11 MPa)，啟動皮帶機脫困模式，最大極限壓力可達到15.8 MPa； 當皮帶機壓力達到極限壓力值時，必須停止推進原地轉(zhuǎn)刀盤或向后退刀盤，降低1#皮帶機壓力。3)推進時注意觀察主電機電流，將電流控制在360 A以內(nèi)，刀盤最大扭矩不能超過9 000 kN·m。

從已通過的5處卡機處理情況看，卡機處理綜合施工效率達到0.8～1 m/d，取得較好效果，主要表現(xiàn)在以下方面： 1)導洞可以提供超前支護作業(yè)空間，有效避免自盾尾打設管棚造成的外插角過大、長距離管棚失效的問題； 2)導洞可向兩邊繼續(xù)進行擴挖，對于護盾被卡同樣有效； 3)利用導洞對刀盤周邊積渣進行清理加固，相對于刀盤內(nèi)施作，施工作業(yè)空間增大，速度及效率提高。

4 結(jié)論及建議

本文針對高黎貢山隧道施工地質(zhì)難題開展研究與分析，并總結(jié)出了一系列處置關(guān)鍵技術(shù)。同時，結(jié)合類似工程施工特點提出以下建議：

1)針對斜井軟巖變形采用“早成環(huán)、快封閉”、合理設置開挖輪廓線曲率、加強支護的綜合防護技術(shù)，達到了初期支護不破壞、不拆換的目的。

2)富水高角度裂隙下花崗巖豎井施工應優(yōu)先采用“有掘必探、以堵為主、堵排結(jié)合”的施工原則，將井筒掌子面涌水量(含井壁滲、淋)控制在10 m3/h以下，降低淹井風險。

3)采用S孔深孔地面預注漿對大區(qū)段擠壓破碎帶井筒進行堵水加固，可以避免井筒淹井的風險，進而保障井筒掘進過程中的人員及設備安全。

4)采用小導洞工法通過刀盤頂部作業(yè)空間，對刀盤前方及上部圍巖進行超前加固和支護，改良圍巖條件，確保TBM 能安全、順利地通過糜棱化花崗巖破碎圍巖。