第三系砂泥巖隧道貫通段安全施工技術(shù)研究

李紅陽

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

由于砂泥巖遇水軟化的特性，隧道在該地段掘進(jìn)過程中常會(huì)發(fā)生涌水突泥災(zāi)害，尤其當(dāng)隧道在該段實(shí)現(xiàn)貫通時(shí)，更容易發(fā)生涌水、坍塌等事故，嚴(yán)重危及隧道施工安全，影響施工進(jìn)度，如果在施工過程中不能妥善處理，或會(huì)在隧道建成后影響其正常運(yùn)營(yíng)[1]。2005年12月，云霧山隧道右線淺埋段YK40+466發(fā)生特大突泥地質(zhì)災(zāi)害，突泥量達(dá)20 300 m3[2]；2011年9月，胡麻嶺隧道2#斜井重慶方向，掌子面拱部以上出現(xiàn)涌水涌砂，突涌量為5 000 m3[3]；自2012年3月起，程兒山隧道掌子面出水量由原來不足100 m3/d逐漸增加至200～400 m3/d[4]；2013年8月，梨尾寨隧道施工到K23+131.5處，拱部發(fā)生涌水突泥事故，涌水帶出的泥砂塊石量約有460 m3，并受涌水突泥地牽引作用，掌子面與二襯出現(xiàn)坍塌[5]?？梢姡澳鄮r隧道涌水突泥地預(yù)防與治理是一個(gè)亟待解決的問題。本文結(jié)合雙豐隧道剩余段，介紹安全貫通的綜合施工技術(shù)，對(duì)同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

2 工程概況

濱綏鐵路牡丹江至綏芬河擴(kuò)能改造工程施工Ⅳ標(biāo)段雙豐隧道位于黑龍江省東寧縣，穿越剝蝕丘陵區(qū)，為雙線隧道，總長(zhǎng)7 237 m，最大埋深140 m。隧區(qū)屬東北新華夏構(gòu)造體系第二隆起帶——老爺嶺隆起，為低山丘陵地貌。隧道表覆第四系坡洪積層及玄武巖蓋層，下伏基巖為花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、安山玢巖，中間沉積軟弱第三系砂泥巖，砂泥巖與基底古風(fēng)化殼接觸面在洞身附近起伏很大，隧道多次穿過第三系砂泥巖與基底古風(fēng)化殼相對(duì)低凹的富水地段。第三系砂泥巖易被水軟化、沖蝕，形成突泥、流砂和塌方[6]。隧道59 m剩余段落處于第三系砂泥巖地層中，且極其富水，可能出現(xiàn)坍塌變形、涌水涌泥，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

3 涌水涌泥情況

雙豐隧道洞身先后于2012年7月7日在DK466+608發(fā)生較大規(guī)模涌水涌泥、2013年9月23日在DK466+565處塌方并引發(fā)涌水涌泥。

(1)2012年7月7日，2#斜井正洞上臺(tái)階開挖至DK466+608，掌子面右上方及拱頂出現(xiàn)一塊面積約為2 m2的泥質(zhì)砂巖，作業(yè)臺(tái)架處有異常響動(dòng)(被擠壓)，掌子面出現(xiàn)開裂，掌子面上方水量逐漸增大并夾有掉塊，涌水量持續(xù)增大，由50 m3/h左右增至130 m3/h。為保證安全，立即組織所有施工人員撤離，隨即掌子面拱部迅速涌入大量泥水混合物，72 m上臺(tái)階已基本涌滿，估算方量在5 000 m3左右。

(2)2013年9月22日，2#斜井正洞掌子面DK466+544拱頂沉降突然加大，當(dāng)天累計(jì)達(dá)到26 cm，左右支撐焊接處脫焊及掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，滲水面積加大，滴水量變大。為保證安全，撤離人員、設(shè)備，并組織人員從洞外拉渣由仰拱端頭處向內(nèi)進(jìn)行反壓回填。9月23日，DK466+565拱頂處拱架塌腰折斷，并發(fā)生突水突泥，二襯臺(tái)車被擠出1個(gè)臺(tái)車位，突泥方量累計(jì)約7 500 m3，并且出水量明顯增大，約350 m3/h，750 m長(zhǎng)的中心水溝管約有1/3被淤堵。

(3)具體原因分析

隧道通過不同巖性地層的接觸帶，起伏變化大，巖性復(fù)雜、軟硬變化大，尤其是第三系砂巖膠結(jié)差，地下水發(fā)育及漏斗形儲(chǔ)水構(gòu)造是造成兩次涌水突泥的主要因素[7]。

4 施工技術(shù)重難點(diǎn)

(1)隧道剩余段落處于第三系砂泥巖地層中，為漏斗形儲(chǔ)水構(gòu)造，洞身拱部上方地質(zhì)有5～10 m左右的不透水泥巖層，泥巖上方為富水砂巖，經(jīng)鉆孔測(cè)量水頭高度最大時(shí)有60 m高，可能出現(xiàn)坍塌變形、涌水涌泥，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高。如何保證開挖輪廓外6 m加固圈不被破壞，防止地下水滲入增加洞身壓力，控制變形、防止塌方是施工技術(shù)的重難點(diǎn)。

(2)巖石飽和抗壓強(qiáng)度低(極軟巖)，失水易開裂崩解，遇水軟化膨脹，強(qiáng)度急劇降低，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖軟弱破碎，穩(wěn)定性差且上覆第三系富水泥質(zhì)粉砂巖。如何快速施工、快速封閉成環(huán)，以及施工質(zhì)量和精確度是施工控制的重難點(diǎn)。

(3)隧道地質(zhì)極復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，且工期壓力較大，開挖剩余段落DK466+478～DK466+527，要求帷幕注漿30 d，開挖、支護(hù)、仰拱及二襯45 d完成十分困難。

5 砂泥巖段貫通施工技術(shù)

對(duì)砂質(zhì)泥巖與安山玢巖接觸帶涌水涌泥段泄水降水減壓技術(shù)和超前加固技術(shù)進(jìn)行研究分析后，確定先進(jìn)行帷幕注漿再采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱+中立柱的開挖方法。

富水砂泥巖隧道貫通段采用全方位、立體式、泄水、降水、減壓措施，同時(shí)配合使用帷幕注漿、回填注漿、徑向注漿、局部注漿等多種超前加固手段，利用機(jī)械配合人工開挖，減少擾動(dòng)、快速施工。充分利用圍巖土體自承能力，做好初期支護(hù)，并形成強(qiáng)大的內(nèi)支撐系統(tǒng)，分部、分塊掘進(jìn)施工，堅(jiān)持“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、快成環(huán)”的施工原則，根據(jù)圍巖變形量測(cè)數(shù)據(jù)，確定合理的預(yù)留變形量以及拱架的加工弧度，使拱架圓順、支護(hù)結(jié)構(gòu)整體均勻受力，對(duì)于地質(zhì)差、變形大的部位，采取加強(qiáng)措施控制變形量，對(duì)于地質(zhì)相對(duì)較好、變形較小的部位，快速施工。

5.1 綜合泄水、降水、減壓施工方法

貫通段采用綜合泄水、降水、減壓施工方法，如圖1所示。包括地表降水井1、洞身拱部泄水孔2、地表向正洞6及平導(dǎo)洞7、拱部的泄水孔3、隧道基底降水井4、平導(dǎo)7向正洞6拱部斜上方的泄水孔5。

隧道在通過富水泥巖地段時(shí)，最先施作洞身拱部泄水孔，通過泄水孔的作用，達(dá)到降水減壓的目的。如果拱部泄水孔達(dá)不到降水減壓的目的，說明該地區(qū)圍巖地下水豐富，施作地表降水井、平導(dǎo)向正洞打設(shè)泄水孔、由地表向正洞和平導(dǎo)拱頂上方打設(shè)泄水孔，最后打設(shè)隧道和平導(dǎo)基底降水井，用以排出隧道內(nèi)滲流水系。

5.2 全斷面超前注漿加固施工方法

(1)上斷面止?jié){墻與鉆機(jī)施工平臺(tái)施工

為滿足鉆機(jī)作業(yè)施工及開孔布置要求，作業(yè)平臺(tái)表面采用C25模筑混凝土，厚度30 cm，與上斷面止?jié){墻連接成為整體，形成凈空5 m、長(zhǎng)不小于10 m的鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)。止?jié){墻澆筑前，需對(duì)止?jié){墻基底進(jìn)行注漿加固，確保止?jié){墻基底承載力。止?jié){墻采用C30混凝土澆筑，厚3 m(見圖2)。

圖2 止?jié){墻基底加固示意

(2)注漿孔布設(shè)

根據(jù)施工現(xiàn)狀，在隧道剩余段落上半斷面開孔對(duì)全斷面進(jìn)行注漿加固。全斷面超前注漿單側(cè)加固長(zhǎng)度31 m，兩側(cè)縱向搭接長(zhǎng)度3 m，徑向加固范圍為開挖輪廓線外6 m(見圖3～圖4)。

圖3 上臺(tái)階開孔示意

圖4 全斷面注漿加固縱剖面

(3)注漿工藝及方式

①全斷面超前注漿采用前進(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，前進(jìn)式注漿分段距離為3～5 m，鉆桿后退式分段注漿分段長(zhǎng)度為1.5～2 m，施工中可根據(jù)地質(zhì)和實(shí)際情況調(diào)整。

②注漿施工采用多功能地質(zhì)鉆機(jī)開φ130 mm孔，開孔深1.8 m，安設(shè)2 m長(zhǎng)φ108 mm孔口管，并安設(shè)止水閘閥，再通過孔口管鉆設(shè)φ90 mm的孔進(jìn)行注漿施工。

③先進(jìn)行終孔斷面注漿孔鉆注施工，再對(duì)補(bǔ)充斷面孔進(jìn)行注漿施工。

(4)超前注漿參數(shù)

超前注漿加固設(shè)計(jì)參數(shù)[8]見表1。

表1 注漿參數(shù)

(5)注漿材料

注漿材料以快硬硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔。施工過程可根據(jù)地質(zhì)情況及地層吸漿情況進(jìn)行材料種類及配比調(diào)整，見表2。

表2 注漿材料參數(shù)

5.3 超前錨固及支護(hù)施工方法

(1)玻璃纖維錨桿及抗滑錨管錨固

為了穩(wěn)定工作面，超前注漿孔均下入玻璃纖維錨桿和抗滑錨管。在注漿結(jié)束后，開挖輪廓線外注漿孔內(nèi)下入φ42 mm抗滑錨管，在開挖輪廓線內(nèi)下入外徑為25 mm玻璃纖維錨桿，注漿段全段通長(zhǎng)布設(shè)，并進(jìn)行注漿作業(yè)。

(2)超前大管棚支護(hù)

如圖5所示，注漿結(jié)束后在兩側(cè)掌子面沿拱頂開挖輪廓線內(nèi)30 cm環(huán)向144°布設(shè)超前大管棚，環(huán)向中心間距33 cm，外插角6°，共布設(shè)53根，兩側(cè)管棚縱向搭接3 m，管棚孔可兼作周邊上斷面檢查孔和補(bǔ)充注漿孔。大管棚外徑為108 mm，壁厚8 mm，節(jié)長(zhǎng)2～3 m。溢漿孔沿管壁梅花形布設(shè)，孔間距50 cm，孔徑6～8 mm。管棚段間采用φ95 mm無縫鋼管作為內(nèi)襯管進(jìn)行焊接連接。管棚施工采用φ125 mm鉆頭引孔，施工時(shí)采取跳孔作業(yè)，兼作上半斷面檢查孔，以利于補(bǔ)充注漿。管棚安設(shè)過程中接頭應(yīng)交錯(cuò)，同一斷面上接頭少于50%。管棚安設(shè)完成后進(jìn)行全孔一次性注漿。管棚注漿材料、參數(shù)同超前加固注漿。

圖5 管棚布置

5.4 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱+中立柱法施工方法

如圖6所示，該方法主要適用于砂泥巖與其它巖層接觸帶變形較大段、涌水涌泥潰口段及影響段。

圖6三臺(tái)階臨時(shí)仰拱+中立柱法示意

施工步驟[9]如下：

(1)利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護(hù)，開挖上臺(tái)階，即①部，臺(tái)階高度約為3.5 m，每次開挖長(zhǎng)度為0.6 m(1榀鋼架間距)，立即分別初噴10 cm和5 cm厚C30高強(qiáng)混凝土封閉掌子面和洞周后，及時(shí)施作初期支護(hù)、鎖腳錨管、臨時(shí)仰拱和臨時(shí)中立柱。

(2)待上臺(tái)階超前3～5 m后，左右側(cè)交替開挖中臺(tái)階，即②部，臺(tái)階高度約為3.6 m，單側(cè)每次開挖長(zhǎng)度為0.6 m(1榀鋼架間距)，施作洞身結(jié)構(gòu)初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱、鎖腳錨管并接長(zhǎng)臨時(shí)中立柱。

(3)中臺(tái)階超前3～5 m后，左右側(cè)交替開挖下臺(tái)階，即③部，單側(cè)每次開挖長(zhǎng)度為0.6 m(1榀鋼架間距)，及時(shí)施作初期支護(hù)、鎖腳錨管并接長(zhǎng)中立柱。

(4)下臺(tái)階超前3～5 m后，開挖仰拱，每次開挖長(zhǎng)度不超過3 m，并及時(shí)封閉仰拱初期支護(hù)，施作仰拱二次襯砌Ⅳ部和仰拱填充Ⅴ部。

(5)待隧道成洞6～8 m后，逐榀拆除臨時(shí)中立柱，利用襯砌模板臺(tái)車一次性灌注Ⅵ部二次襯砌(拱墻襯砌一次施作)。

(6)當(dāng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂沉降變形持續(xù)不收斂時(shí)，上、中、下臺(tái)階可左右錯(cuò)開3～5 m施工，每臺(tái)階噴射20 cm厚混凝土形成中隔壁。

(7)當(dāng)隧道成洞后監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示變形速率一直呈收斂趨勢(shì)，且鄰近段落上中臺(tái)階開挖后初期支護(hù)累計(jì)變形不超過8 cm、仰拱封閉后初期支護(hù)累計(jì)變形不超過12 cm時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可結(jié)合施工條件調(diào)整中、下臺(tái)階的臨時(shí)中立柱。

6 施工技術(shù)效果評(píng)定及結(jié)論

(1)在富水砂泥巖隧道貫通施工中，貫通點(diǎn)附近是受力最薄弱的地段，初期支護(hù)臨空面大，易造成初支開裂、變形甚至塌方、涌水、涌泥。

(2)采取超前注漿加固方法能防止地下水對(duì)隧洞周圍土體的滲入，對(duì)隧洞周圍及前方地層土體進(jìn)行加固改良，有效降低了隧道開挖支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)并加快施工節(jié)奏。

(3)通過采用綜合泄水降水、超前預(yù)加固、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱+中管柱、臨時(shí)中立柱支撐相結(jié)合的方法，一方面降低了水壓，改良了土質(zhì)，加固了地層；另一方面由于開挖方法比較靈活，能減少圍巖的擾動(dòng)，初期支護(hù)能快速封閉成環(huán)。及時(shí)施作縱橫向鋼管柱支撐及φ89鎖腳，控制了貫通段圍巖的變形，加快了施工進(jìn)度，保證了施工安全，確保了隧道順利貫通。