新建隧道穿越巨型暗河溶洞注漿加固技術(shù)研究

賀玉朋

（北京瑞威世紀(jì)鐵道工程有限公司，北京101499）

1 工程概況

玉京山隧道掘進(jìn)D3K279+948 處出現(xiàn)了巨型巖溶大廳、暗河，溶洞橫向長(zhǎng)度約230 m，寬約93 m，大致呈長(zhǎng)方形，溶洞頂部呈穹隆狀，大廳垂直高度在45～130 m 不等，隧道頂部位于溶洞大廳頂部附近。發(fā)育暗河位于隧道軌底以下約130 m，與線路組合極為不利。為保證隧道施工安全及后期運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)隧道巨型溶洞采用暗河改道+溶洞回填+隧道暗挖+橋梁跨越的總體設(shè)計(jì)方案。

2 技術(shù)方案研究

為保證隧道暗挖拱頂、洞身的穩(wěn)定性和開(kāi)挖施工安全，以及隧道后期運(yùn)營(yíng)基底承載力，采用溶洞頂板低預(yù)應(yīng)力全黏結(jié)性錨索+側(cè)向剛性袖閥管+基底剛性袖閥管注漿加固3 項(xiàng)措施。

3 注漿設(shè)計(jì)方案

3.1 注漿加固范圍

1）先對(duì)溶洞頂板低預(yù)應(yīng)力全黏結(jié)錨索注漿加固，采用豎直向上布置的方式，孔間距2.0 m（環(huán)）×3.0 m（縱），孔徑為φ140 mm，鉆孔長(zhǎng)度為25 m。錨索設(shè)計(jì)拉力值為1 200 kN，鎖定時(shí)預(yù)加力為100 kN。采用9 束直徑為φ15.2 mm 環(huán)氧涂層鋼絞線制作，環(huán)氧涂層鋼絞線抗拉強(qiáng)度不小于1 860 MPa。

2）再對(duì)隧道側(cè)向開(kāi)挖輪廓線以外15 m 注漿加固，采用剛性袖閥管，沿線路方向孔間距為2.5 m，每個(gè)斷面注漿孔終孔間距為3 m[1]。

3）最后，隧道開(kāi)挖至底板預(yù)埋導(dǎo)向管，進(jìn)行底板澆筑、基底鉆孔注漿加固施工。采用剛性袖閥管，采用2 m×2 m 矩形布置，孔間距為2 m，深度33.5 m，其中，55 孔為沉降觀測(cè)孔，作為后期線路運(yùn)營(yíng)觀測(cè)孔。注漿結(jié)束后，兩側(cè)預(yù)留2 排注漿孔進(jìn)行線路后期運(yùn)營(yíng)中補(bǔ)償注漿。注漿加固范圍如圖1、圖2 所示。

圖1 錨索、側(cè)向注漿加固范圍斷面及平面圖

圖2 基底注漿加固范圍斷面及平面圖

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆孔工藝

鉆孔穿越堆積體和松碴回填體多種地層，成孔較困難。袖閥管能按照設(shè)計(jì)要求安裝到既定深度是主要難點(diǎn)之一。為解決此項(xiàng)困難，采用多功能履帶鉆機(jī)，通芯鉆套管鉆進(jìn)，防塌孔、卡鉆。成孔后鉆桿拆除安裝剛性袖閥管，最后拔出套管，即可完成鉆孔的施作。鉆具規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 鉆具規(guī)格表

3.2.2 注漿工藝

本工程采用袖閥管注漿工藝，利用水囊式止?jié){塞止?jié){，袖閥管注漿工藝特點(diǎn)為：

1）能按注漿工程的設(shè)計(jì)要求，確定注漿位置和擴(kuò)散范圍；

2）不易產(chǎn)生注漿盲區(qū)和薄弱區(qū)，適合高風(fēng)險(xiǎn)注漿施工；

3）注漿位置可通過(guò)止?jié){塞的移動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，靈活變動(dòng)；

4）同一注漿點(diǎn)可采用不同注漿材料進(jìn)行注漿；

5）可實(shí)現(xiàn)多次注漿，保證注漿質(zhì)量；

6）注漿壓力可控，安全性高。

3.3 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 注漿參數(shù)表

3.4 鉆孔注漿施工難點(diǎn)及解決措施

3.4.1 鉆孔注漿施工難點(diǎn)

1）鉆孔過(guò)程中因地層破碎，塌孔卡鉆嚴(yán)重，工效低、進(jìn)度慢；

2）場(chǎng)地小設(shè)備人員多，造成管理和安全風(fēng)險(xiǎn)大；

3）地層進(jìn)漿量大，人工攪拌無(wú)法保證拌漿質(zhì)量及漿液供應(yīng)問(wèn)題；4）注漿壓力上升慢，漿液流失大效果不明顯；5）注漿孔及預(yù)留后期漿液補(bǔ)償孔的保護(hù)問(wèn)題。

3.4.2 鉆孔注漿施工解決措施

1）采用偏芯鉆及通芯鉆施工對(duì)比，通芯鉆相比偏芯鉆孔工藝較便捷，鉆孔速度較高，解決了塌孔卡鉆問(wèn)題，但通芯鉆對(duì)鉆機(jī)扭矩及起拔力是一大考驗(yàn)，扭矩需達(dá)到22～27 kN·m、起拔力需達(dá)到80～100 kN，采用滿足要求的設(shè)備及鉆具，保證了工期。

2）對(duì)設(shè)備進(jìn)行分區(qū)施工，在鉆機(jī)動(dòng)力頭加裝排渣收集桶。此鉆孔分區(qū)作業(yè)避免了互相干擾，渣土收集避免排渣對(duì)周邊人員造成傷害。

3）隧道內(nèi)沒(méi)有施作全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察溶洞頂部與地表設(shè)有通風(fēng)井，直徑1.5 m，高80 m，地表處于半山體狀態(tài)，對(duì)地表進(jìn)行平整加固，將全自動(dòng)拌漿系統(tǒng)放置地表進(jìn)行拌漿，將φ108 mm×5 mm 無(wú)縫鋼管連接至隧道內(nèi)注漿泵站進(jìn)行漿液供應(yīng)，解決人工質(zhì)量及供應(yīng)量的問(wèn)題。

4）通過(guò)在周圈孔全孔及中間孔孔底以上2 m 范圍內(nèi)采用水泥、水玻璃雙液漿進(jìn)行帷幕封堵，使地層加固區(qū)域形成“杯子”形狀，再采用硫鋁酸鹽水泥漿進(jìn)行中間部位回填擠密加固。此注漿工藝解決了注漿過(guò)程中漿液的流失及壓力上升慢等問(wèn)題。

5）通過(guò)研究袖閥管管頭嵌入混凝土面以下5 cm，采用土工布等軟材料進(jìn)行袖閥管內(nèi)管頭以下10 cm 封閉，土工布及軟材料包裹寬松放入預(yù)留5 cm 處使用細(xì)沙覆蓋，確保了每根袖閥管操作性及安全性。

4 監(jiān)控量測(cè)

錨索及側(cè)向注漿結(jié)束后開(kāi)始對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖，先進(jìn)行隧道中心線開(kāi)挖出行車道，再對(duì)左右邊墻牙口分段開(kāi)挖支護(hù)，降低側(cè)墻收斂變形。開(kāi)挖高度達(dá)17 m 時(shí)，采用φ85 cm×18 m 鋼支撐對(duì)隧道拱頂下13 m 處橫向進(jìn)行支撐，隧道開(kāi)挖至底板后，安裝第二道鋼支撐至拱頂下18 m 處橫向進(jìn)行支撐。通過(guò)對(duì)錨索軸力、錨桿軸力、拱頂沉降、凈空收斂位移、鋼支撐軸力進(jìn)行觀測(cè)，以及基底回填體分層檢測(cè)監(jiān)測(cè)，確保隧道開(kāi)挖及施工安全。

底板混凝土澆筑完成后，拆除第二道鋼支撐進(jìn)行鉆孔基底鉆孔施工。通過(guò)鋼支撐卸載、拆除過(guò)程中軸力在土體變化均處于正常受力[2]。

5 效果驗(yàn)證

5.1 孔內(nèi)成像法

注漿結(jié)束后，采用φ125 mm 裸鉆成孔，未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，施作孔內(nèi)成像顯示孔壁較光滑、有明顯漿脈，由此判斷本次注漿對(duì)堆積體及松碴回填體地層加固良好，如圖3 所示。

圖3 注漿效果孔內(nèi)成像圖

5.2 開(kāi)挖過(guò)程驗(yàn)證效果

開(kāi)挖揭示對(duì)回填體注漿效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，增強(qiáng)了地層側(cè)向適應(yīng)力及基底承載力，結(jié)合隧道錨索軸力、錨桿軸力、拱頂沉降、凈空收斂位移、鋼支撐軸力以及基底回填體分層檢測(cè)監(jiān)測(cè)觀測(cè)，保證了隧道施工安全及后期運(yùn)營(yíng)安全。

6 結(jié)論

1）對(duì)破碎不均勻地層進(jìn)行通芯鉆施工工藝，保證了剛性袖閥管下設(shè)深度及下設(shè)的質(zhì)量。

2）注漿結(jié)束后，對(duì)注漿薄弱區(qū)域檢查驗(yàn)收，施工中周圈全孔及中間孔底以上2 m 采用雙液漿帷幕，中間孔采用硫鋁酸鹽水泥回填擠密加固的注漿材料，是適合的。

3）由于場(chǎng)地小，設(shè)備人員多，設(shè)備人員分區(qū)進(jìn)行施工是有必要的。

4）注漿處理中創(chuàng)新性地采用了3 個(gè)首次：（1）首次在隧道溶洞頂板采用低預(yù)應(yīng)力全黏結(jié)型錨索結(jié)構(gòu)使溶洞頂板更加穩(wěn)定；（2）首次在隧道巨型溶洞堆積體和松碴回填體地層之中修建大斷面寬20 m×高25 m（寬×高）襯砌結(jié)構(gòu)；（3）首次對(duì)隧道結(jié)構(gòu)采用差異沉降控制進(jìn)行檢算，并對(duì)隧道處理采用在運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行補(bǔ)償注漿控制總沉降量和差異沉降量的措施，確保了隧道在運(yùn)營(yíng)期間的安全。

5）通過(guò)本工程施工對(duì)安全防護(hù)、設(shè)備選型、檢測(cè)監(jiān)測(cè)及鉆孔注漿材料的選取都取得了較好的結(jié)論及論證。通過(guò)開(kāi)挖揭示及測(cè)量監(jiān)控均達(dá)到有利效果，注漿改良地層對(duì)本段做好了相應(yīng)的安全保證，專項(xiàng)方案效果明顯，為以后類似工程提供了借鑒。