超前預加固綜合技術在軟巖隧道施工中的應用

鄒紅峰

（中鐵二十一局集團第五工程有限公司，重慶 412100）

1 工程概況

某鐵路隧道位于云南省普洱市境內，全長為10 657m，設1#斜井493m，2#斜井872m，全隧共6個作業面。隧區地質主要為泥巖、砂巖、泥巖夾砂巖等，圍巖以Ⅳ級、V級為主，屬構造剝蝕中山地貌，地形起伏較大，隧道穿越剝蝕丘陵區，地表逕流條件好，地表水除部分滲入地下外，多數以地表逕流的形式從溝谷排入區外水系中，隧區內地下水主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。該隧道2#斜井小里程有150m長段落內受構造擠壓嚴重，圍巖完整性差，巖體破碎，加之段內富水，掌子面開挖過程中出現溜塌，溜塌物似泥石流，滑移速度快、空腔大，施工十分困難。

2 地質情況描述

2#斜井小里程1處軟弱圍巖段150m長，屬背斜構造，受背斜張力影響，巖體節理發育，破碎，穩定性差，地下水發育。開挖揭示為砂巖，灰色，粉細砂狀碎屑結構。

開挖后出現持續掉塊、溜塌，并伴隨散狀流水，每小時50～70m3，溜塌物為灰、淺灰色，物質為碎塊石、泥漿，碎塊石為2～5cm，個別大于5cm，泥漿為泥巖飽水后滑移、摩擦產生而成，溜塌物如圖1。

圖1 掌子面溜塌物

3 施工方案的比選確定

該段地下水發育，巖層破碎，為粉細砂狀碎屑結構，遇水呈膠泥狀，單靠洞內排水及常規支護措施不能滿足施工要求，需采取綜合治理措施，經多方比選論證，確定采用深孔注漿加固的方案，先進行打孔泄水泄壓，再注漿加固圍巖，最后進行開挖掘進，支護成環。綜合治理目標如下：一是通過超前預注漿，充填襯砌開挖輪廓線5m范圍內圍巖裂隙，防止開挖過程中發生突泥、突水等地質災害，保證施工安全。二是在開挖輪廓線外形成不小于5m厚的注漿加固圈，減少地層透水系數，達到“以堵為主，限量排放”的目的。三是通過注漿形成輪廓線外5m厚的注漿加固圈，減少直接作用在襯砌結構上的荷載，從而保證結構安全。

3.1 超前支護的確定

超前支護采用“長短結合”的施工工藝，對拱部采用φ89大管棚+φ42小導管（外插角10°+45°）超前支護，φ89大管棚每根長15m，縱向間距12m，搭接3m，環向間距0.4m，每環47根；φ42小導管縱向間距2.4m，每根長4.5m，環向間距0.4m，每環47根。大管棚采用注水泥+水玻璃雙液漿，超前小導管注水泥漿。

3.2 掌子面超前預加固

根據巖體性質、出水量情況等綜合考慮，對掌子面前方采取超前注漿預加固，固結圍巖，漿液根據現場情況采用水泥—水玻璃漿液及水泥漿液兩種形式。根據巖體性質注漿擴散半徑計算，布孔間距為1.2m×1.2m，梅花型布置。

3.3 徑向注漿加固

拱墻范圍采用φ42鋼花管注漿加固，對開挖輪廓線外5m范圍注漿加固，形成固結圈。

4 施工方法

4.1 掌子面泄水泄壓

掌子面施工作業超前水平鉆孔3～5孔，深度30m，其目的一是為了探明前方地質情況，二是作為泄水孔，將前方水通過探孔泄水，為開挖及支護施工提供好的作業條件。

4.2 超前支護施工

φ89大管棚每根長15m，縱向間距12m，搭接3m，環向間距0.4m，每環47根。首先并行架立I20鋼拱架2榀并穿眼，采用管棚鉆機鉆進，外插角控制在5～7度以內，鉆桿連接采用連接套，直至達到鉆孔深度15m，孔徑應大于管棚外徑10～20mm。

管棚采用φ89鋼花管，眼孔孔徑為10～16mm，間距15～20cm，梅花型布置，尾部留不小于1m的止漿段不鉆孔，用鉆機將花管低速推進至設計深度，鋼花管間采用套絲連接。

φ42小導管縱向間距2.4m，每根長4.5m，環向間距0.4m，每環47根。小導管在每循環掘進前施打，采用風槍鉆眼成孔。

因掌子面出水量大，為快速封閉堵水，管棚注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿，為提高圍巖強度，超前小導管注漿材料采用水泥漿液。每循環注漿完成后，及時用風槍鉆眼泄水，將注漿導致封閉的泄水孔眼及時疏通。

4.3 掌子面前方圍巖預加固施工

止漿墻：采用C25掛網噴射混凝土對上中臺階進行封閉，厚度為30cm。

注漿孔布設：以滿足注漿加固范圍為標準，在上中臺階布設，布孔間距為2m×2m，采用傘形輻射狀，長管注漿加固范圍存在盲區死角，需要采用中長管和短管多層次加以補充注漿，達到設計要求的加固范圍。

鉆孔注漿：鉆孔采用TXU-150型跟管鉆機，注漿設備采用SYB-60/50型高效三缸雙液泵。根據孔位布置設計圖在作業面上用紅油漆標出孔位，采用鉆機成孔，用角規、吊錐控制鉆桿水平角和仰角，鉆進過程中不斷糾正鉆桿角度，確保形成咬合的終孔效果逐孔鉆進，鉆至設計深度后邊退邊注漿，周邊三排注漿漿液為水泥—水玻璃雙液漿，能快速堵水固結，中間孔位采用水泥漿液，局部出水點采用化學漿液。注入順序為從外至內隔孔跳的順序進行施工。鉆孔剖面如圖2。

圖2 超前預加固鉆孔剖面

注漿壓力的確定:注漿壓力是漿液在裂隙中擴散、充塞、壓實脫水的動能，壓力太小不能充滿裂隙，擴散范圍有限，達不到堵水、固結的目的；注漿壓力高，可提高巖體強度和不透水性，還可以擴大孔距，減少孔數，加快施工進度，但是壓力過高，易引起裂隙擴大，巖層移動和抬升，漿液擴散到注漿設計范圍以外，造成材料浪費，甚至事故。經試驗確定取最大注漿壓力2MPa，臨近止漿盤段需要降低注漿壓力，防止將止漿墻壓垮，臨近止漿盤段注漿壓力不宜大于0.65MPa。

掌子面前方預加固以15m為一個循環，注漿參數如表1。

表1 超前預加固參數設置表

漿液配合比的確定：注漿原材料主要為普通硅酸鹽水泥、水玻璃、外加劑等，根據現場實際情況選擇不同的漿液類型，適當調整配合比，并適當加入特種材料以增加可灌性和堵水性能，提高止水效果及漿液耐久性。配制的漿液需達到下列要求：（1）初始黏度低、流動性好、可灌性強，能滲透到細小的裂隙或孔隙。（2）早期強度高，注漿完成后可立即開挖。（3）可控性強，凝膠時間可以任意調整，準確控制。（4）穩定性好，有較好的耐久性。（5）固結體具有一定的抗壓、抗拉強度，抗滲性和抗沖刷性好。（6）材料配制及操作簡單，便于施工現場使用。

通過現場試配確定的水泥漿及雙液漿配合比如表2、表3、表4。

表2 水泥凈漿配合比

表3 雙液漿水泥漿液配合比

表4 雙液漿水玻璃漿液配合比

水泥漿液與水玻璃漿液=1:1（體積比）。

4.4 上臺階開挖支護施工

因圍巖軟弱，開挖無需鉆爆，采用鷹鉤開挖即可，盡量減少對圍巖的擾動，每循環進尺1榀60cm，開挖后需快速進行初噴封閉，然后架立鋼架，采用I20鋼及時支護，拱腳采用混凝土預制塊加墊，上臺階拱腳采用φ42鋼花管雙鎖腳加強，并及時噴射混凝土封閉。

4.5 徑向注漿加固施工

為了保證中下臺階開挖順利實施及注漿過程中后方初支的安全，拱墻范圍采用φ42鋼花管注漿加固，每根長5m，梅花型布置，1.0m×1.0m（環×縱），注水泥漿或水泥—水玻璃雙液漿，對開挖輪廓線外5m范圍注漿加固，形成固結圈，鉆孔注漿工藝與前述相同。

5 控制要點

（1）出水量較大段落，首先要在掌子面鉆設泄水孔，根據出水點位置及水量大小布設孔位，一般布設3～5孔，將水排出。初支完成后的段落，也要在初支面上適當布設泄水孔，防止水集聚形成壓力，施工將更加困難。

（2）鉆孔施工前，嚴格按照施工布置圖布好孔位。鉆機定位要準確，開鉆前的鉆頭點位與布孔點之距相差不得大于5cm。鉆桿偏移度不得大于1°。鉆孔時，密切觀察鉆孔進度，如發生涌水情況，應立即停止鉆孔，先進行注漿止水 (壓力應達到0.3～1Mpa) ，并確認止水效果后，方可停止注漿，向前繼續鉆孔施工。

（3）注漿一定要按程序施工，每段進漿要準確，注漿壓力一定要嚴格控制，專人操作。當壓力突然上升或從孔壁溢漿，應立即停止注漿。每段注漿量應嚴格按設計進行，跑漿時應采取措施確保注漿量滿足設計要求。

（4）注漿完成后，應采取措施保證不溢漿跑漿。

（5）每道工序均要安排專人負責操作及注漿記錄。