齊岳山隧道F11高壓富水?dāng)鄬幼{設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探討

孫國慶

(中鐵隧道集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究所,河南洛陽471009)

0 引言

宜萬鐵路全線共有隧道159座,區(qū)域斷層、高壓富水、巖溶發(fā)育、無規(guī)律性,是已建和在建最為復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)最高的鐵路線[1]。施工中共揭示出了900余處巖溶及斷層高壓水,其中具有代表性的是齊岳山隧道,因F11高壓富水?dāng)鄬印⑵涞刭|(zhì)軟弱破碎、施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高成為阻礙全線貫通的最大的技術(shù)難題。對(duì)于巖溶水的處理目前主要有堵、排、截等方法。采取何種方法必須和地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、建設(shè)成本等綜合考慮。考慮到F11斷層范圍廣、圍巖破碎等特點(diǎn),建設(shè)指揮部多次邀請(qǐng)專家進(jìn)行方案論證,最后采取以“封堵透水裂隙、加固破碎圍巖”為目的超前預(yù)注漿工法攻克F11斷層技術(shù)難題。傳統(tǒng)的超前全斷面注漿能夠達(dá)到有效解決隧道巖溶涌水、突泥難題,在我國地下工程一直被廣泛采用,積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)[2-6]。但由于超前注漿施工工期長、投入較高而一直被謹(jǐn)慎采用。針對(duì)齊岳山隧道長大230m的F11斷層,通過注漿方式如何安全、有效、快速地通過,必須在傳統(tǒng)超前注漿方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行理念創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)鉆孔注漿動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)、專業(yè)化管理、精細(xì)化施工。

1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北利川與重慶萬州交界處,地處鄂西高臺(tái)原西部邊緣,全長10 528m,洞身最大埋深670m,全隧單面下坡,平均設(shè)計(jì)坡度14.3‰。全隧穿越了二迭系茅口組至侏羅系上沙溪廟組全套地層,除構(gòu)造引起局部缺失外,其余在隧道區(qū)內(nèi)均有出露,碳酸鹽巖地段約占全隧長度的46.3%。隧道區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造有齊岳山背斜、箭竹溪向斜,大小斷層15條。其中與得勝場槽谷有關(guān)的F9、F10和F11 3條[1]。隧道區(qū)內(nèi)發(fā)育有大、小魚泉和得勝場3條地下暗河,與得勝場槽谷有關(guān)的是得勝場暗河,隧道縱斷面如圖1。

2 F11斷層工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

F11斷層構(gòu)造在縱斷面上可以分為斷層破碎帶和斷層影響帶。根據(jù)地質(zhì)勘察并結(jié)合施工開挖揭露,F11斷層破碎帶具有以下特征:

1)規(guī)模宏大。F11斷層主要斷裂帶在隧道洞身里程DK365+110～+340,寬230m,發(fā)育在硬質(zhì)可溶巖與軟質(zhì)非可溶巖的交界部位。

2)高壓富水。由于巖性間的層間裂隙和大規(guī)模的得勝場斷裂及其次級(jí)構(gòu)造的影響,深部裂隙水與上部地下水具有水力聯(lián)系,施工過程實(shí)測F11斷層水壓高達(dá)2.5 MPa,鉆孔注漿施工過程最大單孔涌水1 800 m3/h。

3)軟弱破碎。F11斷層及影響帶由斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥等構(gòu)成,巖性組成復(fù)雜,類似于含碎石粉質(zhì)黏土或碎石土狀,水文性質(zhì)表現(xiàn)為飽和含水,工程性質(zhì)表現(xiàn)為圍巖強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,在水的浸泡下,工程性質(zhì)更加惡化。

4)軟硬不均,層層相間。斷層巖層幾何特征以豎向?yàn)橹?軟弱巖層(碎屑及斷層泥)和硬質(zhì)巖層(角礫巖及破碎塊石)縱向間隔交替出現(xiàn)。

5)裂隙發(fā)育、極不均一。斷層破碎帶裂隙發(fā)育,成為涌水的主要補(bǔ)給通道,但裂隙發(fā)育極不均一,連通性差,即使距離很近的鉆孔出水也互不影響,水壓也不一致。

3 超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)

為了滿足安全開挖施工要求,經(jīng)對(duì)多種施工工法進(jìn)行比較選擇,最終確定采用超前預(yù)注漿方式對(duì)地層進(jìn)行改良,并根據(jù)F11斷層破碎帶的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)研究,對(duì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化完善,以加快施工進(jìn)度,提高施工效率,確保地層改良效果。

3.1 超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)新理念

根據(jù)F11斷層地質(zhì)情況并結(jié)合前期鉆孔注漿施工情況,在“分水降壓、注漿堵水、帶水開挖”的施工原則下對(duì)超前預(yù)注漿進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì),并進(jìn)行設(shè)計(jì)施工理念創(chuàng)新。

1)探注結(jié)合模式。對(duì)于軟弱富水地層,常規(guī)施工方法是采用按照先進(jìn)行超前地質(zhì)探孔,再根據(jù)探孔掌握的地質(zhì)進(jìn)行注漿方案設(shè)計(jì)及施工的循序漸進(jìn)模式。由于高壓富水?dāng)鄬犹娇走^程中容易遇到坍孔、卡鉆現(xiàn)象,并受突發(fā)高壓涌水威脅,完成1個(gè)循環(huán)的超前鉆探需要耗費(fèi)較長時(shí)間,工效很低,且最終還是要實(shí)施鉆孔注漿施工進(jìn)行處理,對(duì)施工的進(jìn)度和安全風(fēng)險(xiǎn)控制不利。F11斷層具有“高壓富水、軟弱破碎”的特點(diǎn),必須通過注漿堵水加固施工才能保證安全開挖;因此,提出“軟弱地層、分區(qū)定位,探注結(jié)合”的系統(tǒng)化過程控制施工理念,根據(jù)超前注漿預(yù)設(shè)計(jì),選擇拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、拱底共6個(gè)注漿孔兼超前探孔進(jìn)行施工,“一孔兩用”達(dá)到既對(duì)前方不良地層進(jìn)行判斷,優(yōu)化方案的指導(dǎo)作用,又對(duì)注漿預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)的目的,有效地節(jié)約了時(shí)間。

2)精細(xì)化跟蹤注漿設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)時(shí)假定地層是均勻的,外側(cè)水壓均勻分布;因此,需要對(duì)松散地層進(jìn)行注漿堵水加固,注漿堵水加固范圍與水壓有關(guān),水壓越高、水量越大,加固范圍也就越大。而實(shí)際工程中,地層是不均勻的,透水性、外側(cè)水壓力也是不完全相同的。精細(xì)化跟蹤注漿設(shè)計(jì)理念就是根據(jù)工程地質(zhì)情況,先進(jìn)行分區(qū)定位,確定地質(zhì)情況,并通過前期探孔注漿使地層中水量得到控制;然后按均勻地層進(jìn)行“合理步距,由外及內(nèi)”方式實(shí)現(xiàn)基本注漿堵水加固,保證隧道開挖安全的基本要求;最后,對(duì)水量大、水壓力高區(qū)域進(jìn)行局部強(qiáng)化注漿,從而達(dá)到“減少注漿孔數(shù)量、提高注漿效果”的目的。

3.2 超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)情況,F11斷層破碎帶預(yù)注漿目的為堵裂隙、減少水量;固圍巖、穩(wěn)定地層。考慮施工實(shí)際,方案設(shè)計(jì)采用上半斷面開孔對(duì)全斷面注漿的方式進(jìn)行,并結(jié)合“探注結(jié)合模式”和“精細(xì)化跟蹤設(shè)計(jì)”新理念,經(jīng)過優(yōu)化共設(shè)計(jì)4種類型的孔。

1)超前注漿孔兼超前地質(zhì)探孔。以封堵高壓涌水,固結(jié)破碎圍巖為目的,在開挖輪廓線外布設(shè)2圈,終孔在開挖輪廓線外4m,終孔間距3m,其中6個(gè)孔兼作為超前地質(zhì)探孔。

2)工作面穩(wěn)定孔。以穩(wěn)定開挖工作面為目的,在開挖面按照1.5m×1.5m間距品字形布置,成孔后下入玻璃纖維錨桿,通過注漿使錨桿與圍巖固結(jié),穩(wěn)定開挖面。

3)檢查孔兼補(bǔ)充注漿孔。注漿結(jié)束后對(duì)效果進(jìn)行檢查評(píng)定,主要布置在地質(zhì)條件差或注漿薄弱區(qū)域,并對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)注漿。

4)管棚孔兼周邊補(bǔ)充注漿孔。以提高軟弱破碎地層承載力為目的,通過在開挖輪廓線外一定范圍(90～120°),布設(shè)間距40～50 cm,外插角 ＜5～7°的超前大管棚,提高剛性支護(hù)能力。設(shè)計(jì)如圖2、3所示。

圖2 超前預(yù)注漿縱剖面圖(單位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of advance pre-grouting(cm)

圖3 超前預(yù)注漿終孔交圈圖(單位:cm)Fig.3 Overlapping of end positions of advance pre-grouting holes(cm)

3.3 超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

見表1。

表1 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Grouting parameters

3.4 注漿材料配比及性能參數(shù)

見表2。

表2 注漿材料配比及性能參數(shù)表Table 2 Mixing ratios and performances of different grouting mortars

4 超前預(yù)注漿施工

4.1 施工機(jī)械配套

超前預(yù)注漿[7]是處理隧道涌水及加固改良軟弱地層有效實(shí)用的施工方法,但因施工周期較長,人力物力消耗量大,影響施工工期,往往在制定方案時(shí)難以決策,或迫于工期壓力而放松過程及質(zhì)量控制,難以達(dá)到理想效果。而在地質(zhì)條件確定的前提下,鉆孔注漿機(jī)械配套對(duì)快速施工及注漿質(zhì)量控制極其重要。針對(duì)齊岳山隧道230m長的F11高壓富水?dāng)鄬?采取先進(jìn)的鉆孔及注漿設(shè)備,大大提高施工效率,30 m超前注漿循環(huán)周期可控制在20d內(nèi),并確保注漿效果。單個(gè)工作面鉆孔注漿機(jī)械設(shè)備配套及性能參數(shù)見表3。

表3 鉆孔注漿主要機(jī)械設(shè)備配套表Table 3 Drilling and grouting machinery

4.2 鉆孔注漿施工及過程控制

1)注漿分段步距控制。根據(jù)施工現(xiàn)狀,超前預(yù)注漿通常采用前進(jìn)式分段注漿工藝,結(jié)合F11斷層破碎帶地質(zhì)特點(diǎn),超前預(yù)注漿分段長度根據(jù)涌水量及地質(zhì)條件采用三級(jí)質(zhì)量管理進(jìn)行控制,如表4所示。

表4 超前預(yù)注漿分段控制標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Standards for division of advance pre-grouting

2)鉆孔注漿順序控制。為了達(dá)到理想注漿效果提高施工效率,注漿過程按照由外及內(nèi)、間隔跳孔的約束法進(jìn)行注漿順序控制,即按“外圈孔—二圈孔—掌子面穩(wěn)定孔—檢查孔(注漿補(bǔ)孔)—管棚孔”的順序進(jìn)行,注漿孔兼超前探孔、工作面穩(wěn)定孔兼注漿孔、管棚孔兼注漿孔、檢查孔兼補(bǔ)充注漿孔等互相利用,在不影響注漿效果的前提下,減少工程量,加快循環(huán)施工周期。根據(jù)F11斷層破碎帶施工情況,通過多孔合一,相互利用,鉆孔工程數(shù)量比原來設(shè)計(jì)減少21%,施工進(jìn)度提高30%以上。

4.3 超前管棚及工作面穩(wěn)定孔施工

F11高水壓斷層破碎帶,地質(zhì)軟弱,開挖施工中極易引起坍塌;因此,注漿結(jié)束后必須通過頂部施工超前大管棚[8],提高隧道拱頂圍巖的穩(wěn)定性。施工中采取φ76mm,δ=7mm無縫鋼管作為管棚支護(hù)材料,并采用無工作室管棚頂入式無切割施工技術(shù),避免了常規(guī)施工管棚需要開挖管棚工作室的工序,減少管棚切割耗時(shí),使30 m長管棚施工速度達(dá)到1根/3h。

工作面穩(wěn)定孔是基于新意法原理,超前注漿結(jié)束后,在工作面按照1.5m×1.5 m間距梅花形布孔,鉆孔深度與注漿段長一致,成孔后下入 φ25mm的中空玻璃纖維錨桿并進(jìn)行注漿,使具高抗拉強(qiáng)度的錨桿通過漿液和軟弱地層固結(jié)成為整體,有效提高開挖面穩(wěn)定性,方便安全開挖加快施工進(jìn)度。

5 注漿效果分析

5.1 鉆孔涌水量分析

以DK365+335～+310注漿循環(huán)段為例進(jìn)行分析。

1)注漿段水量分布情況。注漿加固區(qū)段內(nèi)水量橫斷面及縱向分布情況如圖4,5所示。從橫斷面圖可以看出:出水量大的區(qū)域主要分布在工作面的右側(cè),涌水50m3/h以上的孔主要為外圈孔,說明由外及內(nèi)順序施工,內(nèi)部水量明顯減小,堵水效果明顯。從縱向分布圖可以明顯看出:鉆孔縱向在20～25m段存在明顯的透水層,為注漿重點(diǎn)區(qū)域,應(yīng)加強(qiáng)該段注漿,并在開挖施工過程中加強(qiáng)支護(hù)及補(bǔ)充注漿。

圖4 水量橫斷面分布圖Fig.4 Cross-section of tunnel showing distribution of water

圖5 水量縱向分布圖Fig.5 Longitudinal distribution of water

2)鉆孔涌水量時(shí)間效應(yīng)分析。以施工過程各鉆孔施工先后順序及單孔最大涌水量繪制鉆孔水量圖如圖6所示。從圖6可以看出,各鉆孔最大出水量存在一定的差異,最先施工的6個(gè)注漿孔兼超前探孔出水量最大達(dá)到150m3/h,平均達(dá)90m3/h,注漿后水量明顯減小,主要的出水裂隙被有效封堵。外圈孔施工完成后,二圈孔鉆孔出水量有明顯的減小,大部分在20m3/h。說明采取環(huán)環(huán)相扣,由外到內(nèi)的注漿方式,堵水效果較明顯。

5.2 注漿堵水率分析

對(duì)施工過程不同階段鉆孔中最大涌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析各階段的堵水率如表5所示。

圖6 鉆孔涌水量圖Fig.6 Water inflow rate of different boreholes

表5 各階段注漿堵水率Table 5 Water sealing efficiency of each grouting stage

從表5可以看出,在前期5個(gè)注漿孔兼超前探孔鉆孔施工過程中,平均涌水量達(dá)到90 m3/h(最大150 m3/h);注漿結(jié)束后,在外圈孔施工過程中,單孔平均最大涌水量為50 m3/h,堵水率達(dá)到45%。隨著由外及內(nèi)注漿施工的逐漸推進(jìn),二圈孔施工完成后堵水率達(dá)到83.6%,補(bǔ)充注漿孔后進(jìn)行檢查孔施工過程堵水率達(dá)到97.8%,達(dá)到了預(yù)期的堵水效果。另外由外及內(nèi)的施工工序,后續(xù)鉆孔出水量減小后,有利于快速施工,也達(dá)到了約束注漿的目的。

5.3 檢查孔情況分析

注漿結(jié)束后,根據(jù)該循環(huán)鉆孔注漿施工過程出水區(qū)域分布及注漿量分布情況,在薄弱區(qū)域按照設(shè)計(jì)注漿孔數(shù)量的10%進(jìn)行檢查孔施作,對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查,檢查孔設(shè)計(jì)深度為25m,終孔在開挖輪廓線外3m處,為了進(jìn)一步對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充注漿,檢查孔鉆到25m深并對(duì)檢查孔出水情況進(jìn)行評(píng)判后,繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔進(jìn)行補(bǔ)充注漿。檢查孔出水量均小于2 L/min?m的控制標(biāo)準(zhǔn);且檢查孔補(bǔ)充注漿時(shí)吸漿量較小,說明地層較為密實(shí);檢查孔鉆設(shè)鉆速快,無卡鉆現(xiàn)象,達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),滿足開挖施工要求。

6 結(jié)論

通過對(duì)齊岳山隧道F11高壓富水?dāng)鄬犹幚韺?shí)踐,得出:

1)“探注結(jié)合”及“精細(xì)化跟蹤注漿設(shè)計(jì)”理念是在傳統(tǒng)全斷面超前預(yù)注漿理念基礎(chǔ)上的創(chuàng)新,是以地層的不均勻性、地下水量和水壓分布的不均勻性為前提條件[9]進(jìn)行方案動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),更具有針對(duì)性;其核心是強(qiáng)調(diào)注漿過程控制的重要性,實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓富水?dāng)鄬犹幚淼母咝Ш涂煽啃浴?/p>

2)對(duì)于高水壓破碎斷層帶,除采用超前預(yù)注漿對(duì)涌水進(jìn)行封堵、對(duì)軟弱破碎地層進(jìn)行加固外,周邊圍巖和開挖工作面穩(wěn)定性不可忽視;因此,必須確保注漿與支護(hù)一體化共同作用,實(shí)現(xiàn)“外堵內(nèi)固”,保證隧道安全開挖施工。

3)文中所述的注漿理念和工藝措施通過在齊岳山隧道工程實(shí)踐,減少工程量、縮短施工周期、保證施工安全,取得了較好的效果;但在以后的應(yīng)用過程中,要根據(jù)地質(zhì)情況靈活借鑒采用,并根據(jù)不同地質(zhì)特點(diǎn),進(jìn)一步對(duì)期進(jìn)行不斷地完善、補(bǔ)充,使其適用范圍更廣,推廣價(jià)值更高。

[1]黃鴻健,張民慶.宜萬鐵路隧道工程巖溶及巖溶水分析與應(yīng)對(duì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2009(2):22-34.

[2]王全勝,李治國,鄒翀,等.圓梁山隧道全斷面注漿技術(shù)[J].鐵道建筑,2004(8):45-48.

[3]張紹秋.大梁山隧道全斷面注漿技術(shù)探析[J].中國水運(yùn),2009(12):202-204.

[4]韓志懷.象山隧道巖溶地段全段面超前注漿堵水與加固技術(shù)[J].鐵道建設(shè),2009(5):558-562.

[5]蒲小平,王全勝.廈深鐵路大南山隧道F2-1斷層突泥涌水處理技術(shù)[J].隧道建設(shè),2009,29(4):466-469.

[6]徐海廷,王全勝,孫國慶,等.廈門翔安海底隧道土石交界軟弱地層全斷面注漿試驗(yàn)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009(1):67-71.

[7]劉春麗.超前預(yù)注漿在隧道施工中的應(yīng)用[J].北方交通,2007(12):82-85.

[8]王晉峰.預(yù)注漿管棚超前加固治理隧道坍方技術(shù)[J].山西建筑,2007(24):320-321.

[9]張民慶.高壓富水?dāng)鄬印巴舛聝?nèi)固注漿法”設(shè)計(jì)新理念與工程實(shí)踐[J].中國工程科學(xué),2009(12):26-33.