別巖槽隧道穿越F1斷層帷幕注漿設計與施工

摘要：筆者在本文中就別巖槽隧道穿越F1斷層帷幕注漿設計與施工的方案及措施進行了具體的分析和研究，為今后巖溶發育地區的隧道施工提供了寶貴的經驗。

關鍵詞：穿越F1斷層 注漿方案 施工

宜萬鐵路是我國在地質條件極為復雜的山區修建的高標準干線鐵路，它集我國山區鐵路艱、險、難之大成，不僅地質條件差、控制項目多、科技含量高，而且工程風險大。別巖槽隧道就是全線八個“一級風險”隧道之一，F1斷層是最先揭示出的斷層。順利通過該斷層將為下一步同類型地質問題處理提供參考。

1 工程地質與水文條件

F1斷層位于別巖槽隧道進口DK404+235～+355段，該段處于茨竹埡斷裂帶內，斷層產狀150°∠75°，由可溶的灰巖、白云質灰巖鈣質膠結而成，兩側分支斷層、節理等次級構造發育，造成巖體破碎，圍巖設計為Ⅵ級，破碎帶長120m，為導水斷層，因F1斷層直通地表，該處埋深350余米，在雨季時期該處地表大量匯水可造成350余米的泥水高壓差，并沿構造裂隙滲入地下，形成管流，成為廟坪暗河的一個縱向分支，是造成隧道大型突水、突泥的最危險地段。F1斷層設計正常涌水量24956m3/d，最大涌水量154627m3/d。

2 地下涌水處理方案的選擇

別巖槽隧道面臨十分復雜的地下涌水問題，為防止在開挖過程中地下水大量涌入洞內造成災害，以及由于地下水大量漏失影響山上居民正常生活和生產，并導致生態環境受到破壞。按照“以堵為主，限量排放，因地制宜，綜合治理”的原則，采取了超前帷幕注漿加固方案。其作用：①起到堵塞裂隙、截斷水流，維持生態平衡；②固結圍巖及前方巖體，提高其自穩強度，為正常施工創造條件并減少隧道襯砌所承受的高壓泥水壓力等多種作用；③通過鉆孔，可提前探明前方地質和水文狀況。

3 穿越F1斷層的技術方案

DK404+235～+355段120m采取全斷面8m超前帷幕注漿加固方案，每循環注漿長度30m，開挖24m，保留6m止漿巖盤，每循環布設7環共141個注漿孔，該注漿孔開孔直徑為110mm，終孔直徑為91mm，孔口管采用○/ 108mm，壁厚5mm的熱軋無縫鋼管，管長3m。砼止漿墻采用平底型（必要時設置），墻厚2.0m。初期支護中采用I14工字鋼架加強，間距按0.5m布置，噴C25鋼纖微砼厚20cm，系統錨桿采用HBC22N組合式錨桿L-3.0m，每延米梅花型布設8根，環向×縱向間距＝1.2m×1.0m。二次襯砌采用C30防腐蝕鋼筋砼襯砌，厚95cm，抗滲等級P12。

4 施工組織安排

設備的選定及布置

4.1 設備選定的依據

①時間緊，注漿難度較大：按照設計要求，在斷層及影響帶長達483m的連續地段進行全斷面超前帷幕注漿，總鉆孔長度35800余米。②注漿壓力高：F1斷層直通地表，該處埋深350余米，可能產生3.5Mpa的泥水壓力，按照設計要求，注漿壓力為出水壓力的2～3倍計算，注漿終壓應達到10.5Mpa。③按照“配齊、配足、配強”的原則，配備鉆機和注漿機必須要與計劃鉆孔和注漿量相匹配。

4.2 設備的比選 通過對國內鉆機和注漿機在鉆進深度、給進和起拔力、鉆進速度、經濟性等綜合考慮，選用西安煤科院生產的MKD-5型鉆機和西安探礦生產的ZJB/BP－30型注漿機。

4.3 設備數量的選定 為了確保宜萬鐵路按期鋪軌的總工期要求，倒排工期，結合設備的生產效率并考慮一定的富余量，選配鉆機需達到3臺，注漿機需達到2臺，加工1套門型雙層上下升降式作業平臺，解決鉆孔對位問題。

5 注漿方案

根據設計圖紙及地質水文情況，該地段地下水來源主要來自于地表匯水經F1斷層而流入隧道，斷層前后的影響帶屬于Ⅳ、Ⅲ級圍巖，先考慮上半斷面帷幕注漿，下半斷面根據超前探孔情況是否進行注漿。F1斷層破碎斷裂帶屬于Ⅵ級圍巖，地質極差，水源來自地表，泥水壓力大，為防止引起洞內泥石流災害，在接近F1斷層前20m處，做5m全斷面超前帷幕注漿，之后做8m全斷面超前帷幕注漿施工；循環注漿完成后分短臺階開挖，臺階長度控制在5～10m范圍。

注漿方案采用超前帷幕預注漿、后注漿、局部注漿、補充注漿四種方案相結合。超前帷幕預注漿是按照設計每一循環長度27～30m，固結范圍開挖輪廓線外5～8m；后注漿是開挖后全斷面徑向注漿，固結范圍開挖輪廓線外3～5m；局部注漿分為局部超前預注漿和開挖后局部注漿，根據地質超前預報探明的情況及開挖后地下水分別采用；補充注漿是超前帷幕預注漿、后注漿、局部注漿三種注漿方案實施后，仍未達到設計要求時，可根據實際情況選擇其中一種或多種注漿方案進行補充注漿。

6 施工工藝

6.1 帷幕注漿施工工藝見圖1。

6.2 施工方案

6.2.1 地質超前預報及探水 隧道開挖前，先采取TSP-203進行長距離預測，每次預測有效長度100m；并輔之以地質雷達和HY303紅外探測儀近距離探測前方圍巖及隱伏含水狀況，每次探測長度15～20m；并全過程采取MKD-5鉆機通過鉆孔鉆探驗證，每次鉆探長度30～50m。若總涌水量大于170m3/min時，需進行全斷面帷幕注漿堵水；若總涌水量小于170m3/min時，但個別孔出水量大于30m3/min時，則需對這些孔進行局部注漿處理。

6.2.2 止漿墻施作 為防止未注漿段地下水涌向掌子面及下一段注漿時跑漿，一般情況下，若掌子面巖層較完整，可利用巖層作為止漿巖盤；若掌子面巖層破碎或地下水壓力較大，則除利用巖層作為止漿巖盤外，還需灌注砼墻作為止漿墻。止漿墻采用C20砼平底型，5m帷幕注漿厚1.5m，高11.25m；8m帷幕注漿厚2.0m，高11.65m。

6.2.3 鉆孔布置 5m帷幕注漿每循環布設6環共93個注漿孔，分3個循環進行鉆孔、注漿，第一循環終孔位置距掌子面水平距離10m，第二循環終孔位置距掌子面水平距離18m，第三循環終孔位置距掌子面水平距離30m，終孔位置在開挖輪廓線外5m處且保持3m終孔距離。

8m帷幕注漿每循環布設7環共141個注漿孔，分3個循環進行鉆孔、注漿，第一循環終孔位置距掌子面水平距離13m，第二循環終孔位置距掌子面水平距離20m，第三循環終孔位置距掌子面水平距離30m，終孔位置在開挖輪廓線外8m處且保持3m終孔距離。超前帷幕預注漿鉆孔宜長短結合呈傘形輻射狀布置。

6.2.4 注漿方式及分段長度的確定 注漿方式采用分段前進式注漿或分段后退式注漿。分段前進式注漿適用于裂隙發育或破碎巖層，分段后退式注漿適用于裂隙不甚發育的巖層。根據本隧道地質特點，在F1斷層采用分段前進式注漿。

6.2.5 注漿設計參數

①注漿壓力：設計注漿壓力（終壓值）為預注漿段洞身靜水壓力的2～3倍。

②注漿量估算：按理想狀態考慮單孔漿液注入量，漿液在地層中均勻擴散時的計算式為：

Q=πR2Lnα(1+β)

式中：Q為總注漿量；R為漿液擴散半徑，取2.0m；L為注漿孔長；n為地層裂隙率，取10％；α為漿液充填率，取90％；β為漿液損失系數，取10～20％。

③注漿材料及配合比：注漿材料主要為水泥單液漿和TGRM漿液。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，速凝劑用量為水泥重量的3％。水灰比為1：（0.6～1.0）。

④漿液擴散半徑及孔底間距：漿液有效擴散半徑2.0m；孔底間距應小于或等于3.0m。

6.2.6 注漿工藝及要求

①鉆機就位 測量班在掌子面用紅油漆標出鉆孔位置，并標明孔號；鉆機提前放置在自制兩層門架升降式作業平臺上，移位至掌子面，可利用鉆機首尾坐標差值來控制豎直角及水平角。

②施工前，先進行鉆孔注漿試驗，初步掌握漿液充填率、注漿量、漿液配合比、凝膠時間、漿液擴散半徑、注漿終壓等指標。尤其漿液配比是關系到注漿效果是否成功的關鍵，因此必須對不同配合比進行試驗，配合比的選擇是根據涌水量大小和進漿情況來確定。

③設置止漿巖盤或止漿墻：當掌子面圍巖較為完整且出水點較遠時，可在掌子面直接埋設孔口管，利用圍巖止漿；當掌子面圍巖破碎且出水點較近時，設置砼止漿墻，砼止漿墻必須搗固密實，與掌子面圍巖密貼，鑿槽鑲嵌在周圍巖體內，確保砼止漿墻與周圍巖體緊密相連。

④孔口管埋設：對于止漿巖盤采用壓漿法：先用Φ110鉆頭鉆深3m后放入管長3m的Φ108無縫鋼管，管壁與孔口接觸處敷設10mm排氣孔，并采用早強錨固劑或麻絲堵塞，Φ108無縫鋼管外露0.2～0.3m，連接注漿管路后壓入漿液進行加固。對于砼止漿墻采用預埋法：先按設計的孔位和方向鉆孔深0.6～0.8m，將孔口管插入，然后便立模邊灌注砼止漿墻。孔口管應埋設牢固，并有良好的止漿措施。

⑤注漿前用1.2倍的設計終壓進行壓水試驗，目的是檢察管路是否正常；測定巖層吸水量，以確定漿液濃度、凝膠時間和預計注漿量；將巖層裂隙內的充填物擠壓至注漿范圍以外。

⑥制漿：在攪拌機開動后加入定量的清水，然后加入水泥連續攪拌3min即可經過濾桶過濾進入吸漿桶內。配料必須計量準確，水泥等固體材料采用重量稱量法，水、特種漿液等液體材料采用體積稱量法。

⑦鉆孔與注漿順序：鉆孔開孔直徑為110mm，終孔直徑為91mm。

先鉆外圈孔后鉆內圈孔，同一圈孔先鉆下部孔，后鉆上部孔，間隔交替鉆孔施工，后續孔檢查前續孔的注漿效果；遇巖層破碎造成坍孔或鉆孔涌水量過大時，采取前進式注漿，即注漿后再掃孔繼續鉆進。否則采取后退式注漿。注漿順序為先注無水孔，后注有水孔，鉆一孔注一孔。

⑧注漿量的控制：注漿量由泵的排量來控制。為防止注漿泵升壓太快，影響注漿效果，注漿前要測定鉆孔的出水量，以確定注漿泵的注入速度，出水量≥2m3/h時，注入速度控制在80L/min，出水量＜2m3/h時，注入速度控制在50L/min。根據注漿過程中的壓力變化，隨時調整泵量。單孔實際注漿量應略大于理論計算量，且達到設計終壓值，用雙重指標進行控制注漿量。

⑨漿液配合比的控制：原則是“先稀后濃，逐級變換”。當單孔出水量＜2m3/h時，采用單液注漿；當單孔出水量≥2m3/h時，采用先注水泥漿后注TGRM或HSC特種漿液。

⑩注漿結束標準：在注漿過程中，注漿壓力逐步升高，當達到設計終壓值時，再繼續注漿10min或以上即可結束本孔注漿。也可在單孔注漿量與設計注漿量大致相同，注漿結束時進漿量一般在20L/min以下結束本孔注漿。

注漿效果評定：在每循環注漿段設3個檢查孔，以檢查注漿效果。注漿效果評定標準：a一般地段檢查孔出水量小于0.4L/min；b壓水檢查，在1.0Mpa壓力下，進水量小于2L/min；c測試檢查孔水壓，應小于0.75Mpa；d由檢查孔采取巖芯，觀察注漿充填情況。如不能達到上述要求，則要根據情況進行補孔注漿，直到滿足為止。

6.2.7 注意事項

①孔口位置應準確定位，與設計位置的容許偏差為±5cm，偏角應符合設計要求，每鉆進一段，檢查一段，及時糾編，孔底位置應小于30cm。②鉆進過程中，遇涌水或巖層破碎造成卡鉆，應停止鉆進，掃孔后再行鉆進。③注漿過程中，注意觀察止漿巖盤的變形情況，準備好加固措施。同時若壓力突然升高，應停止注漿，待檢查、分析原因后，再行注漿。④一個孔的注漿作業應連續進行直到結束，不宜中斷。對于因串漿、冒漿等而有意中斷造成間歇注漿時，則應先掃孔至原設計深度以后再進行復注。

7 保證措施

7.1 地質超前預報是決定施工參數和施工安全的基礎工作。為了探明開挖面前方地質狀況，保障施工安全，采用TSP-203、地質雷達、紅外探水和超前鉆孔相結合的多種地質預測預報。探測涌（突）水、突泥預報程序見圖2。

7.2 加強涌（突）水、突泥預防措施。針對涌（突）水、突泥在洞內掌子面附近配備4臺350m3/h·臺的大功率抽水泵（電機功率為55KW，總揚程25m）。在洞內鋪設一道Φ200～250鋼管作為抽水管道，抽水管道由洞外鋪設至距掌子面10～20m處。

7.3 配足上齊設備、加強崗前培訓工作。在施工中要及時加強保養設備，確保其完好率和利用率，以提高工作效率。帷幕注漿對鉆孔、注漿技術要求高，施工前必須進行崗前專業培訓，由專業技術人員進行技術交底和講解，并進行試驗，操作人員掌握操作要領后方可上崗。

7.4 發生涌（突）水、突泥事故后處理措施。當隧道發生涌（突）水、突泥事故后，引起隧道塌方并堵死隧道時，首先要判斷規模大小和影響范圍，分析產生原因后，擬采取以下處理措施：①對掌子面先進行噴射砼全封閉，封閉厚度不小于0.2m，再施做平底型砼止漿墻，厚2.0m；②對已完成初期支護地段采用徑向注漿加固，以防災害擴大，并抓緊完成仰拱和二次襯砌；③對涌水突泥地點前方圍巖采用超前長大管棚全斷面進行帷幕注漿固結圍巖；④開挖后如涌水點流量不大時，先使其排放，待流量減小后，予以注漿固結堵水；如涌水點流量較大時，先對主出水點四周采用深孔局部注漿或補注漿，固結開挖線外周邊圍巖5m以上，使滲流水得到有效控制；⑤初期支護完成后，噴射砼表面仍然存在大面積潮濕、股水、線狀水等情況，根據地下水滲流程度及分布狀態，可采用插管引排和全斷面徑向注漿相結合的方法，徹底杜絕噴射砼表面滲水。

8 結束語

別巖槽隧道穿越F1斷層施工中，采用較為完善的地址超前預報手段，運用帷幕注漿這一正確的施工方案，嚴格實施了圍巖量測檢測手段和應急預案，使工程順利的通過了F1斷層，為今后巖溶發育地區的隧道施工提供了寶貴的經驗。

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