青云山隧道F9斷層超前帷幕注漿加固施工技術

摘 要：青云山隧道地質結構復雜，并穿越12條斷層破碎帶，其中F9斷層為所有斷層破碎帶中長度最長、預測涌水量最大、圍巖滲透系數最大的斷層破碎帶，且由于實際斷層位置與設計位置存在很大的偏差，于3月12日發生突發生特大涌水，結合涌水發生的原因分析，針對斷層采用了超前帷幕注漿加固方法通過該斷層，本文詳述了帷幕注漿參數的確定、注漿方法的選定與優化、注漿質量控制與注漿效果檢查等，并結合施工過程總結出存在的不足和持續改進措施，為今后隧道經過類似斷層施工提供一定的參考。

關鍵詞：斷層 破碎帶 超前帷幕注漿 注漿效果 質量控制

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（c）-0088-06

1 工程概況

1.1 工程地質情況

根據施工圖紙對該斷層設計情況，該段層于DK502+230里程處與線路接近正交，屬壓扭性斷層，內部為碳酸鹽化蝕變及石英巖脈填充，裂隙主要產狀：1500∠710，隧道通過含水體的長度為55 m，滲透系數為1.1 m/s，預測涌水量為12196 m3/d，最大單位涌水量為221.75 m3/d.m，該斷層在地貌上形成了深切的沖溝，地表匯水面積大，沖溝上下游數量變化較大，導水性極好，屬強富水段。在該斷層地段為正英正長斑巖與凝灰熔巖不整合接觸富水構造。

1.2 掌子面突發涌水情況概述

左線進口涌水自3月10日下午開始滲水以來，我們立即組織測量人員對洞內涌水情況及水水位進行了實時監測。在左線進口地段采用積水深度和洞身淹沒長度，根據隧道凈空寬度及坡度，結合抽排水量，計算實時涌水量。同時，對地表水徑流也進行了詳細調查，目前施工地段埋深600余米，地表有一寬約300 m溝谷，林木茂密，植被較好，谷底徑流量約為50 m3/h，且徑流不連續，經過沿溝底觀察，每隔100 m左右溝底基本無水流，沿溝底下游100 m左右又重新出現水流，這表現為地表水暗流或與隧道涌水貫通后直接滲入隧道內的可能性。在3月12日下午4時以后，隧道左線進口因突發特大涌水淹沒斜井交叉口以后，水位監測方式為在斜井井身安全地段對水位標高進行實時監測，并根據水位標高計算隧道內的淹沒面積，計算隧道內所有水庫容量，確定實時涌水量。經監測結果表明，隧道出現最大涌水時間為3月13日零晨，其涌水量峰值達到2300 m3/h，之后涌水量出現回落，截止3月17日下午觀測顯示，水量基本保持在850～1000 m3/h之間，隨后涌水量仍表現為逐步衰減趨勢，截止4月10日涌水量觀測，左線進口掌子面涌水量已基本穩定在450～500 m3/h之間，且洞內涌水量隨地表降雨量無明顯變化。

1.3 突發涌水原因分析

該地段地質條件為F9斷層影響帶，屬壓扭性斷層，斷層及影響帶寬度約115 m，隧道上部為凝灰質砂礫巖與二長斑巖接觸帶，為富水構造。同時沿F9斷層影響帶地貌上形成了深切的沖溝，地表匯水面積大，水量豐富。從地質縱斷面分析，在DK502+015～DK503+500段落，有長達1435 m的次火山巖類的侵入巖，以巖株形式侵入上部凝灰質砂礫巖形成非整合接觸帶，受后期多次構造影響，該非整合接觸帶和上部的凝灰質砂礫巖節理裂隙發育，成為富水構造。該處隧道埋深575 m，地下水位埋深115 m，形成高壓水頭。F9斷層帶切穿凝灰質砂礫巖和二長斑巖非整合巖性接觸帶，及上部富水構造，成為富水構造排水通道。當隧道掘進到DK502+385處，掌子面拱頂出現滲水，在處理過程中，因上部高壓水頭的作用，隧道拱部巖壁被擊穿，產生突發性大涌水。

2 涌水地段加固處理方案

2.1 總體施工方案

根據隧道帷幕注漿預加固長度，加固里程為DK502+401～DK502+341，共計60 m加固長度，分為兩個注漿循環。根據已開挖地段地質及涌水情況，為保證隧道安全，首先進行注漿堵水，在現有掌子面退后10 m施作一厚度不小于6 m的止漿墻，并結合擬采用的注漿鉆孔設備及洞內操作空間要求，止漿墻按臺階式設置，在止漿墻基礎處施作臨時仰拱作為嵌入式基礎，嵌入圍巖80～120 cm，并施作錨桿，以保證止漿墻與巖體可靠連接，錨桿采用Φ25砂漿錨桿，長度3.0 m，間距0.5×0.5 m，止漿墻采用C30混凝土澆筑，以保證止漿墻的穩定可靠，待混凝土強度達到設計值70%以后再進行帷幕注漿施作。帷幕注漿按照注漿加固圈8 m考慮，并采用分段前進式注漿，每循環加固長度為35 m，注漿后開挖30 m，預留5 m作為下一循環止漿巖盤。注漿材料采用水泥凈漿液或水泥-水玻璃雙液漿，注漿終壓采用在靜水壓的基礎上加上1.0～1.5 MPa，根據地下水位情況，洞內靜水壓預測值為4.0 MPa，因此注漿壓力選取5.0～5.5 MPa。

2.2 帷幕注漿施工措施

2.2.1 止漿墻施工

根據設計要求，并結合現場涌水及塌體情況，保證施工安全，止漿墻施作位置在掌子面退后10 m處開始施作，呈臺階式設置，止漿墻基礎擴挖施作臨時仰拱，擴挖深度80～120 cm，并施作抗滑錨桿，止漿墻采用分層澆筑，每層澆筑高度2～3 m，計劃分四層澆筑完成，在線路兩側邊墻分層次預埋6～8組Φ200泄水鋼管，并配止水閘閥，止漿墻按照單面模板的方式架立外模，內側采用集中引排水的方式，使止漿墻內側混凝土直接覆蓋于坍塌體之上。止漿墻施工示意圖如圖1所示。

2.2.2 鉆孔布置

根據變更設計圖紙要求，帷幕注漿孔呈圓環布置，隧道開挖輪廓線按照Vb襯砌類型開挖邊界線，結合擬采用的鉆機設備（德國寶峨鉆機KR-805）的作業空間及操作旋轉靈活性，并充分考慮到隧道四周加固圈及注漿擴得散半徑的對稱性，采用隧道上半斷面進行開孔布置，輻射至隧道全斷面加固圈的方式進行，以Vb型襯砌拱頂開挖輪廓線以下400 cm為基準圓心進行布置，其孔口布置圖如圖2所示。

根據擴散半徑及設計終孔間距3～4 m的要求，終孔布置均按照隧道輪廓線外8 m并與之同心的圓環進行布置，計算孔口與孔底坐標，并以此為依據計算其鉆孔時隧道軸向水平偏角與立角。鉆孔布置縱斷面圖如圖3所示，孔底如圖4所示。

由于采用半斷面布置開孔，加之鉆孔數量相對較大，為了保證每一鉆孔的孔口與孔底坐標控制，采用精確測量孔口坐標，準確控制鉆孔水平偏角和立角的措施，對各個鉆孔坐標及角度進行了計算。

2.2.3 鉆孔注漿工藝流程

（1）鉆孔注漿工藝流程

（2）鉆孔

①止漿墻采用C30素混凝土，首先鉆進φ130孔并安裝孔口管。

②調整鉆桿的仰角和水平角，移動鉆機，將鉆頭對準孔口管方向。

③利用多功能鉆機角度控制器對鉆桿角度進行調整。

④采取分段前進式注漿，每段長度為5～10 m，并根據鉆孔揭示地質圍巖狀狀進行調整，當在鉆孔過程中發生高壓突水等復雜地質情況時，立即暫停止鉆進，并采用微型攝像頭探錄已鉆孔孔壁地質情況，并根據探明的情況調整鉆孔參數，采取注漿封孔，然后再鉆下一段的方式進行，直至設計孔深。

⑤鉆孔按先外圈，后內圈，先下部后上部，由近到遠的順序進行。外圈孔，可先鉆底層孔，之后鉆上層孔，內圈鉆孔與外圈孔一樣先下后上。后序孔可檢查前序孔的注漿效果。逐步加密注漿。一方面可根據鉆孔的情況，調整注漿參數；另一方面如果鉆孔情況證明注漿效果已達到設計要求，即可進行下一圈孔的鉆進，減少鉆孔的工作量，加快施工進度。

⑥鉆機開鉆時，開孔要低壓低速鉆進，成孔后壓力可逐步上升。遇破碎帶和溶腔充填體時，改為低壓鉆進，謹防卡鉆。

（3）注漿

根據青云山隧道溶腔的性質，注漿的原則是：1）在巖層破碎帶以填充滲透注漿為主。2）在溶腔充填物中以先填充注漿、后高壓劈裂注漿、再以滲透注漿為主。正式注漿前，先進行注漿試驗，以掌握漿液填充率、注漿量、漿液配比、漿液凝結時間、漿液的擴散半徑、注漿終壓等參數，為后續注漿提供科學依據，確保注漿質量。

2.3 徑向注漿施工措施

針對該斷層地段，若在開挖后仍有巖面出現較大滲水需要堵水的情況下，采用3 m徑向注漿進行圍巖固結，注漿孔環向間距1.8 m，縱向間距2.6 m，注漿擴散半徑為2 m，孔口管采用Φ50無縫鋼管（δ=3.5 mm）長度為1 m，孔口采用閘閥作為止漿措施，注漿漿液采用水泥漿液，漿液水灰比根據試驗室配合比設計確定，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。徑向注漿布置如圖6所示。

2.3.1 注漿原則

針對漏水影響段的滲漏水情況，并結合節理裂隙發育情況，合理選擇漿液配比，以確保灌入漿液有效的擴散半徑，擴散半徑控制在3 m以內，混合漿液初凝時間控制在2 min以內。注漿孔位布置應遵循“分段，分批，逐步加密”的原則，針對不同的滲漏情況布設中深、淺孔，中深孔排水降壓，淺孔注漿；注漿時應遵循“先外后內、先稀后濃”的原則，即施工先從影響區邊緣向中心逐段逼近，灌注漿液濃度應由稀逐漸變濃。

2.3.2 注漿工藝

（1）作業方式：注漿方式采用全孔一次性壓入或間歇式壓入進行，便于漿液控制，必須采用雙液注漿機進行注漿，不得采用兩臺單液注漿機替代。

（2）注漿壓力：采用“分級升壓法”進行注漿壓力控制，開始注漿時，不宜將壓力升至過高，而應由低到高逐漸提高，注漿壓力一般控制出水點壓力的2～3倍范圍內，根據對滲水段的水頭壓力的估計值為0.7 MPa，因此，注漿壓力可取1.5～2.0 MPa范圍內，其具體值還應根據當時注漿量進行調整。

3 機械設備及人員配置

由于該段已發生大涌水，且在隧道周邊形成較大空腔體，鉆孔和注漿堵水難度較大，注漿施工按照“技術先進、設備精良、人員熟練”的原則進行，并考慮充足的富裕度，確保注漿工作的順利進行，其機械設備配置如表3所示，人員配置如表4所示。

4 安全保證措施

（1）把安全生產放在首位，加大組織力度，從行政組織上加以重視。

（2）加強監控量測工作，嚴格按照量測間距及量測頻率對斷層地段進行監控量測，實時撐握圍巖變形情況，根據量測結果及時調整施工方案。

（3）每項工序開始前均應對工班進行安全交底，每班上班前領工員、班長均應進行班前講話，使每位工人均能按照安全要求、技術要求進行操作。設專職安全員隨時對施工現場進行巡視，即時發現和排除安全隱患。

（4）加強機械設備的管、用、養、修制度，確保機況正常，嚴禁開病車、開快車等違章操作，非專職人員不得動用各種機械設備；特種作業人員必須持證上崗。

（5）重視個人自我防護，凡進入工地按規定佩戴安全帽。

（6）所有人員上班前4 h不得飲酒，特種作業人員上班前12 h不得服用有催眠作用的藥物。

（7）各工作面、施工路段均應設立明顯的安全警示標志和交通指示標志，必要時還應設專人看守、指揮。

（8）在注漿作業開始前，應仔細檢察圍巖及初支穩定情況，防止因坍塌危及作業人員和機械安全事故；并派專人仔細檢查電線管路、接頭等，防止注漿過程中發生因管線破損、接頭斷開等引發事故。

（9）進行注漿及噴漿作業時，必須配帶防護用具（安全帽、膠皮手套、雨衣褲、長統膠靴等）。

（10）注漿時設專人注意壓力表，防止在發生管路堵塞時未及時停機引起管路壓力過高破裂或擺動而引起的危害。在轉移注漿管時，必須首先關閉注漿機，管咀不得對準人。

5 注漿加固效果

該段采用帷幕注漿加固以后，采用了超長管棚進行加固，開挖支護類型采用了0.5 MPa抗水壓襯砌進行，即采用I18型鋼拱架全環錨噴支護，全包防水設計，抗水壓鋼筋混凝土襯砌。在開挖過程中加強了地質描述和圍巖及支護體系的變形監測工作，原松散坍塌體及前方破碎圍巖在注漿加固過程中膠結良好，裂隙充填密實，開挖過程中自穩性良好，無掉碴掉塊現象。在采用臺階法施工及仰拱全環土封閉后，圍巖變形迅速收斂形成自穩，目前該斷層破碎帶已安全通過。

6 結語

采用帷幕注漿加固斷層破碎和涌水地段是整個青云山隧道施工中的首次應用，注漿工藝采用全斷面布孔，先外環后內環，自下而上的注漿方式，并采用分段前進式注漿工藝，有效防止塌孔卡鉆現象，并通過縮短分段長度減少了其壓力損失，確保了注漿壓力的有效性。在注漿過程中全部采用高壓水先行洗孔，確保漿液的有效擴散半徑，漿液采用單液、雙液、單雙液綜合式，并根據P-Q-T關系進行動態調整，達到了預期注漿效果，為青云山隧道其它斷層施工提供了一定的經驗積累。

參考文獻

[1]卓越，孫國慶.齊岳山隧道F11高壓富水斷層帶注漿施工技術[J].中國工程科學，2009（11）.