藏噶隧道穿越冰水沉積層圍巖加固與掘進技術

朱胥仁 彭學軍 陽軍生 楊曾

（1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南長沙 410117；2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075）

1 工程概況

拉林鐵路藏噶隧道地處藏南谷地高山區，山高谷深，氣候惡劣。該隧道為單線隧道，全長8 755 m，隧址區地處高海拔，各巖層間為角度不整合接觸［1］。區域性斷裂構造極為發育，巖體較破碎，洞身共穿越7條斷裂帶，不良地質發育。特別是隧道DK166+915—DK167+830 段洞身穿越冰水沉積層，全長915 m，如圖1所示。

圖1 冰水沉積層段地形地貌

此段隧道埋深48.9～114.2 m，地層巖性為碎石土，成分以石英砂巖、花崗巖、閃長巖為主，粒徑60～150 mm。地下水水位埋深較淺（約27～51 m），且極為豐富。在施工中若地表水下滲形成導水通道，則涌水量更大，因此采取有效的地層加固止水措施極為必要。

2 穿越冰水沉積層隧道施工風險分析

冰水沉積層是原生冰磧體在冰川融水或降雨徑流的沖刷和搬運作用下，在坡度降低的寬谷堆積形成的土石堆積體。該類堆積體磨圓度和分選性較差，多呈泥石流沖積扇或沖洪積河谷平原的地貌形態［2-3］。地下水出露豐富，并在地表形成長年有流水的沖溝，見圖2。

圖2 DK167+405處地表沖溝

經現場調研，隧道在穿越冰水沉積層段過程中，受季節性降雨的影響，在枯水季節水位低、水量小，隧道掌子面雖具有一定穩定性，但隧道施工易引起坍塌、冒頂、掌子面失穩等事故，而在富水季節冰水沉積層直接受地表水補給，極易發生突泥涌水，施工風險極大。藏噶隧道DK167+335 掌子面出現突泥涌水情況，涌出物為砂礫石加塊石土，其隨水流逐漸沖散，同時在地下水流通情況下冰水沉積層中的小顆粒泥砂易被帶走流失，在隧道洞周形成空腔，加劇了地層失穩坍塌的風險，為隧道長期運營引來引患。由此可見，冰水沉積層是一種空間結構復雜的非均勻、不連續的巖土介質，土、石相物理力學性質差異大，自穩性差，如何保證隧道在富水季節與枯水季節安全高效地穿越該段地層是工程的重難點。

鑒于此，富水季節和枯水季節先分別采用“帷幕注漿+管棚+小導管”和“管棚+小導管”的圍巖注漿加固方案，然后采用小斷面三臺階開挖法施工。

3 圍巖加固與隧道施工技術

3.1 超前帷幕注漿加固技術

富水季節采用分臺階超前帷幕注漿對地層進行加固止水處理。注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿段落長30 m。其中：開挖支護長25 m，止漿墻長5 m。

1）超前帷幕注漿目的

在富水季節，通過對隧道周邊圍巖進行超前帷幕注漿，使之在隧道開挖輪廓線外形成一道止水帷幕，以減小滲流量，防止滲漏水對圍巖產生滲流破壞，減少后期滲漏水處理難度和處理費用，同時加固圍巖，減小后期開挖、支護過程中的坍塌風險。

2）注漿鉆孔設計

根據隧道圍巖情況進行3 次帷幕注漿，注漿段落分別為DK166+915—DK166+945，DK166+945—DK166+975，DK166+320—DK166+350。參考現有經驗和方法［4-6］，并結合現場施工情況，每次帷幕注漿分7 環實施，每環孔數依次為37，31，25，18，12，6，1。全斷面布孔共計130 個。其中，單孔有效擴散半徑為2 m，同一斷面相鄰終孔間距不大于3 m。注漿斷面見圖3。

圖3 超前帷幕注漿斷面（單位：cm）

3）注漿參數設計

為滿足冰水沉積層堵水加固的要求，參考隧道相關注漿理論和技術［7-10］，本次注漿按“先外后內，自下而上、間隔跳孔”原則進行。外圈眼采用凝結速度快的普通水泥-水玻璃雙液漿進行堵水，內圈眼根據鉆孔地質條件和地下水情況選擇快硬硫鋁酸鹽水泥單液漿或普通水泥單液漿，注漿壓力為1.5～2.0 MPa，水玻璃波美度為40 Be'。需要注意的是，在帷幕注漿薄弱地段開挖時需采用超前小導管進行補強注漿。漿液配比參數見表1。

表1 漿液配比參數

單孔注漿結束標準：①注漿壓力逐步升高至設計終壓，并繼續注漿10 min以上；②注漿結束時進漿量小于初始進漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.15 L/（m·min）。須同時滿足以上2個條件，方可結束。

全段注漿結束標準：①所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注現象；②注漿后涌水量小于1 m3/（m·d）；③漿液有效注入范圍大于設計值；④從檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿。須同時滿足以上4 個條件，方可結束。

3.2 超前管棚注漿施工技術

1）管棚參數設計

為防止隧道開挖過程中發生塌方、掉塊等現象，隧道拱部144°范圍布設長管棚作為超前支護。管棚鋼管為φ89×6 mm 熱軋無縫鋼管，每隔6.4 m 設置1 環，每環設27 根鋼管，鋼管長10 m。相鄰鋼管環向間距40 cm，管棚外插腳10°～15°，如圖4所示。管棚鋼管上鉆注漿孔，直徑10～16 mm，孔縱向間距10～20 cm，呈梅花形布置，尾部留不小于100 cm 的無鉆孔止漿段。注漿采用隔孔壓漿法。

圖4 超前管棚縱向布置示意

2）施工控制要點

①地層鉆孔容許偏差：沿隧道徑向孔距±150 mm，孔深±50 mm；②鋼管搭接：每節鋼管長3～6 m，采用絲扣牢固連接，絲扣長15 cm，同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯開1 m；③管棚外插角：根據不同區段縱坡坡度進行調整，DK166+915—DK167+550 段縱坡坡度為0.3%（上坡），實際施工時以 13°為宜；DK167+550—DK167+830 段縱坡坡度為0.9%（下坡），實際施工時以12°為宜。

3）注漿參數設計

注漿材料為水泥漿液，水灰比為0.5∶1～1∶1，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。根據施工經驗，注漿順序為由下而上、由墻角向拱頂順序間隔施作。單孔注漿結束標準：注漿壓力逐步升高至設計終壓，并繼續注漿10 min 以上；注漿量不小于設計注漿量的80%；進漿速度小于初始進漿速度的1/4。當所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注現象，即達到全段注漿結束標準。

3.3 小斷面三臺階開挖法

隧道穿越冰水沉積層段采用小斷面三臺階開挖法（加臨時橫撐），堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤測量”的原則，以錨桿、鋼筋網、噴射混凝土、鋼架作為主要施工支護手段，以保證隧道施工安全。

小斷面三臺階開挖法施工工序如圖5所示。

圖5 小斷面三臺階開挖法施工工序

首先開挖①部，施作①部周邊初期支護，架設①部臨時橫撐；然后滯后①部5～10 m 開挖②部，施工邊墻初期支護；滯后②部5～10 m 開挖③部，施作隧底噴射混凝土及鋼架；滯后③部5～10 m，一次性灌注Ⅰ部仰拱及邊墻基礎，灌注Ⅱ部仰拱填充至設計高度，最后施作防排水工程，一次性灌注Ⅲ部拱墻襯砌。

4 實施效果分析

4.1 帷幕注漿加固效果檢查

1）注漿結束后，在主要出水點附近打設檢查孔，檢查孔數量為總注漿孔數5%～10%，檢查孔長度應覆蓋注漿段長。經察看檢查孔成孔較好，未塌孔，無涌水涌泥。

2）隧道開挖后，在帷幕注漿段拱部鉆設3 個徑向檢查孔，孔深4 m，鉆孔直徑50 mm，檢查孔成孔較好。對檢查孔出水量進行測定，單孔出水量需小于0.15 L/（m·min）。若大于0.15 L/（m·min），則進行徑向補充注漿，直至每孔出水量滿足要求為止。測定結果顯示，所有檢查孔出水量均滿足要求。

3）在掌子面拱頂、拱腰、隧底附近鉆芯取樣，發現芯樣中漿液分布較均勻，加固脈絡明顯，土石間充填效果較好，測得漿液的擴散半徑為2.0～2.5 m，滿足設計施工要求。

4.2 藏噶隧道實際施工效果

隧道穿越冰水沉積層段過程中，現場根據掌子面地質條件及地下水情況，在富水季節先后進行了3 次帷幕注漿，并結合管棚加小導管進行補強注漿加固；在枯水季節則直接采用“管棚+小導管”進行超前注漿加固。整個施工過程中超前注漿加固堵水效果良好，保證了施工安全及進度。

隧道冰水沉積層段施工進度見表2。

表2 隧道冰水沉積層段施工進度

由施工進度統計結果可知，在富水季節采用“帷幕注漿+管棚+小導管”的圍巖加固措施，現場最高月平均進度僅15 m，施工進度緩慢；在枯水季節采用“管棚+小導管”的圍巖加固措施，現場最高月平均進度高達49.3 m，最低月平均進度也有36.6 m，顯著加快了施工進度。因此，根據不同季節，針對性地采用不同圍巖加固堵水方案，可使隧道安全高效地穿越冰水沉積層段。

5 結論

基于對新建川藏鐵路拉林段藏噶隧道所穿越的冰水沉積層的特性分析及現場調研，發現在富水季節隧道施工中突涌水問題突出。結合工程實際，針對富水季節和枯水季節，分別先采用“帷幕注漿+管棚+小導管”和“管棚+小導管”的圍巖加固措施，然后采用小斷面三臺階開挖法施工。實踐證明，采取以上方案可有效保證隧道施工安全和進度。