高速鐵路隧道粉砂膠結層施工控制技術

張紹俊ZHANG Shao-jun

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原030024）

1 工程概況

云竹隧道位于新建太焦高鐵山西段，武鄉站和榆社西站之間，隧道全長3850m，最大開挖斷面150 多平米，最大埋深約97.92m，最小埋深僅1.5m。隧址區沖溝發育，地表植被較少，地下水主要賦存于第三系松散層孔隙及三疊系基巖裂隙中，以第三系松隙潛水為主，正洞最大涌水量16701.49m3/d，正常涌水量10208.92m3/d。隧道出口段洞身穿越第三系地層，粉質黏土、黏土、粉砂相互夾雜，局部膠結、半膠結，呈松軟結構；外界擾動時，半膠結砂層具有流動性；粉質黏土膠結層密閉節理發育，開挖卸荷導致節理開張，遇水軟化特性顯著，并具有膨脹性，拱腳易脫落，極易坍塌。

2 膠結層施工技術方案的確定

根據黏土、粉砂膠結層具有流動性、遇水膨脹性的工程地質特性，確定隧道穿越此地層按“管超前、預注漿、控進尺、早支護、快成環、控步距”的原則組織施工，關鍵工序施工工藝流程見圖1。

圖1 粉砂膠結層關鍵工序工藝流程圖

該段采用管棚+小導管超前支護，帷幕注漿超前固結前方土體，洞身開挖采用三臺階臨時仰拱法，機械法開挖輔以人工配合。初期支護采用I22a 工字鋼進行支護，間距0.6m，鋼筋網采用Φ8 鋼筋網@20×20cm，初支厚度30cm。臨時支護采用I18 工字鋼，臨時仰拱噴射混凝土厚18cm。

掌子面掘進每班一榀鋼架，開挖后立即對開挖面初噴，及時安裝鋼架及鋼筋網片并復噴至設計厚度，打設系統錨桿。臨時仰拱鋼架及時施作并噴錨防護，盡早初支成環；設立專門監測小組，按照設計監測頻率及時掌握沉降及收斂數據信息，以便采取有效措施，并及時調整支護參數。

3 施工技術控制要點

3.1 超前支護技術

①洞身粉砂層及膠結層段落，超前支護為拱部140°范圍Φ89 超前中管棚+Φ42 超前小導管，與鋼拱架一起共同受力，確保地層穩定，降低施工中地層沉降及滑塌風險。中管棚采用Φ89 熱軋無縫鋼管，壁厚5mm，長10m。鋼花管前端1.5m 不鉆注漿孔作為預留止漿段，其余部分開孔，孔間距14cm，梅花型布置。

管棚施工時，為保證管棚支護效果，盡量減小管棚外插角，現場采用在鋼拱架腹板位置燒孔，預留管棚打設位置，管棚端部與鋼拱架焊接一起。為了保證注漿質量，要用注漿壓力與注漿量雙指標控制注漿結束時間，同時可采取二次注漿的方式保證施工質量。[1]

小導管施工時，若地層適合成孔，先成孔再安裝小導管；具有流動性的粉砂半膠結層易塌孔，用鉆機帶小導管一次鉆進安裝到位。注漿施工前用噴混封閉開挖面，當單孔注漿量達到設計注漿量時，結束注漿。

3.2 帷幕注漿加固技術

掌子面采用全斷面帷幕注漿。現場帷幕注漿施工如圖2。

①孔位布置：注漿加固圈為開挖輪廓線外5m，每次注漿施工長度為30m，掌子面開挖25m，預留5m 地層作為止漿墻。第一循環采用1.5m 厚C20 砼止漿墻。注漿孔環向間距300cm，每次注漿施工打設111 個孔位。

②鉆孔：采用管棚鉆機成孔，開孔孔徑不小于108mm，孔底不小于90mm；孔口采用Φ108mm 無縫鋼管，長300cm，孔口管埋設牢固，止漿良好。鉆孔時遇涌突水或塌孔造成卡鉆時，暫停鉆孔，二次孔內注漿后再組織成孔作業。[2]

③注漿：鉆孔和注漿順序由外向內，同一圈孔間隔施工，注漿形式采用后退式注漿，巖層破碎容易造成坍孔時，采用前進式注漿。注漿材料采用0.8～1∶1 水泥漿，42.5 號普通硅酸鹽水泥。

④注漿結束標準：單孔結束標準：當達到設計終壓并繼續注漿10min 以上，且注漿量不小于設計進漿量的80%，單孔進漿量小于初始進漿量的1/4，支護后注漿達到設計終壓，單孔注漿結束。

全段結束標準：單孔注漿達到結束標準且注漿后段內涌水量不大于1m3/m.d 時，全段注漿結束，否則需要補注漿。

⑤注漿檢查：可采取鉆孔取芯法、壓水試驗法對注漿效果進行檢查，一旦發現注漿加固效果不良，必須進行補充注漿。[3]

圖2 現場帷幕注漿施工

3.3 洞身開挖及初期支護

洞身開挖采用三臺階臨時仰拱法，機械法開挖，堅持“少擾動、控進尺、早支護、快成環、控步距”的原則。初期支護采用I22a 工字鋼進行支護，間距0.6m，鋼筋網采用Φ8鋼筋@20×20cm，噴射混凝土厚度30cm，Φ42 鎖腳錨管，長4.5m。臨時支護采用I18 工字鋼，臨時仰拱噴射混凝土厚18cm。

厚4cm 初噴混凝土、鋼筋網、鋼架、復噴、錨桿、鎖腳錨管等初支工序連續作業，并自檢合格。鋼拱架安裝要緊貼掌子面，防止初支施工過程中，拱頂掉塊及降低砂層流動性帶來的溜塌風險。

臨時仰拱拱架拆除需待圍巖監測數據穩定后方可進行。拆除臨時仰拱時，先拆除上臺階臨時仰拱，同時在拆除的過程中做好拱頂下沉，周邊收斂的監測。上臺階臨時仰拱拱架拆除后如果監測數據穩定則可拆除中臺階臨時仰拱。

隧道施工成立專業超前地質預測預報小組，并將該項工作納入施工工序管理，實現信息化施工，提前掌握開挖地層的特性，確定合理的支護參數和施工方法，制定施工中可能出現的各種問題的處理預案，確保工程質量和施工安全。針對該類型地層，隧道內主要采用超前水平探孔、掌子面地質素描、TSP 等超前預報手段。

3.4 新形勢下仰拱及二襯逐窗入模技術

面對新形勢下高鐵建設管理新常態和鐵總質量安全紅線管理規定要求，需全面提升質量安全意識。隧道襯砌方面，根據國鐵集團《高鐵建設項目質量安全紅線暫行管理辦法》規定，混凝土強度不足及仰拱、二襯安全步距超標均屬紅線問題。針對這一形勢，我們嚴控仰拱及二襯施工步距，二次襯砌采用逐窗澆筑、拱頂帶模注漿技術，規避襯砌砼缺陷風險；現場施工見圖3。

對于襯砌強度不足問題，由于傳統布料工藝易造成二襯混凝土出現蜂窩麻面、集料窩、冷縫等質量問題，為滿足質量要求，二襯施工采用混凝土逐窗入模工藝，避免傳統澆筑工藝缺陷，有效保證襯砌混凝土質量。具體澆筑流程工藝為：設置砼分流裝置，通過主輸送泵管、料斗、各級滑槽、漏斗達到逐窗入模。在一級窗口進料時，關閉二級、三級窗口；二級窗口進料時，關閉一級、三級窗口；三級窗口進料時，關閉一級、二級窗口。

對于仰拱步距問題，在保證下臺階工作長度的情況下，仰拱及時開挖，及時支護，盡早封閉成環，整體受力，確保支護結構穩定；滿足條件時盡早施工仰拱及填充。對于二襯步距問題，仰拱施工后，在初期支護變形滿足條件情況下，要配足人員，及時施工襯砌混凝土，尤其是對于粉細砂膠結層等不良地質地段，施工中要盡量縮短二襯步距，以保證施工安全。

圖3 現場拱頂帶模注漿

4 施工注意事項

①由于該地層擾動后局部有流動性、遇水軟化膨脹的特性，施工中尤其重視地下水的引排及施工用水的收集，避免浸泡拱腳、墻腳，降低地層承載力。②機械法開挖人工配合過程中，安排專人觀察各開挖面地層穩定情況，防止大塊度膠結層掉落傷人、傷設備。③超淺埋粉砂膠結層地段，提前施工地表注漿及地表排水設施，再按照以上工藝流程做好洞內預支護、預注漿。④掌子面的開挖進度要與仰拱步距紅線要求相適應，步距不能超標；同時掌子面進度仍需滿足各監管方要求，勢必要增加仰拱作業人員及模板的投入，做到24 小時不間斷施工仰拱。⑤加強二次襯砌逐窗入模及拱頂帶模注漿施工管理，切實降低二襯混凝土背后脫空及強度不足引起的紅線監管壓力。

5 結束語

太焦高鐵云竹隧道黏土、粉砂膠結層段落施工，通過應用超前管棚+超前預注漿加固技術，在洞身開挖及支護過程中取得良好效果；二次襯砌采用逐窗入模及拱頂帶模注漿施工技術，在各級監管檢查及多次國鐵集團紅線檢查中評價良好。諸多施工技術的應用，確保了整個施工、驗收階段安全、平穩，在其他不良地質地段亦有較大的借鑒意義。在進行類似隧道工程施工時，可根據具體施工環境并參考該施工技術合理選擇施工方案，以確保隧道施工質量可靠、安全可控、信譽可保。