白云巖砂化地層條件下隧道施工工藝研究

丁榮春

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

1 工程概況

成昆鐵路吉爾木隧道位于四川省越西縣境內，全長11132m，洞身主要通過灰巖、玄武巖、頁巖、泥巖夾煤線、泥巖夾砂巖、白云質灰巖、白云巖等16套地層，1條斷層、1處斷層影響帶，地質復雜多變。其中1#橫洞工區、2#橫洞工區、3#橫洞工區主要為白云巖地層，白云巖砂化現象嚴重，施工中多次發生突水涌泥現象，如何在砂化白云巖地層條件下順利施工成為工程控制重點。

2 隧道在白云巖砂化地層中施工時遇到的問題

2.1 無水地質條件下

掌子面在無水地質條件下具有一定的強度及自穩性，未擾動時巖體強度較大，施工中需爆破開挖，隧道開挖風險在可控范圍之內。但是，開挖過程中應嚴格控制開挖進尺及支護時間，減少圍巖暴露時間。開挖進尺過大、初期支護不及時容易造成拱頂圍巖失穩，造成局部掉塊、冒頂、坍塌等危害。

2.2 地下水發育地段

白云巖砂化地層在地下水發育地段，圍巖穩定性變差，受裂隙水浸泡，巖體軟化嚴重，掌子面自穩性較差，存在失穩現象[1]。砂化白云巖在地下水攜帶作用下容易形成水道，造成突水涌泥現象，隧道開挖風險極高。施工過程中主要存在以下幾種風險：

1）掌子面在地下水作用下極易發生坍塌和垮塌。

3）掌子面開挖過程中，砂化白云巖在地下水攜帶下形成塌腔，并在地下水作用下逐漸增大，最后形成突涌。

4）支護完成后由于拱腳遭地下水浸泡，造成局部下沉，引發掉拱、塌方。

3 白云巖砂化地層下開挖方法選擇

為解決砂化白云巖地層中的開挖施工，重點是要解決富水地層及砂化嚴重地段的掌子面失穩及突水突砂情況，開挖方法具體內容如下。

3.1 銑挖法

對于白云巖砂化情況不嚴重，掌子面自穩性較好的情況，采用爆破與銑挖相結合的施工方法，鉆眼時通過調整鉆爆參數，使爆破后開挖面保留50cm左右巖層。出碴結束后，對欠挖巖層使用銑挖鉆頭銑挖處理。該方法可以減少開挖時對周邊巖層的擾動，控制超挖，減少立架及噴射混凝土時間。

對于砂化嚴重，圍巖強度較低，但掌子面自身尚有一定自穩性的地段，可采用全斷面銑挖的方式。通過現場試驗，在該類巖層中銑挖速度最大可達到50m3/h。銑挖時，每次進尺控制在0.5-0.8m。采用銑挖作業可避免爆破作業時爆炸波對周圍巖層的擾動，保持周邊圍巖的整體性，減少開挖后立架過程中周邊圍巖的塌落及后續圍巖對拱架的作用力。

3.2 凍結法

在富水白云巖地段，當地下水量較大，無法采用正常法掘進施工時，可考慮采用凍結法施工：用人工制冷的方法，將待開挖隧道輪廓線周圍土體中的水凍結為冰，并與土體膠結在一起，形成一個設計輪廓范圍內的凍土墻或密閉的凍土體，用于抵抗土壓力，隔絕地下水，并在凍土墻的保護下，進行隧道開挖。當巖體中含水率非常小或地下水流速相當大時，該方法不適用。

3.3 常規措施及方法

常規措施及方法有以下幾點：

草甘膦自1985年在中國登記使用，目前登記狀態有1347種藥。這種滅生性除草劑種類并不多，有草甘膦、百草枯、草銨膦，各有優缺點。近日，江西公布有三批次茶葉被檢測出草甘膦檢出值超標。為什么國內市場草甘膦也不能很快被更安全的草銨膦替代？答案就在草甘膦與草銨膦的成本對比之中。從成本上看，一噸草甘膦的價格大約在2萬元，而一噸草銨膦的價格大約在15萬元。兩者之間的價格鴻溝就是橫亙在茶農眼前的天塹。

1）超前支護：采用中管棚結合超前小導管進行注漿加固，防止掌子面失穩。

2）地下水富集地段，減小開挖斷面，分部開挖，每循環開挖采用噴射混凝土封閉掌子面，避免掌子面圍巖裸露時間過長，出現滲水、失穩現象。開挖時適當加大預留變形量，防止沉降過大造成侵限。開挖進尺根據現場圍巖情況適當調整，控制在0.5～1.0m范圍內。

3）初期支護：采用Ⅴc型復合襯砌進行支護，當圍巖較差時可減小拱架間距，拱架安裝時應緊貼掌子面，減少拱架與掌子面間的間隙，防止拱架與掌子面間暴露部分出現坍塌現象。

4）遵循快挖、快支、快封閉的原則，上、中、下臺階分別開挖支護，隨開挖，隨支護，快循環。

5）做好隧道內排水引排措施，初支拱腳處挖設排水溝，避免浸泡拱腳造成拱架和基底軟化。基底已軟化的松散層及時清理換填，避免翻漿。

4 白云巖砂化地層下超前支護方式的選擇

由于白云巖砂化地層漿液的擴散性較差，注漿不容易形成加固整體，因此選擇合適的超前支護方法和注漿材料尤為重要。通過施工試驗及現場總結，確定了如下施工方法。

4.1 雙層自進式管棚（錨桿）支護

砂化白云巖地層圍巖自身整體性較差，超前管棚及小導管施作時容易出現塌孔、卡鉆現象，因此施工時可選擇自進式管棚（錨桿）支護技術，通過控制管棚（錨桿）間距，形成封閉式棚護結構達到支撐拱部圍巖的效果。管棚布置圖見圖1。

圖1 雙層管棚支護圖

1）導管規格：熱軋無縫鋼管；外徑89mm，壁厚6mm。

2）施做范圍及管距：環向間距20mm（根據現場情況可適當加密至可施作的最小間距），施做范圍拱部161°。

3）傾角：外插角以1°～3°為宜，可根據實際情況調節。

4）注漿材料：1：1水泥漿，當圍巖破碎，為調凝需要，可部分采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液強度≥M10，水泥選用超細水泥，保證擴散效果。

4.2 采用高壓水平旋噴樁進行超前加固

噴射注漿法又稱旋噴法注漿，簡稱旋噴樁。高壓水平旋噴樁對處理淤泥、淤泥質土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等具有良好的加固效果，將預先配置好的漿液通過高壓發生裝置獲得巨大能量后，從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞松散圍巖，噴射過程中，鉆桿邊旋轉邊退出，使漿液與圍巖充分攪拌混合，在松散圍巖中形成一定直徑的柱狀固結體，從而使圍巖得到加固，同時鎖腳部位也可以采用旋噴樁進行加固。

高壓水平旋噴樁施工工藝較復雜，施工速度較慢，在塌腔較大、砂化較嚴重的地段可選用這種施工工藝。

4.3 玻璃纖維錨桿全斷面超前預加固技術

在掌子面進行干鉆，鉆孔近似平行于隧道軸線并均勻分布在掌子面上，長度一般大于隧道直徑。鉆孔后將玻璃纖維錨桿（組合錨桿）插入孔內并立即注入水泥漿。當隧道掘進后，掌子面超前核心土中玻璃纖維錨桿（組合錨桿）的剩余長度不足以確保隧道的預約束時則需布設下一排玻璃纖維錨桿。

玻璃纖維錨桿有良好的抗拉強度和較大脆性，能有效控制掌子面擠壓變形的同時，開挖過程中挖機可以很容易將其挖斷。該工藝可以有效地改善掌子面超前核心土的應力-應變特性，使其得到預測和控制，從而充分發揮洞室的預約束效應。

5 結語

綜上，白云巖砂化地質條件決定了其在施工工程中會容易發生坍塌、突泥、突砂等地質災害，因此，選擇合適的開挖工法及超前加固措施尤為重要。施工中可以多種方法搭配使用，最大限度減少砂化白云巖對隧道施工的危害。