復(fù)雜地質(zhì)條件下Ⅴ、Ⅵ軟弱圍巖隧道快速成環(huán)施工技術(shù)

羅彬

中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司 安徽 合肥 230021

1 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的高速鐵路、高速公路誕生，應(yīng)運(yùn)而生的大量隧道工程項(xiàng)目施工[1]。然而軟弱圍巖大變形是隧道施工的一大難題，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。尤其是泥巖、煤層、富水復(fù)雜地質(zhì)條件下軟弱Ⅴ、Ⅵ圍巖隧道施工，宜發(fā)生沉降變形、滑塌、突水突泥等事故，甚至危及施工人員生命安全。眾多學(xué)者的探索下提出了地表注漿、超前帷幕注漿、超前管棚等施工方法[1][2][6]，由于施工環(huán)境、條件不同，每一種處理方式不能照搬，要根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行探索與改進(jìn)。本作者根據(jù)在五谷山1號(hào)隧道泥巖、煤層、富水復(fù)雜地質(zhì)條件下Ⅴ、Ⅵ圍巖隧道施工中，通過(guò)地表注漿、超前帷幕注漿、徑向注漿等多種工藝試驗(yàn)對(duì)比，提出了一種快速封閉成環(huán)的施工方法，有效解決了軟弱圍巖大變形的難題，有效控制了沉降變形，保障了施工安全。

2 工程概況

五谷山1號(hào)隧道位于山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣城，隧道全長(zhǎng)1900m。隧道通過(guò)地段主要以石灰?guī)r為主，局部地段夾泥灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，部分地段奧灰界面溶隙、溶槽、巖溶發(fā)育，DK232+214～DK232+435段現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯及掌子面揭示，本段以高液限粉質(zhì)黏土、弱風(fēng)化泥巖、弱薄層狀煤線、砂巖、鐵礦石和強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r組成，巖體極破碎，富水、局部有溶腔判斷為Ⅴ級(jí)，局部為VI級(jí)圍巖。

圖1 隧道現(xiàn)場(chǎng)情況

圖2 隧道地質(zhì)圖

3 風(fēng)險(xiǎn)情況

3.1 圍巖大變形

在施工過(guò)程中沉降變形[3][4]較大，拱頂開累沉降最大量為1784m,侵限為1005mm，日均沉降達(dá)7-8cm，鋼架已發(fā)生變形。

表1 沉降變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 突水

隧道施工過(guò)程中發(fā)生涌水突泥，掌子面股狀出水流量約10m3/h，突泥量約60m3。初支長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)潮濕滴水狀態(tài)，有的甚至滴水成線。

3.3 滑塌

開挖過(guò)程中線路右側(cè)拱腰部位突然出現(xiàn)連續(xù)性小面積掉塊，且圍巖巖體間伴隨著線狀出水；掌子面地表處突然出現(xiàn)沉陷，塌陷區(qū)域呈圓形，直徑約8m，深度約7m，落方量約350m3，坍體頂端線路縱向長(zhǎng)度達(dá)17m。

4 施工技術(shù)措施

4.1 地表注漿

注漿范圍為拱頂以上5m、隧底以下3m，左側(cè)開挖輪廓線外5m，右側(cè)開挖輪廓線外5m。地表注漿孔布置按照2.0mx2.0m梅花形布置鋼性袖閥管，采用普通水泥—水玻璃雙液漿，袖閥管分段后退式注漿施工工藝，先外后內(nèi)，跳孔注漿，注漿終止壓力6.0～8.0 MPa，如下圖所示。

圖3 隧道現(xiàn)場(chǎng)情況

開挖掌子面揭示注漿沒有達(dá)到理想效果，地層中只有少量漿液線，或漿液聚集塊，大部分地方呈現(xiàn)原狀土，沉降變形依然超過(guò)5mm/d[3][4][5]。分析原因只要是地層復(fù)雜，新黃土地層，密實(shí)滲透性小，在地層沒有被擾動(dòng)前，沒有漿液滲透通道，漿液流入溶槽形成塊，或個(gè)別裂隙通道流失。

4.2 洞內(nèi)帷幕注漿

采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆108孔，安裝89鋼管。全斷面注漿采用鉆桿后退式分段注漿與分段前進(jìn)式注漿相結(jié)合的施工工藝，前進(jìn)式注漿分段段長(zhǎng)8～10m或鉆孔出水量超過(guò)5m3/h時(shí)停鉆注漿，鉆桿后退式注漿分段長(zhǎng)度2～4m，注漿前鉆設(shè)3～5個(gè)注漿孔對(duì)前方地層進(jìn)行判別并確定注漿工藝，先注內(nèi)圈后外圈，同一圈孔間隔施工。

注漿材料以早強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，單液漿配比：W：C=0.8：1，普通水泥-水玻璃雙液漿配比：W：C=（0.8～1）：1，C：S=1：1，硫鋁酸鹽水泥標(biāo)號(hào)42.5，普通硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)P.0 42.5。

注漿終壓2～4MPa，注漿順序按由外向內(nèi)、自上而下、間隔跳孔原則進(jìn)行施工。

圖4 隧道現(xiàn)場(chǎng)情況

開挖掌子面揭示注漿沒有達(dá)到理想效果，由于地層沉降變形大，掌子面相對(duì)密實(shí)，后方相對(duì)松散，且注漿過(guò)程中掌子面后方還有沉降變形發(fā)生，為漿液流向打開了通道，故部分漿液反噬，漿液流向后方，對(duì)后方初支增加壓力，故注漿效果不理想，相反后方沉降加大。

4.3 預(yù)留核心土+上、中臺(tái)臨時(shí)仰拱短臺(tái)階快速封閉成環(huán)施工

針對(duì)上述措施沒有達(dá)到效果后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究分析，遵循隧道施工的“短開挖、快封閉”[1][2][6]原則，提出采用預(yù)留核心土+上、中臺(tái)階臨時(shí)仰拱短臺(tái)階快速封閉成環(huán)施工方法。

臺(tái)階長(zhǎng)度上臺(tái)階3～6m、中臺(tái)階5～8m，左右錯(cuò)開不小于4榀拱架，掌子面預(yù)留2～3m核心土穩(wěn)定掌子面，掌子面開挖后及時(shí)進(jìn)行初噴穩(wěn)定土體，然后安裝臨時(shí)仰拱，掌子面開挖1榀鋼架間距，中下臺(tái)階每循環(huán)開挖2榀，同時(shí)開挖作業(yè)面不大大于3處，且中、下臺(tái)開挖必須采用對(duì)角開挖，左右交錯(cuò)進(jìn)行，超前小導(dǎo)管間距20cm。上、中臺(tái)階臨時(shí)仰拱緊跟進(jìn)尺，仰拱緊跟，仰拱3m一開挖6m一澆筑，仰拱封閉成環(huán)距掌子面不得大于25m，二襯距離掌子面不得大于70m。見圖5所示。

圖5 隧道施工方法示意圖

通過(guò)該施工方法，沉降變形得到有效控制，變形量控制在允許范圍內(nèi)，不大于5mm/d[3][4][5]，確保了隧道順利貫通。

掌子面核心土穩(wěn)定掌子面，開挖后及時(shí)施工上、中臺(tái)臨時(shí)仰拱，讓上、中臺(tái)分別形成各自小的閉合環(huán)從而抑制土體沉降變形，仰拱及時(shí)跟進(jìn)后形成大的閉合環(huán)。

表2 沉降變形統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

五谷山1號(hào)隧道泥巖、煤層、富水復(fù)雜Ⅴ、Ⅵ級(jí)軟弱圍巖施工中，采用了地表注漿、帷幕注漿、徑向注漿[1][2][6]等多種施工方法，由于地層、施工、環(huán)境等多種因素影響，均未有效控制住沉降變形。后采用預(yù)留核心土+上、中臺(tái)臨時(shí)仰拱短臺(tái)階快速成環(huán)的施工方法有效控制了沉降變形，確保了施工安全、隧道順利貫通。因此，認(rèn)為對(duì)應(yīng)復(fù)雜軟弱圍巖地層隧道施工，尤其是Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖，采用預(yù)留核心土+上、中臺(tái)臨時(shí)仰拱短臺(tái)階快速成環(huán)的施工方法能有效控制沉降變形，解決施工難題。