隧道穿越巖體破碎帶超前支護施工技術

段玉武

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概況

九綿高速桂溪隧道左線(ZK191+377.083-ZK194+425)長3 048 m，右線(右線為K191+335.877-K194+419.5)長3 083.7 m，為雙向隧道，左右分開施工，隧道凈空高度為8.65 m，寬度達11.06 m。隧道左線綿陽端內路面縱坡為2.25%的上坡，隧道右線縱坡為2.25%的上坡，出口路面橫坡2%。左線明暗交界樁號為ZK194+412，洞門形式為削竹式；右線明暗交界樁號為K194+410，洞門形式為端墻式。

按照水文地質勘察的結果分析，桂溪隧道施工區域內，不存在較大的泥石流、采空區等不良地質問題，利于隧道開挖施工。但施工區域內裂隙帶發育，巖土破碎嚴重，成洞性比較差，隧道穩定性較差，在隧道開挖施工中容易發生掉塊、坍塌等問題。工程施工的主要重難點在于，斷層破碎圍巖段如何有效控制支護效果，防坍塌和防突水、突泥。

2 斷層破碎圍巖段隧道超前支護關鍵技術

2.1 雙排超前小導管

雙排超前小導管是軟弱圍巖隧道開挖時經常采用的一種支護工藝，主要應用于自穩時間不長的軟弱斷層破碎巖層帶、隧道淺埋段、隧道洞口偏壓段、隧道砂層段巖體破碎帶。

K192+064-K192+181(ZK192+023-ZK192+148)、K192+504-K192+623(ZK192+469-ZK192+582)段落區間為L2、L3裂隙密集帶，V級圍巖地段，含有礫石層、中砂、粗砂，易發生涌水現象，設計的襯砌類型為Z5a，襯砌參數見表1。超前支護則采用了直徑為42 mm的小導管，小導管布設的間距可按照現場實際情況進行有效的加密處理。雙排超前小導管斷面施工如圖1所示。

雙排小導管的直徑為42 mm，壁厚4 mm、長度4.5 m。為提升支護效果，小導管連接時，接頭要注重搭接長度的控制，不應低于100 cm；外層挖插角則需要控制在15°左右；進尺深度有兩種，一種是0.6 m，另一種是0.5 m；超前小導管的排距控制在3 m左右[1]。

表1 V級圍巖地段洞身襯砌參數

圖1 雙層超前小導管施工布設

雙排小導管施工步驟為： ① 鋼格柵加工成拱形結構，隧道開挖輪廓線與鋼格柵輪廓線吻合。 ②在拱頂150°夾角范圍內，把第一、二排小導管鉆進去，確保第一排小導管與隧道開挖輪廓線呈8°，確保第二排小導管與隧道開挖輪廓線呈45°，兩排小導管間環向間距設計為30 cm。③把水灰比為1∶0.6～1∶0.8的水泥漿注進小導管；當周邊土體達到強度要求后，接著開挖隧道土體。④安放下一榀鋼格柵，并與前一榀鋼格柵牢固焊接。⑤重復先前步驟，直至穿過所有雙排小導管施工區域。

在富水地段應用雙層超前小導管支護技術時，需要在掌子面上成孔注漿，漿液的壓力和飽滿度要進行嚴格控制，以便巖隙中的水能夠被全部擠出，促使漿液能注滿整個巖石裂隙。讓巖體和漿液形成一個穩定的整體，以提升加固效果[2]。在必要時可適當增加周邊深孔預注漿，開挖之后再進行周邊注漿，但此時注漿材料要選擇純水泥漿液。

2.2 全斷面深孔預注漿

如果通過超前地質預報發現隧道不僅掌子面而且周邊都存在一定的涌水和突泥風險，此時可以采用全斷面深孔預注漿，可以迅速把漿液與破碎巖體及土層顆粒粘接在一起，形成一個加固整體，不僅提高穩定性，而且還可以提高防滲性。

實行全斷面深孔預注漿涉及的段落區間的工程地質及水文地質情況：K193+470-K193+561(ZK193+434-ZK193+522)段落區間為厚度比較大的軟塑狀富水斷層破碎帶L4，含有碎石層、粗砂，是孔隙率較大的松散地層，發生涌(突)水現象可能性大，故采用全斷面預注漿技術。進行注漿的區域是隧道開挖輪廓線向外6 m的范圍，注漿深度為30 m左右，選取157個鉆孔進行注漿，開孔位置需要結合現場實際情況進行酌情調整[3]。在止漿墻中預埋規格為?127 mm×7 mm的無縫鋼管，其長度控制在300 cm左右，外露部分不宜小于25 cm，作為止漿墻施工的空口管，止漿墻前端需深入圍巖至少30 cm。具體的超前深孔預注漿布置如圖2、圖3所示。

根據現場及設備配置情況，分成四段將水灰比1～0.8的水泥漿開注，四段長度依次是1 200、1 800、2 400和3 000 cm，保證漿液能夠滲流到圍巖巖隙中，提升圍巖支護效果。

本工程注漿孔主要施工步序及重要參數：采取

圖2 全斷面深孔預注漿橫斷面布置(單位：cm)

圖3 注漿孔縱斷面(單位：cm)

傘狀布設方法，布設多圈注漿孔，內圈和外圈的注漿孔要交錯布設，避免布設在同一條直線上，相鄰注漿孔要采取長短相間的方式布孔，以控制漿液半徑不低于11 cm。采取水泥+水玻璃的復合型漿液，水泥漿液的水灰比設定為0.8，添加0.3%～0.5%的水玻璃。從外向內注漿，如果注漿孔同圈，要先對上部注漿孔進行注漿，再對下部注漿孔注漿，間隔跳孔注漿，直到一個注漿段注漿完成之后，塞上止漿塞，控制每次循環注漿的長度不超過40 m，單孔注漿時，漿液擴散半徑不應低于2.5 m。

注漿壓力對注漿效果等都有很大影響。因此，在采取超前帷幕注漿支護技術時，需要對注漿壓力進行嚴格控制[4]。此外，注漿量也需要嚴格控制，注漿量的計算公式如下[5]：Q=πR2Lnaη。式中：Q為每個注漿孔的注漿量；R為注漿孔漿液擴散半徑；L為注漿孔的實際長度(m)；n為注漿孔所在地層的巖土裂隙率；a為巖石裂隙中的漿液實際填充系數值；η為漿液消耗率。

2.3 超前周邊深孔預注漿

掌子面輪廓線周邊存在大范圍的富水區，而且水壓很高，涌水、突水風險性極大；隧道周邊富水區水壓雖然不大，但是巖體不穩固、開挖時容易導致塌方，導致大涌水，進行超前探孔鉆進66%時，就開始涌水，而且涌水總量超過10 m3/h，這些狀況建議進行超前周邊預注漿處理。

K193+226-K193+330(ZK193+192-ZK193+293)段落區間孔隙裂隙潛水水量較大，當進行超前探孔時5/6孔位出水，且總量超過>11 m3/h，地下水十分豐富，必須實行超前周邊深孔預注漿。超前周邊注漿布置如圖4、圖5所示，外環孔在施工空間允許的情況下孔位布置應盡量靠近隧道開挖輪廓線。

圖4 超前周邊注漿縱斷面(單位：cm)

圖5 超前周邊注漿D-D剖面(單位：cm)

根據斷層破碎帶地質及富水情況按30 m設計，也是分四段進行注漿，每段的長度分別為1 200、1 800、2 400和3 000 cm[6]。注漿材料、注漿順序、注漿工藝、注漿壓力等參照全斷面深孔預注漿。

為驗證本工程最終的注漿效果，當注漿全部完成7 d后，進行取芯檢測，以獲知漿液填充巖隙的情況。注漿達標的標準為漿液固結體的抗壓強度不能低于0.3 MPa。為保證質量檢測的有效性，檢測孔數不低于注漿孔數的4%，且不能少于5孔。此外，還需要采取5點法檢測抗滲漏性，透水率不能超過2 Lu，且達標率需要達到85%以上，以保證隧道圍巖支護效果。

2.4 超前錨桿施工

超前錨桿也是提升圍巖支護效果的關鍵技術，如果圍巖等級為Ⅳ級，需要采取直徑不小于22 mm的藥卷錨桿進行支護，且長度不低于4.5 m，超前錨桿布設時，相鄰錨桿之間的環向間距要控制在40 cm左右，外傾角控制在10～14°之間。結合超前地質勘探結果，合理確定錨桿的施工方向。在成孔操作時，為降低對圍巖的擾動和影響，采取人工手持風鉆鉆孔的方法，鉆孔完成之后，填入錨固劑，并插入錨桿；當錨桿的長度不足需要搭接時，其搭接長度不能小于1.0 m。

3 施工注意事項

(1)在雙層超前小導管施工中，小導管要盡量從鋼架中間位置穿過，端部要牢固焊接在承載儀器之上，保證各項標準和施工參數都滿足設計要求。鉆孔和安裝全部完成之后，及時封堵管口，以保證雙層超前小導管能夠承受規定的最大注漿壓力。

(2)注漿前，要先對隧道圍巖噴射厚度在50～100 mm之間的混凝土，形成襯砌面，以免在超前小導管注漿過程中發生漿液滲漏問題。

4 結束語

超前支護完成后，隧道掘進時，在隧道土體裂隙中可以看到超前注漿后，水泥漿將破碎圍巖牢牢固結在一起，在實現穩固的同時，開挖斷面沒有發現明顯滲水，證明采取的技術措施可以有效填塞裂隙，發揮堵水功效，超前支護起到了應有止水固結效果。