軟弱富水大變形隧道施工技術

王 榮

中鐵二十局集團有限公司 陜西 西安 710016

1 概述

米亞羅3號隧道是汶馬高速公路項目C18合同段的重難點工程。隧道地質條件復雜，受米亞羅斷層及地震影響，巖體破碎、裂隙發育，巖體多被切割成塊狀，部分巖體松動變形。米亞羅3號隧道最大埋深285m，隧道圍巖主要為板巖、變質砂巖、千枚巖等軟弱巖體構成，受斷層影響，裂隙發育，巖體極為破碎，隧道孔隙水與基巖裂隙水較發育，千枚巖遇水軟化。特別是軟弱富水地層、高地應力區的千枚巖板巖地層和斷層破碎帶等不良地層是誘發隧道拱頂坍塌，圍巖大變形，突水突泥的主要原因。

根據米亞羅3號隧道工程特點以及施工技術方案，并結合施工現場具體應用狀況，對隧道施工難題進行全面系統性分析，進一步對治理方案、方法進行科學總結，形成一套復雜地質條件下比較完備的施工技術，保障米亞羅3號隧道順利建成[1]。

2 工程概況

汶馬高速公路項目C18合同段，位于四川省阿壩州理縣米亞羅鎮境內，起訖里程K160+100～K168+400，線路全長8.3km，線路自米亞羅鎮向西北行，穿越三家寨山，上跨G317國道，沿來蘇河北行，經大郎壩村到達本標段終點。米亞羅3號隧道圍巖主要為板巖、變質砂巖、千枚巖等軟弱巖體構成，受斷層影響，裂隙發育，巖體極為破碎，隧道孔隙水與基巖裂隙水較發育，整體屬Ⅳ～Ⅴ級圍巖。依據C18合同段地質資料，整條線路穿越了大量復雜不良地層，施工過程中面臨諸多技術難題，為整條線路按期順利完工造成了一定的影響。

3 施工技術及施工工藝

3.1 隧道高地應力大變形施工技術

3.1.1 隧道高地應力場預測

依據本標段地應力測試資料以及計算結果，區域最大水平構造應力方向為N60°W，米亞羅3號隧道軸線附近垂直方向地應力沿地形線向下逐漸增大，隧道穿越區域，最大水平主應力值為：13-23MPa，出口與進口處較小；垂直主應力值主要為3-13MPa，在最大埋深處應力達到峰值；最小水平主應力值5-12MPa。米亞羅3號隧道最大主應力方向主要在N50°W-N70°W，利用斷層力學分析法可得該區域隧道三向主應力關系應為SH＞SV＞Sh，米亞羅3號隧道局部存在高地應力。可以預測該隧道發生大變形的可能性很大[2]。

圖1 米亞羅3號隧道地應力場縱向分布

3.1.2 軟弱圍巖大變形施工技術

軟弱圍巖隧道極易引起圍巖變形和失穩。結合米亞羅3號隧道地質情況，施工過程中嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、少擾動、強支護、快加固、早成環、勤量測”的原則作為軟弱圍巖支護的主要支護手段，調整施工方法、支護結構型式和支護時間等，能有效控制軟弱圍巖大變形的發生。

（1）開挖方法

在高地應力軟弱大變形隧道施工中，加強圍巖量測，及時調整支護參數與預留變形量，以確保施工安全與結構穩定。

根據米亞羅3號隧道圍巖實際情況，在軟弱圍巖隧道施工中，使用三臺階預留核心土法施工工藝簡單，作業空間大，方便大型機械設備的操作。

（2）支護施作

支護參數應根據監控量測數據進行動態設計，隨時對大變形地段施工進行加固及支護參數調整措施。

正常段采用Ⅰ22b工字鋼型鋼鋼架支護，間距0.5m/榀，超前采用φ42超前小導管進行支護，環向間距為40cm，外插角控制在10°～15°，相鄰兩排小導管縱向搭接長度不小于1m；系統錨桿采用φ32自進式注漿錨桿，錨桿的長度為6.0m，并對錨桿進行注漿[3]。

（3）徑向注漿加固

對于高地應力大變形段圍巖自穩能力差，巖體結構松散破碎地段，單靠開挖后正常支護不能起到良好的支護效果，必須對已施作完成的初期支護圍巖進行注漿加固措施。徑向注漿采用T76S自進式錨桿，長12m+6m，長短交替布置，環向間距*縱向間距1.5m。

自進式錨桿鉆進：鉆孔前應檢查錨桿體中孔和鉆頭的水孔是否暢通，若有異物應及時清理。在破碎巖中鉆進時，鉆頭的水孔易堵塞，因此在鉆進時，應放慢鉆進速度，多回轉，少沖擊，注意水從鉆孔中流出的狀況，若有水孔堵塞的現象，應后撤錨桿50cm左右，并反復掃孔，使水孔暢通，然后慢慢推進，直到設計深度。用鋼管將止漿塞通過錨桿外露打入孔壁封孔進行注漿，圍巖較為破碎可采用錨固劑封孔。

錨桿注漿：徑向注漿采用普通水泥單液漿，水灰比：W:C=(0.8～1):1，注漿壓力1.0MPa，注漿過程連續不停頓，必須一次完成，觀察漿液從止漿塞邊緣流出或壓力表達到設計值，即可停泵，漿體強度達到5.0MPa后可上緊螺母。

（4）二襯施工要點

施工必須遵循“先柔后剛、先放后抗”的原則，根據監控量測資料，各項位移已達到預計位移量的80%，或速度小于0.1～0.2mm/d，時施作二襯。對于軟巖大變形隧道，可提前施作二次襯砌。控制初期支護不得侵入二次襯砌。

3.2 特殊不良地層加固技術

3.2.1 斷層及破碎帶管棚超前加固技術

在隧道施工中常會遇到斷層及破碎帶，易引起隧道洞內拱頂圍巖失穩、坍塌等安全問題時，宜采用大管棚超前支護。米亞羅3號隧道左線：ZK161+764至ZK161+780；右線：K161+723至K161+748；右線K163+173至K163+213段采用大管棚超前支護。

管棚施工避免洞內大管棚侵入隧道凈空，洞內應該增設管棚工作室，應比設計斷面大30～50cm，長度應滿足鉆機作業要求。施工導向架，安裝φ127導向管，長度為2m。

（1）管棚施工工藝

大管棚采用φ108、壁厚6mm熱軋無縫鋼管制成。大管棚環向間距40cm，外插角1°～2°，拱部120°布設。為提高導管的抗彎能力，在鋼管內設置鋼筋籠，鋼筋籠由4根主筋和固定環組成，主筋采用Φ16，固定環采用φ42短管節，節長5cm，將其與主筋焊接，按0.5m間距設置。

（2）管棚鉆孔

鉆孔過程采用測斜儀量測鉆進的偏斜度，以準確控制鉆機軸線方向，使鉆桿以1°～3°的外插角前進，每鉆完一孔應立即安設一根鋼管。

（3）鋼管加工

第一節鋼管一端15cm長管壁4等分，用石筆畫出4個三角形，用氧氣切割掉4個三角形后，用大錘敲打切割好的4個齒牙，使合攏在一起，形成圓錐形，用電焊焊接牢固[4]。

（4）鋼筋籠加工

先將φ42鋼管用砂輪切割機切割成5cm長的短節做為固定環，環外壁上事先畫上4等分線，2根Φ16鋼筋放在制作臺上，放上固定環，使鋼筋和固定環的接觸面與等分線重合，按50cm間距焊接固定環，焊接牢固后，用同樣的方法焊接其余2根Φ16鋼筋。

（5）頂管

鋼管頂進采用機械配合，利用鉆機的沖擊力和推力低速頂進鋼管，鋼管軸線與導向管軸線基本一致，送入第一節鋼管后外露20cm，安裝已車好絲的外套φ114鋼管，使絲扣連接15cm，用電焊焊接外接口，焊好后連接第二節φ108鋼管，絲扣連接15cm，焊接外接口，第二節鋼管送入方法同第一節，依此類推安裝完一根鋼管。

（6）鋼筋籠安裝

鋼管按設計長度安好后，穿入已加工好的鋼筋籠，將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實，并在外露端鋼管焊上法蘭盤及閥門，焊接密實。

（7）注漿

注漿時，單液水泥漿可直接注入，水泥—水玻璃漿液利用三通管同時注入。注漿壓力初壓一般為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa，持壓15min后停止注漿，關閉閥門。注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達到壓力要求，應調整漿液濃度繼續注漿，直至符合注漿質量標準，方可終止注漿。

3.2.2 突水突泥注漿加固技術

隧道施工突水突泥時有發生，對隧道開挖掌子面前方的水源探測，總是存在不確定性。施工時加強超前地質預報，采用先進可靠的預報方法：TSP203地震波法和超前鉆孔等，根據預報成果采取相應的處理措施，制定施工方案。

（1）突水突泥防治原則

堅持“超前預報、以堵為主、堵排結合、限量排放”的原則，對大的突水進行注漿封堵，對小型突水進行排放，避免地下水大量流失。

（2）突水突泥探測

米亞羅3號隧道全程施作TSP203超前地質預報。對突水段采用超前水平鉆孔探測前方地下水狀況。超前地質水平鉆施作4個探孔，鉆孔直徑采用φ75，活動斷裂帶超前探測長度80～100m，搭接長度不小于10m,其余地段超前探測長度不小于30m，搭接長度不小于5m。

（3）突水突泥帷幕注漿治理方案

隧道圍巖軟弱破碎、地下水豐富、流沙層、人工回填土，圍巖穩定性極差，需要加固方可開挖的隧道。帷幕注漿對軟弱、富水段、突水突泥、碎屑流等地層的固結效果優于其它措施。米亞羅3號隧道右線：K163+223～K163+163段采用帷幕注漿加固處理[5]。

圖2 帷幕注漿示意圖1

圖3 帷幕注漿示意圖2

a止漿墻施作

上臺階清碴盡可能靠近掌子面后，開始施作止漿墻。采用C35模筑混凝土施作，厚3.0m，施工空間高度為4.5m。周邊和下部與開挖輪廓線的接觸部用直徑Ф22的螺紋鋼筋3排連接，止漿墻底部要向下挖3m寬，0.8m深一個矩形槽，拱頂部位間隔預留5根直徑φ42的4m長小導管，小導管前2m加工溢漿孔，待止漿墻澆筑完成后，在止漿墻周邊施工縫處實行噴射混凝土施工，防止止漿墻與周邊注漿跑漿，混凝土澆筑必須振搗密實，防止漏漿，止漿墻完成后，對小導管先進行注漿。

b場地平整

為了滿足鉆機施工作業要求，必須在止漿墻后方預留12m長的作業平臺，并整平壓實。

c注漿參數

表1 注漿參數表

d注漿材料

注漿材料采用普通水泥添加早強劑水泥漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿、普通水泥單液漿為鋪。普通水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為：W:C=(0.8～1):1，水玻璃濃度為30～35°Be’；普通水泥-添加劑漿液，水灰比為：W:C=(0.8～1):(1:0.1)。

e注漿順序

注漿順序按“由外到內、由下到上、間隔跳孔”的原則進行，以達到控域注漿，擠密加固的目的。

f鉆孔注漿工藝

先用鉆機鉆孔深1.5m，直徑φ114mm的鉆孔，安設固結1.5m長φ108mm孔口管。通過孔口管鉆設φ90mm注漿孔，鉆到5m深時開始實施注漿作業。采取復合式分段注漿工藝進行鉆孔注漿施工，注漿分段長度4～6m。即鉆進4～6m，注漿一次，注漿結束后再鉆4～6m進行注漿，當前進注漿到10m以后，就一次性鉆孔到該循環注漿設計里程，直接采用后退分段注漿工藝完成該孔作業；依次循環，直至結束注漿。

g注漿結束標準

全部注漿孔注漿完成后，在主要出水點附近設至少5個檢查孔，測孔內涌水量或進行壓水實驗，若滿足設計要求，則可以開挖，否則進行補注漿。

4 結束語

通過研究為汶馬高速公路的安全順利貫通提供有利保障，項目研究成果可以解決在施工環境特殊復雜地區施工隧道時所面臨的一系列關鍵技術難題，最大限度的保障隧道在建設和運營過程中的環境和結構安全，具有顯著的社會效益。