穿越富水斷層淺埋偏壓洞口段施工技術分析

謝華北

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300222）

一、工程概況

（一）概況

新建杭州經紹興至臺州鐵路毛羊嶺1號隧道位于浙江省新昌縣境內，為單洞雙線隧道，隧道進口里程為DK115+221，出口里程為DK118+368，全長3147m。全隧道洞身下穿斷層破碎帶影響地段2處，里程段分別為DK115+450-DK115+495、DK115+710-DK115+740，下穿沖溝淺埋段1處，里程為DK116+645-DK116+725。洞口淺埋偏壓段1處，里程為DK115+244-DK115+274。

（二）地質情況

1.地層巖性

毛羊嶺1號隧道DK115+244-DK115+274段淺埋偏壓段洞身圍巖揭示為凝灰巖，圍巖破碎，淺埋偏壓段地表圍巖揭示為粉質黏土、粗角礫土巖體破碎、遇水松軟。具體巖性參數如下：

⑤23粉質黏土，覆蓋于山坡表層，褐黃色、硬塑，土質不均勻，II級普通土，基本承載力150kpa。

⑤151粗角礫土，覆蓋于山坡表層，碎石成分以凝灰巖為主，II級普通土，基本承載力300kpa。

⑤51凝灰巖（J3Tu），強風化，灰褐色，凝灰質結構，層狀、塊狀構造，節理裂隙很發育，巖體破碎呈碎塊狀，IV級軟石，基本承載力800kpa。

毛羊嶺1號隧道DK115+450-DK115+490段斷層破碎帶段洞身圍巖揭示為凝灰巖，呈角礫狀壓碎結構。

2.水文地質特征

隧道區穿越第四紀松散堆積層分布區和侏羅系沉積碎屑巖基巖山區，受地質構造及巖性影響，地下水蘊含能力較強，區內地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、構造裂隙水，通過孔隙、節理裂隙及構造帶由上向下聯通，形成補給和排泄關系。

二、施工技術的方案

（一）淺埋偏壓段

在進行淺埋偏壓施工時，需要采取一定的預防措施，保證巖體一側會不會出現冒頂、塌方、失穩等問題，同時需要對由于偏壓而造成的砼脫落、裂縫、拱架變形、二襯砼開裂、結構錯位等問題進行有效預防。若是施工方法以及工序缺少合理性，質量控制缺少有效性，就會使隧道的進洞環節受到極大影響。

借助對毛羊嶺1號隧道進口圖紙設計情況、淺埋偏壓段地形、圍巖地質情況進行綜合分析，確定了采用地表注漿、超前大管棚注漿對地表松散體、洞身拱部圍巖進行加固，同時調整初期支護部分參數，重視監控量測工作，及時進行初支封閉、二次襯砌等工序。

1.地表注漿支護

針對毛羊嶺1號隧道DK115+244-DK115+274淺埋偏壓段圍巖風化嚴重，節理裂隙發育，為保證隧道洞身安全開挖，在地表淺埋段開展地表注漿作業。隧道中線到其兩側邊線是注漿作業的橫向范圍，其距離是9m，原地面到開挖輪廓線外0.8m的位置是鉆孔深度，邊墻區域鉆孔深度為隧底位置附近。

通過了解隧道斷面以及設計圖紙的尺寸，并借助巖體力學對開挖之后的圍巖壓力進行計算，進而確定其分布情況，實現對圍巖極限平衡區的確定，其計算公式為:

R=r γH+Cctgφ )(1-sinφ)/(Cctgφ)](1-sinφ)(2sinφ)

其中，R為極限平衡區半徑，單位m；

r為隧道換算半徑，單位m；

C為巖體內聚力，單位kN/m3；

φ為巖體內摩擦角，單位°；

γ為隧道洞口頂部巖體密度，單位kg/m3；

H為巖體的重心高度，單位m。

對在巖體應力場靜止情況下，隧道極限平衡區的半徑R進行計算，促使淺埋偏壓位置的圍巖加固圖得到科學繪制，如圖1。

圖1 隧道淺埋偏壓段圍巖加固示意圖

通過對勘探資料的分析，在洞頂地表注漿的預加固區域，在橫向方向上布置13個測點，其間距為1.5m，在縱向方向上進行新面設置，數量為11個，間距為3m，測量人員根據這個布點開展測量工作，對所有測點的標高進行嚴格記錄，然后根據公式，對所有測點的鉆孔深度進行計算。結合以往的工作經驗，同時考慮到該環節采用的是縫隙注漿，因此地表注漿壓力控制在1.0-1.5Mpa。為了保證圍巖巖體具有良好的加固效果，應該保證所有注漿孔的注漿量以及注漿壓力在規定范圍內。

對于注漿量，可以借助理論計算加以確定，還可以借助試驗獲取近似的數據。在洞頂位置確定一點，根據相同參數，對巖體開展注漿實驗，進而和布歐的巖體充填率以及孔隙率，如表1所示，從而得到不同鉆孔所需的實際注漿量，進而對總注漿量進行確定。

表1 圍巖充填率與孔隙

q=ηα [(3d/2)2-(d/2)2]×π+π(d/2)2

其中，q為地表注漿量，單位m3；

η為被加固圍巖孔隙率，單位%；

α為充填率，單位%；

D為鉆孔直徑；

地表注漿總量Q=mq。

其中，Q為地表注漿總量，單位m3；m為地表注漿總長度。

注漿過程中，要達到終壓1.5Mpa，確保注漿施工能夠達到理想效果。另外，該環節的注漿類型是縫隙注漿，因此為了減少漿液的凝固時間，可以在漿液中添加少量速凝劑，使漿液快速地加固松散的圍巖。

2.預加固鉆孔方法與注漿方法

（1）鉆孔方法

測量人員將預加固區域測繪出來，并對其加以標記，施工人員將該區域的雜草以及浮石等清理干凈。為了保證注漿壓力能夠滿足實際要求，對其進行C25噴射砼止漿層設置，止漿層設置范圍要大于地表注漿區域3m，止漿層施工完成，測量人員依照測量數據對孔位進行放樣，根據梅花形狀進行注漿孔設置，每個孔的距離為1.5m。并借助風動沖擊式潛孔鉆機開展鉆孔工作，并根據計算得到鉆孔深度值，對其實際鉆孔深度進行控制。

（2）注漿方法

在完成注漿花管下方作業之后，借助砂漿封堵花管與孔口之間的空隙，之后開展注漿作業。注漿順序：先進行外圍作業，之后進行內部注漿，才施工時采取間隔注漿的方式，并對相鄰兩個注漿孔的注漿間隔時間進行適當延長，在其中一個注漿口的漿液凝固之后，在進行另一孔的注漿作業。

在注漿施工中，其初始壓力在0.7Mpa左右，終止壓力是1.5Mpa，在壓滿之后結束，同時維持終壓5分鐘。

3.超前管棚注漿支護

采用管棚施工作為縱向預支撐，與環向初支鋼拱架聯合形成剛度較大的整體，對隧道圍巖變形及地表下沉進行限制，提前承受早期圍巖壓力，毛羊嶺1號隧道進口超前管棚支護參數如下：規格為φ108×6mm鋼管、長度30m、環向間距40cm。

（1）開挖及支護技術

淺埋偏壓段采用三臺階預留核心土法進行開挖，嚴格控制炮眼深度和裝藥量，同時保證預留核心土面積不小于整個上臺階面積的50%。開挖后及時安裝鋼拱架、焊接連接筋、鋪掛鋼筋網、施作系統錨桿和鎖腳錨桿、噴射混凝土并適時進行中下臺階施工。毛羊嶺1號隧道進口淺埋偏壓段支護參數為：環縱向間距1.2m×1.5m的φ22組合中空錨桿、φ22砂漿錨桿，縱向間距60cm的I20a全環鋼拱架，厚度28cm的C25噴射混凝土。

由于地形是左高右低，因此在開展開挖支護施工時，需要對偏壓因素進行充分考慮，先進行右側邊墻的開挖支護，防止由于偏壓而造成拱墻位移和壓力大的一側由于暴露時間長而造成變形裂縫等不利情況。調整系統錨桿的布置間距，偏壓一側（在錨桿每平米總根數不變的情況下）錨桿進行加密，下臺階邊墻采用左右側邊墻交替開挖支護的方法進行施工。左右側邊墻錯開的距離應該為3m，邊墻施工完成段及早施作初支仰拱與砼仰拱和填充，促使初支結構盡快成環，提升其受力狀態，進一步減小圍巖的形變量。

（2）監控量測

在隧道施工中，監控測量是重要環節，借助監控測量，能夠對圍巖動態以及支護動態進行充分掌握，能夠保證支護參數選定的合理性，促使支護結構更具穩定性。通過在地表及洞內拱頂、拱腰設置觀測點，為了保證監控量測數據的準確性，分析超前管棚支護、調整錨桿布置參數、地表注漿支護對隧道初支形變的影響，在設計圖紙三臺階開挖每個斷面7個觀測點的基礎上增加觀測點，其中拱頂增加2個、拱腰增加2個。每環地表、洞內監測點間距3m。在完成測量點布置作業之后，應該及時對測量數據進行整理，在施工時，應該對支護參數以及開挖尺寸進行及時調整，若是圍巖的變速率沒有達到標準要求，需要制定有效措施進行補救。在開展DK115+256-DK115+258洞身中左臺階開挖時，發現上一循環已完成的噴射砼表面產生裂縫問題，表明這個位置的圍巖壓力在不斷增大，同時其位移量也在增加，借助監控檢測，發現圍巖的收斂值也在不斷增加。施工人員借助減小開挖尺寸以及開展邊墻支護等措施，使圍巖處于合理的受力狀態，防止和避免了左側初支變形開裂并侵線的情況。

（3）二次襯砌

在完成初期支護施工之后，需要及時進行鋼筋砼仰拱施工，促使圍巖變形狀態以及應力狀態得到改善，之后進行二次襯砌作業。通過對相關數據分析之后，發現淺埋偏壓隧道洞身，在早期形變以及最終的形變均在規范及設計要求的范圍內，超前管棚注漿、地表注漿很好地加固了隧道拱頂以及地表的圍巖，最終使隧道安全完成了洞身施工。

（二）斷層破碎帶影響段施工

毛羊嶺1號隧道進口DK115+450-DK115+495斷層破碎帶影響段，在洞身開挖施工時存在極大的風險，經物探法以及TRT揭示地質情況復雜，為保證順利地通過斷層破碎帶，采用型鋼鋼架+超前小導管+超前周邊注漿的方案對圍巖進行加固并封堵圍巖裂隙水。超前周邊注漿鉆孔布置圖如圖2，注漿鉆孔剖面圖如圖3，注漿鉆孔平面圖如圖4。

圖2 超前周邊注漿鉆孔布置圖

圖3 注漿鉆孔剖面圖

圖4 注漿鉆孔平面圖

1.超前周邊注漿參數

根據類似的工程實例注漿參數取以下值：第一環鉆孔20個，鉆孔角度11°59′13″，斜長30.67m。第二環鉆孔20個，鉆孔角度13°42′58″，斜長22.65m。第三環鉆孔20個，鉆孔角度17°20′2″，斜長14.67m。

2.鉆孔、注漿順序以及注漿材料及配比設計

鉆孔和注漿順序由外向內，同一圈孔間隔施工，注漿形式采用前進式注漿。注漿材料及規格為：采用P.O 42.5 1∶1普通硅酸鹽水泥凈漿。

3.準備工作

（1）在正式開展注漿施工前，需要合理選擇地質預測方法，以對掌子面前方地質的實際情況加以了解，根據鉆孔的出水情況進行注漿施工。

（2）為保證止水效果以及作業安全，需要建設一面砼止漿墻，厚度為1.5m。

（3）在現場準備一個循環注漿物質。

（4）根據施工要求，做好管路連接工作，對連接點以及開關等進行嚴格檢查，保證其質量。之后啟動注漿泵，對其密封性進行壓水檢查。

（5）在檢查結果符合要求之后，進行壓水試驗。根據一個壓力段開展壓水試驗。靜水壓力是其初始壓力，對試驗過程進行嚴格紀律，并分析地層滲透性，以保證漿液配合比的合理性。

4.超前周邊注漿施工

注漿施工前先進行止漿墻施工，采用C20混凝土，厚度1.5m，止漿墻應嵌入巖體并設置適量的徑向錨桿。鉆孔注漿應在止漿墻強度達到75%后進行。

（1）鉆孔

在止漿墻進行1.8m、φ103mm注漿孔施工作之后，將濃稠超細水泥塞入孔中，之后進行孔口管安設作業，其長度為1.5m,φ108mm×5mm。之后借助φ90mm鉆頭開展鉆孔施工作業，在鉆至8m深之后開展注漿作業，并在每次鉆進8m之后，進行一次注漿作業。

（2）注漿

完成鉆孔施工之后，需要清洗鉆孔，保證孔中不會有巖粉殘留以及黏土雜質的。并按照漿液配合比參數進行漿液配置，對完成拌制的漿液進行過濾處理，之后倒入儲漿桶中，一邊攪拌一邊開展注漿作業。

（3）注漿壓力控制

注漿壓力控制在0.5-1.5Mpa符合實際要求，為注漿質量提供保障。

（4）注漿順序

在注漿時，應該按照先外圈孔、后內圈孔，先淺孔、后深孔，由外而內、先上后下的注漿順序，開展注漿作業。

（5）漿液濃度

在確定漿液濃度時，應遵循先稀后濃、逐級變化原則。

5.注漿效果檢驗

注漿結束后，在開挖輪廓線范圍內打設檢查孔，檢測注漿效果，每循環設檢查孔5個，其中拱部2個，左右邊墻各1個，底部1個，檢查孔直徑φ110mm，長度約30m。

檢驗標準：①檢查孔的出水量應該為0.2L/min.m在以下，壓水試驗應該不大于1.0MP壓力，進水量應該低于2L/min。

②巖體RQD指標達到75-80。

若是不符合上述條件，需要補充注漿，直到符合標準為止。注漿檢查孔在注漿效果檢查完成后及時用M10水泥砂漿進行全孔封堵。

隧道洞口淺埋偏壓、隧道穿越斷層破碎帶作為暗挖隧道的施工難點，多年以來一直都是工程技術人員攻克的施工課題。隧道施工風險高，為了保證安全施工，針對施工重難點必須采用行之有效的施工措施確保安全。通過采用超前管棚注漿、淺埋段地表注漿、超前周邊注漿，使毛羊嶺1號隧道安全通過了淺埋段及斷層破碎帶段，為今后類似的工程施工提供了一定的參考。