復雜地質條件下Ⅴ、Ⅵ軟弱圍巖隧道快速成環施工技術

羅彬

中鐵四局集團第四工程有限公司 安徽 合肥 230021

1 引言

隨著國家基礎建設的發展，越來越多的高速鐵路、高速公路誕生，應運而生的大量隧道工程項目施工[1]。然而軟弱圍巖大變形是隧道施工的一大難題，安全風險極高。尤其是泥巖、煤層、富水復雜地質條件下軟弱Ⅴ、Ⅵ圍巖隧道施工，宜發生沉降變形、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]，由于施工環境、條件不同，每一種處理方式不能照搬，要根據不同的地質環境條件進行探索與改進。本作者根據在五谷山1號隧道泥巖、煤層、富水復雜地質條件下Ⅴ、Ⅵ圍巖隧道施工中，通過地表注漿、超前帷幕注漿、徑向注漿等多種工藝試驗對比，提出了一種快速封閉成環的施工方法，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號隧道位于山西省長治市長治縣城，隧道全長1900m。隧道通過地段主要以石灰巖為主，局部地段夾泥灰巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，部分地段奧灰界面溶隙、溶槽、巖溶發育，DK232+214～DK232+435段現場鉆孔取芯及掌子面揭示，本段以高液限粉質黏土、弱風化泥巖、弱薄層狀煤線、砂巖、鐵礦石和強風化灰巖組成，巖體極破碎，富水、局部有溶腔判斷為Ⅴ級，局部為VI級圍巖。

圖1 隧道現場情況

圖2 隧道地質圖

3 風險情況

3.1 圍巖大變形

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

表1 沉降變形數據統計

3.2 突水

隧道施工過程中發生涌水突泥，掌子面股狀出水流量約10m3/h，突泥量約60m3。初支長時間出現潮濕滴水狀態，有的甚至滴水成線。

3.3 滑塌

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

4 施工技術措施

4.1 地表注漿

注漿范圍為拱頂以上5m、隧底以下3m，左側開挖輪廓線外5m，右側開挖輪廓線外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，跳孔注漿，注漿終止壓力6.0～8.0 MPa，如下圖所示。

圖3 隧道現場情況

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

4.2 洞內帷幕注漿

采用地質鉆機鉆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式注漿相結合的施工工藝，前進式注漿分段段長8～10m或鉆孔出水量超過5m3/h時停鉆注漿，鉆桿后退式注漿分段長度2～4m，注漿前鉆設3～5個注漿孔對前方地層進行判別并確定注漿工藝，先注內圈后外圈，同一圈孔間隔施工。

注漿材料以早強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，硫鋁酸鹽水泥標號42.5，普通硅酸鹽水泥標號P.0 42.5。

注漿終壓2～4MPa，注漿順序按由外向內、自上而下、間隔跳孔原則進行施工。

圖4 隧道現場情況

開挖掌子面揭示注漿沒有達到理想效果，由于地層沉降變形大，掌子面相對密實，后方相對松散，且注漿過程中掌子面后方還有沉降變形發生，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 預留核心土+上、中臺臨時仰拱短臺階快速封閉成環施工

針對上述措施沒有達到效果后，通過現場研究分析，遵循隧道施工的“短開挖、快封閉”[1][2][6]原則，提出采用預留核心土+上、中臺階臨時仰拱短臺階快速封閉成環施工方法。

臺階長度上臺階3～6m、中臺階5～8m，左右錯開不小于4榀拱架，掌子面預留2～3m核心土穩定掌子面，掌子面開挖后及時進行初噴穩定土體，然后安裝臨時仰拱，掌子面開挖1榀鋼架間距，中下臺階每循環開挖2榀，同時開挖作業面不大大于3處，且中、下臺開挖必須采用對角開挖，左右交錯進行，超前小導管間距20cm。上、中臺階臨時仰拱緊跟進尺，仰拱緊跟，仰拱3m一開挖6m一澆筑，仰拱封閉成環距掌子面不得大于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，不大于5mm/d[3][4][5]，確保了隧道順利貫通。

掌子面核心土穩定掌子面，開挖后及時施工上、中臺臨時仰拱，讓上、中臺分別形成各自小的閉合環從而抑制土體沉降變形，仰拱及時跟進后形成大的閉合環。

表2 沉降變形統計

5 結論

五谷山1號隧道泥巖、煤層、富水復雜Ⅴ、Ⅵ級軟弱圍巖施工中，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、環境等多種因素影響，均未有效控制住沉降變形。后采用預留核心土+上、中臺臨時仰拱短臺階快速成環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，認為對應復雜軟弱圍巖地層隧道施工，尤其是Ⅴ、Ⅵ級圍巖，采用預留核心土+上、中臺臨時仰拱短臺階快速成環的施工方法能有效控制沉降變形，解決施工難題。