白云山隧道軟弱地質(zhì)巖溶富水段施工技術(shù)

1、白云山隧道軟弱地質(zhì)巖溶富水段施工技術(shù)王曉鋒(中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)摘要：軟弱地質(zhì)巖溶隧道的主要特點(diǎn)是充填軟塑狀黏土、巖溶、地下水、暗河發(fā)育，極易發(fā)生塌方、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，本文結(jié)合宜萬(wàn)鐵路白云山隧道采取的安全有效的施工措施，對(duì)軟弱地質(zhì)巖溶隧道施工方法進(jìn)行探討，首先利用綜合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段進(jìn)行預(yù)測(cè)；其次根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果采用科學(xué)開(kāi)挖支護(hù)及帷幕注漿施工技術(shù)對(duì)各類軟弱地質(zhì)圍巖地段及點(diǎn)、線狀出水段進(jìn)行施工，取得良好效果。關(guān)鍵詞：軟弱地質(zhì) 巖溶隧道 超前預(yù)報(bào) 帷幕注漿 施工1.概述宜萬(wàn)鐵路是我國(guó)在地質(zhì)條件極為復(fù)雜的艱險(xiǎn)山區(qū)修建的又一條準(zhǔn)干線鐵路，集西南山區(qū)鐵路之大成，地質(zhì)條件差

2、、工程風(fēng)險(xiǎn)大、科技含量高、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)新。白云山隧道全長(zhǎng)6827m，其中四線雙連拱705m，大跨雙線182m，燕尾段366m，其余均為單線隧道。該隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，巖溶發(fā)育，溶洞、暗河、落水洞、巖溶洼地等巖溶現(xiàn)象多見(jiàn)。隧道穿越天陽(yáng)坪區(qū)域斷裂，穿越紙廠灣、猴子洞、耗子洞3個(gè)暗河系統(tǒng)，區(qū)內(nèi)發(fā)育5條斷層，預(yù)測(cè)最大涌水量427314m3/d，正常涌水量167354m3/d。多數(shù)地段可能發(fā)育較大的巖溶腔體或暗河腔體，極有可能發(fā)生突水、突泥等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。1。針對(duì)白云山隧道地質(zhì)條件復(fù)雜性,我們采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)先探明前方地質(zhì)情況,后統(tǒng)籌研究施工方案、采取安全措施開(kāi)挖、超前帷幕注漿止水等科學(xué)方法施工，有效規(guī)避

3、了風(fēng)險(xiǎn)。2.綜合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)2.1.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的分類超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)基本采用鉆探和物理勘探兩種方法，探明隧道的基本地質(zhì)情況，是保證復(fù)雜巖溶隧道施工安全的一種重要手段。針對(duì)白云山隧道的特點(diǎn)、設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在施工中采用了TSP203、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、超前炮眼、超前水平鉆和常規(guī)地質(zhì)分析等綜合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法。各種方法有自身優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，也有其局限性。2施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法比較如表1所示。表1 施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法比較測(cè)報(bào)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)TSP203（1）一次預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，在軟巖條件下探測(cè)距離100150m，在硬巖條件下探測(cè)距離150200m；（2）對(duì)斷層破碎帶構(gòu)造預(yù)報(bào)

4、準(zhǔn)確度較高。（1）對(duì)巖溶預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度不高；（2）對(duì)地下水無(wú)法預(yù)報(bào)；（3）預(yù)報(bào)精度20左右；（4）與操作人員素質(zhì)有關(guān)，受環(huán)境影響較大；（5）費(fèi)用較高。地質(zhì)雷達(dá)（1）對(duì)斷層破碎帶有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性；（2）花費(fèi)時(shí)間少；（3）施工干擾小。（1）對(duì)地下水無(wú)法預(yù)報(bào)，一次預(yù)報(bào)距離短，一般1040米；（2）預(yù)報(bào)范圍狹窄；（3）對(duì)巖溶預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性不高。超前水平鉆探（1）預(yù)報(bào)距離可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇，宜為4080米；（2）預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高，直接；（3）費(fèi)用較低。（1）施工不方便；（2）占用時(shí)間長(zhǎng)；（3）作業(yè)環(huán)境差；（4）空位偏差帶來(lái)完全相反的結(jié)果。紅外探水（1）對(duì)水構(gòu)造能定性判斷；（2）費(fèi)用低；（3）耗時(shí)少。（1）對(duì)水

5、量大小無(wú)法預(yù)測(cè)，對(duì)斷層破碎構(gòu)造無(wú)法預(yù)報(bào)；（2）預(yù)報(bào)距離短；（3）進(jìn)度較低。超長(zhǎng)炮眼（1）靈活、方便，對(duì)整個(gè)掌子面前方5米范圍的情況預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確；（2）能保證巖盤厚度；（3）不需專門的鉆機(jī)，用風(fēng)槍即可。預(yù)報(bào)距離短，5米左右。地質(zhì)素描利用開(kāi)挖地質(zhì)情況，分析前方地質(zhì)。與地質(zhì)工作人員素質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。 各種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段組合方案圖1所示。 圖1 各種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段組合方案圖2.2.超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)原則隧道施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是隧道施工很重要的環(huán)節(jié)，本著“地表和洞內(nèi)相結(jié)合、構(gòu)造探測(cè)和水探測(cè)相結(jié)合、長(zhǎng)中短期分階段預(yù)報(bào)相結(jié)合”的“三結(jié)合”原則，做到有疑必探、先探后掘。32.3.超前地質(zhì)預(yù)測(cè)報(bào)效果評(píng)價(jià)通過(guò)綜合超前地

6、質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，白云山隧道共發(fā)現(xiàn)溶洞15個(gè)、軟弱地質(zhì)帶276M，斷層構(gòu)造帶的實(shí)際情況與預(yù)報(bào)結(jié)果基本符合。根據(jù)預(yù)報(bào)的結(jié)果，提前采取措施，有效規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)，保證了隧道的施工安全。3.開(kāi)挖方案3.1.超前支護(hù)超前支護(hù)方式的選擇主要根據(jù)圍巖的性質(zhì)、施工條件、機(jī)械設(shè)備、經(jīng)濟(jì)效益等因素來(lái)確定。白云山隧道DK42187溶洞填充物為軟塑狀粘土夾碎塊石，自穩(wěn)性差。超前支護(hù)采取拱部小導(dǎo)管注漿，四周超前注漿。（1）超前小導(dǎo)管注漿超前小導(dǎo)管注漿采用50mm的薄壁鋼管，環(huán)向間距0.8米，縱向間距3.5米，搭接長(zhǎng)度不小于1.5米，注漿材料為純水泥漿，配合比為1:1。由于溶洞充填物主要是軟塑狀粘土夾碎塊石，采用手持風(fēng)槍鉆孔時(shí)

7、，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，打入小導(dǎo)管時(shí)，經(jīng)常遇見(jiàn)風(fēng)化碎石，致使打入導(dǎo)管困難。（2）超前注漿由于溶洞充填物承載力低，自穩(wěn)性差，在開(kāi)挖掌子面四周打入一圈5米超前帷幕注漿，形成厚3米的固結(jié)圈，然后注入按一定比例配制而成的漿液，滲透擴(kuò)散到破碎帶的孔隙中并快速凝固，與周圍破碎巖塊固結(jié)成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體，然后開(kāi)挖。超前帷幕注漿間距為1米，長(zhǎng)度5米，搭接長(zhǎng)度3米。3.2.開(kāi)挖施工中采用三臺(tái)階和四步開(kāi)挖法施工。上臺(tái)階施工是溶洞施工的關(guān)鍵部位，只要上臺(tái)階能夠成形，穩(wěn)定，中臺(tái)階和下臺(tái)階就能順利進(jìn)行。為確保安全,上臺(tái)階不宜太長(zhǎng)，一般為68米。首先施作超前小導(dǎo)管，并注漿固結(jié)，然后采用預(yù)留核心土施工方法，沿開(kāi)挖輪廓線挖槽

8、鑲?cè)爰庸ず玫墓凹?，拱架與超前小導(dǎo)管焊接牢固。上導(dǎo)坑拱架安裝完畢后，人工配合機(jī)械挖掘核心土，然后立即進(jìn)行噴錨錨支護(hù)，施作臨時(shí)仰拱。上臺(tái)階支護(hù)完畢并進(jìn)行徑向注漿加固穩(wěn)定后，開(kāi)挖中臺(tái)階、下臺(tái)階并施工臨時(shí)仰拱或底板混凝土。中臺(tái)階和下臺(tái)階施工的工序基本相同，先進(jìn)行超前注漿固結(jié)邊墻，然后人工沿開(kāi)挖輪廓線挖槽鑲?cè)牍凹埽_(kāi)挖核心土，進(jìn)行噴錨支護(hù)，施作臨時(shí)仰拱。3.3.初期支護(hù)白云山隧道DK42187溶洞初期支護(hù)鋼架首次設(shè)計(jì)采用I16的工字鋼架，噴C20混凝土，厚20cm。但是在施工中由于受徑向注漿壓力以及雨季的影響，拱部發(fā)生下沉，最大沉降量51cm，兩側(cè)邊墻向內(nèi)側(cè)變形，最大變形量53cm。噴混凝土產(chǎn)生剝落、掉

9、塊，鋼架變形嚴(yán)重，發(fā)生斷裂。因此，進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，采用I18的工字鋼架，噴混凝土厚度25cm，為增加鋼架縱向穩(wěn)定性，縱向連接鋼筋采用22的螺紋鋼，鋼筋間距50cm，鋼架的定位鋼筋采用注漿小導(dǎo)管。4 帷幕注漿施工4.1 基本原理4注漿材料在外力作用下滲入到巖土的裂隙中，一般，壓力越大，注入的漿液量越多，擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)，加固效果也就越好。但注漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關(guān)，如巖土的孔隙率大小，材料可注性，施工方法等。所以很難使注漿的滲透嚴(yán)格的理論化。因此，為獲得較好的注漿效果，需經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，采取科學(xué)施工方法進(jìn)行施工。4.2工藝流程圖 帷幕注漿工藝流程如圖2 所示。注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆

10、孔埋設(shè)孔口管注漿泵就位管路連通試水結(jié) 束效果檢查注 漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿 N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布 孔圖2 帷幕注漿工藝流程圖4.3 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)（1）注漿加固范圍：隧道注漿加固范圍按隧道埋深、地下水壓力和漿液固結(jié)體強(qiáng)度來(lái)確定，通常拱部為開(kāi)挖輪廓線外35m，邊墻為開(kāi)挖輪廓線外23m。（2）注漿段長(zhǎng)：注漿段長(zhǎng)一般應(yīng)按鉆孔設(shè)備的工作能力確定，保證注漿后有一定的開(kāi)挖長(zhǎng)度（包括止?jié){墻厚度），并滿足 ：L=(35)D 式中：L為注漿段長(zhǎng)(m)，D為注漿加固范圍。 （3）止?jié){墻厚度：止?jié){墻（B）厚度應(yīng)滿足注漿壓力的要求，一般按下式確定：B=(0.20.3)L（4）注漿孔間距：注漿孔的布設(shè)應(yīng)滿足注漿加固范圍

11、的要求，在帷幕注漿設(shè)計(jì)中，注漿孔應(yīng)全斷面布設(shè)，注漿孔間距一般應(yīng)滿足下式：a R式中，a為注漿終孔間距（m），R為漿液擴(kuò)散半徑（m）根據(jù)試驗(yàn)確定，一般取24m。 （5）漿液膠凝時(shí)間：漿液膠凝時(shí)間一般地段為3min，富水地段為3050s。（6）注漿終壓：注漿終壓為11.5MPa。（7）注漿量：一般按注漿范圍內(nèi)圍巖體積的5%左右考慮，實(shí)注量由鉆孔壓水試驗(yàn)確定。4.4 主要材料介紹5注漿材料一般選用普通水泥、超細(xì)水泥、超細(xì)水泥+水玻璃等。（1）超細(xì)水泥由于超細(xì)水泥比表面積大，有較高的化學(xué)活性，能較快地凝結(jié)固化，可獲得早期和后期強(qiáng)度。同齡期強(qiáng)度相比，比普通水泥高20%左右。（2）耐久性水泥水玻璃漿液（簡(jiǎn)

12、稱C-S漿）料源廣，價(jià)格便宜，結(jié)石強(qiáng)度高，結(jié)石率大，凝膠時(shí)間可控，是理想的注漿材料。其缺點(diǎn)是結(jié)石體穩(wěn)定性較差，特別在干燥地層條件下易風(fēng)化崩解，不適用于做永久性堵水加固材料。漿液配合比：水灰比（W/C）為0.8；水玻璃稀釋濃度為2535；雙液體積比（C/S）為1：0.50.7。(3)超細(xì)水泥水玻璃雙液漿的配制根據(jù)預(yù)配制漿液的體積，分別計(jì)算出所需要的超細(xì)水泥漿和水玻璃漿的體積，計(jì)算公式如下：式中，VMC為超細(xì)水泥漿的體積（m3），Vs為水玻璃的體積（m3），V為超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的體積（m3），m為超細(xì)水泥漿和水玻璃漿的體積比。4.5 漿液配制白云山隧道DK44+500-586里程為級(jí)圍巖，裂

13、隙較發(fā)育，對(duì)于堵水,特別是水壓大，流速快的大裂隙，要求漿液的凝結(jié)時(shí)間短且具有一定的強(qiáng)度，因此我們采用水泥+水玻璃復(fù)合漿液（雙液漿）注漿并摻加磷酸氫二鈉，以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)控膠凝時(shí)間，漿液的組成及配制方法見(jiàn)表2，一般情況下，水玻璃濃度減小，凝膠時(shí)間縮短，并呈直線關(guān)系；水灰比越小，水泥與水玻璃反映越快，凝膠時(shí)間越短?？偟膩?lái)說(shuō)，水泥漿越濃，膠凝越快；水玻璃則越稀，膠凝越快。表2 漿液組成配制方法原材品種作用用量性能水泥P.O42.5三峽牌(細(xì)度0.8%)主劑1凝膠時(shí)間可控制在幾十秒到幾十分鐘范圍內(nèi),抗壓強(qiáng)度520MPa水玻璃模數(shù)3.0, 濃度30主劑0.51磷酸二氫鈉工業(yè)品緩凝劑0.010.03根據(jù)隧

14、道水量大小，經(jīng)試驗(yàn)得：當(dāng)水泥及水玻璃體積比在1：11：0.5范圍內(nèi)，磷酸氫二鈉摻量在0.010.03范圍內(nèi)的凝膠時(shí)間最適何施作,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。表3 注漿材料配合比例數(shù)據(jù)表原材比例(水:水泥:水玻璃:磷酸二氫鈉)凝膠時(shí)間固結(jié)體抗壓強(qiáng)度MPa備注0.7:1:0.7:0.011mis02S9.3水泥與水玻璃比為體積比,其它勻?yàn)橹亓勘?:1:0.8:0.021mis16S8.80.7:1:0.8:0.021mis069.5 1:1:0.9:0.021mis38S9.30.6:1:0.9:0.021mis13S10.61:1:1:0.022mis36S8.7根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,我們選用比例1:1:0

15、.9:0.02的漿液進(jìn)行注漿(表3中帶號(hào)欄),當(dāng)隧道內(nèi)出水量發(fā)生變化時(shí),可在表3中根據(jù)所需凝膠時(shí)間來(lái)選擇所需配合比例配制漿液。5 帷幕注漿施工5.1 布孔在完成現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備后，用紅漆在掌子面上按注漿設(shè)計(jì)畫出鉆孔位置，并標(biāo)注編號(hào)。注漿布孔布置如圖3所示。圖3 注漿孔布置示意圖5.2 鉆孔5.2.1 鉆機(jī)鉆具鉆孔直徑一般為70108mm，鉆機(jī)一般采用水平地質(zhì)鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)、鉆孔臺(tái)車或管棚鉆機(jī)鉆孔，這些鉆機(jī)按其機(jī)械動(dòng)作原理分為旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)和沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)主要用于鉆鑿中硬巖以下的巖石，特別是在土質(zhì)、泥巖、風(fēng)化砂巖等相對(duì)軟弱的巖層中。在較硬的巖層中則采用沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)比較合適。依據(jù)情況可供選擇的

16、鉆具有：螺旋鉆具、潛孔鉆具、通用鉆具等。5.2.3止?jié){墻設(shè)置為保證注漿施工安全，在掌子面設(shè)置3050cm厚模筑混凝土止?jié){墻，此后各循環(huán)利用已注漿未開(kāi)挖的巖體代替止?jié){墻，掌子面用噴射混凝土封閉。每孔孔口套管與孔壁之間用環(huán)氧樹(shù)脂或CS麻絲等充填粘結(jié)防止漏漿。5.2.4埋設(shè)孔口管為保證注漿孔的鉆進(jìn)方向，一般在孔口段安設(shè)鋼管套管，套管長(zhǎng)36 m?？卓诠芪恢谩⒎较驒z查準(zhǔn)確無(wú)誤后，開(kāi)始鉆注漿孔。5.3 下注漿管（1）在注漿孔按設(shè)計(jì)位置、深度完成鉆孔后，打入帶花孔的袖閥套管，再插入帶止?jié){塞的注漿管。袖閥套管兩端應(yīng)安裝橡膠皮套，與孔壁密貼，防止注漿漿液漏出。套管出漿孔處使用橡膠皮套作為單向閥套在套管上，保證漿

17、液不回流。設(shè)置在掌子面的注漿孔，安裝袖閥套管時(shí)應(yīng)采用PVC塑料管，便于隧道掘進(jìn)。（2）止?jié){塞是實(shí)現(xiàn)分段注漿、合理使用注漿壓力和控制漿液分布范圍、保證注漿質(zhì)量的一種有效設(shè)備，由一組穿在注漿管兩端的橡膠脹塞組成，可用機(jī)械方法或充氣、充水方法使其膨脹。可選用的止?jié){塞有煤炭部門生產(chǎn)的KWS型止?jié){塞。在缺乏條件的情況下，也可用橡膠圈代替。注漿結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4 注漿結(jié)構(gòu)圖5.4 注漿（1）充水試驗(yàn)安裝注漿管、注漿泵就位后，先做充水試驗(yàn)。連接注漿管路，用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水，設(shè)備狀態(tài)是否正常，爾后再做壓水試驗(yàn)，以沖洗巖石裂隙，擴(kuò)大漿液通路，增加漿液充塞的密實(shí)性，核實(shí)巖石的滲透性。（2）漿液制備

18、以雙液注漿為例，將準(zhǔn)備好的水泥、水玻璃漿液按比例分別放在兩個(gè)容器內(nèi)，注入符合比例的水進(jìn)行攪拌，至符合要求。攪拌方式可采用機(jī)械或人工拌制。（3）注漿作業(yè)進(jìn)行帷幕注漿加固時(shí)，注漿方法有前進(jìn)式注漿和后退式注漿兩種方式。前進(jìn)式注漿主要用于圍巖破碎嚴(yán)重，成孔困難及地層軟弱的地段，后退式主要用于圍巖破碎程度相對(duì)稍好的地段。前進(jìn)式注漿采用分段注漿，每段長(zhǎng)度35m，鉆一段注一段，一直鉆孔注漿到設(shè)計(jì)深度；后退式注漿，鉆孔至設(shè)計(jì)孔深后，插入袖閥套管，再插入帶止?jié){塞的注漿管，接上注漿管路，自孔底到孔口進(jìn)行分段后退式注漿，每段長(zhǎng)度控制在23m。前進(jìn)式注漿施工步驟如圖5所示，后退式注漿施工步驟如圖6所示。二圖5前進(jìn)式注

19、漿施工步驟圖圖6后退式注漿施工步驟圖（4）注意事項(xiàng)注漿時(shí)先開(kāi)水泥漿液泵，一般5min后根據(jù)單液進(jìn)漿量的大小確定凝結(jié)時(shí)間，再開(kāi)水玻璃漿液泵。注漿漿液應(yīng)按先稀后稠、稀漿與濃漿交替、壓力與注入漿量相結(jié)合的方式進(jìn)行注漿，注漿壓力從低到高逐步增壓，凝結(jié)時(shí)間應(yīng)先長(zhǎng)后短，但不能小于30s。每環(huán)注漿先注奇數(shù)編號(hào)的注漿孔，再注偶數(shù)編號(hào)的注漿孔，并以偶數(shù)編號(hào)的注漿孔作為檢查孔。待本環(huán)所有注漿孔注完后，根據(jù)壓漿孔的出水量確定局部是否需要補(bǔ)設(shè)注漿孔，一般每延米的出水量大于0.5L/min，追加鉆孔注漿。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是孔口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并維持1020min，且單位進(jìn)漿量很少。注漿流量不變，若壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升，漿液應(yīng)調(diào)

20、濃；流量急劇減少，壓力上升很快，漿液應(yīng)調(diào)稀一級(jí)。（5）注漿設(shè)備注漿泵主要根據(jù)注漿終壓要求和注漿材料種類進(jìn)行選型，額定壓力應(yīng)大于靜水壓的2.02.5倍，雙液漿應(yīng)選擇壓力、流量及配比可調(diào)的雙缸液壓式雙液泵。5.5注漿效果檢查注漿結(jié)束后，鉆孔檢查漿液滲透及固結(jié)狀況，對(duì)注漿效果進(jìn)行檢測(cè)。為測(cè)定地層滲透性，了解注漿效果，以便于提供注漿參數(shù)，我們采取壓水試驗(yàn)，可在裂隙沖洗后進(jìn)行，壓力為注漿壓力的80%，最大1MPa,試驗(yàn)20mis，每5mis測(cè)讀一次流量，取最后的流量值作為計(jì)算值，結(jié)果以透水率表示，按下式計(jì)算：q = Q3/L*1/P3 式中：q為試段透水率（Lu），L為試段長(zhǎng)度（m），Q3為第三階段的計(jì)算流量(L/mis),P3為第三階段的試段壓力(MPa)計(jì)算得