穿越富水断层浅埋偏压洞口段施工技术分析

谢华北

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300222）

一、工程概况

（一）概况

新建杭州经绍兴至台州铁路毛羊岭1号隧道位于浙江省新昌县境内，为单洞双线隧道，隧道进口里程为DK115+221，出口里程为DK118+368，全长3147m。全隧道洞身下穿断层破碎带影响地段2处，里程段分别为DK115+450-DK115+495、DK115+710-DK115+740，下穿冲沟浅埋段1处，里程为DK116+645-DK116+725。洞口浅埋偏压段1处，里程为DK115+244-DK115+274。

（二）地质情况

1.地层岩性

毛羊岭1号隧道DK115+244-DK115+274段浅埋偏压段洞身围岩揭示为凝灰岩，围岩破碎，浅埋偏压段地表围岩揭示为粉质黏土、粗角砾土岩体破碎、遇水松软。具体岩性参数如下：

⑤23粉质黏土，覆盖于山坡表层，褐黄色、硬塑，土质不均匀，II级普通土，基本承载力150kpa。

⑤151粗角砾土，覆盖于山坡表层，碎石成分以凝灰岩为主，II级普通土，基本承载力300kpa。

⑤51凝灰岩（J3Tu），强风化，灰褐色，凝灰质结构，层状、块状构造，节理裂隙很发育，岩体破碎呈碎块状，IV级软石，基本承载力800kpa。

毛羊岭1号隧道DK115+450-DK115+490段断层破碎带段洞身围岩揭示为凝灰岩，呈角砾状压碎结构。

2.水文地质特征

隧道区穿越第四纪松散堆积层分布区和侏罗系沉积碎屑岩基岩山区，受地质构造及岩性影响，地下水蕴含能力较强，区内地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、构造裂隙水，通过孔隙、节理裂隙及构造带由上向下联通，形成补给和排泄关系。

二、施工技术的方案

（一）浅埋偏压段

在进行浅埋偏压施工时，需要采取一定的预防措施，保证岩体一侧会不会出现冒顶、塌方、失稳等问题，同时需要对由于偏压而造成的砼脱落、裂缝、拱架变形、二衬砼开裂、结构错位等问题进行有效预防。若是施工方法以及工序缺少合理性，质量控制缺少有效性，就会使隧道的进洞环节受到极大影响。

借助对毛羊岭1号隧道进口图纸设计情况、浅埋偏压段地形、围岩地质情况进行综合分析，确定了采用地表注浆、超前大管棚注浆对地表松散体、洞身拱部围岩进行加固，同时调整初期支护部分参数，重视监控量测工作，及时进行初支封闭、二次衬砌等工序。

1.地表注浆支护

针对毛羊岭1号隧道DK115+244-DK115+274浅埋偏压段围岩风化严重，节理裂隙发育，为保证隧道洞身安全开挖，在地表浅埋段开展地表注浆作业。隧道中线到其两侧边线是注浆作业的横向范围，其距离是9m，原地面到开挖轮廓线外0.8m的位置是钻孔深度，边墙区域钻孔深度为隧底位置附近。

通过了解隧道断面以及设计图纸的尺寸，并借助岩体力学对开挖之后的围岩压力进行计算，进而确定其分布情况，实现对围岩极限平衡区的确定，其计算公式为:

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

其中，R为极限平衡区半径，单位m；

r为隧道换算半径，单位m；

C为岩体内聚力，单位kN/m3；

φ为岩体内摩擦角，单位°；

γ为隧道洞口顶部岩体密度，单位kg/m3；

H为岩体的重心高度，单位m。

对在岩体应力场静止情况下，隧道极限平衡区的半径R进行计算，促使浅埋偏压位置的围岩加固图得到科学绘制，如图1。

图1 隧道浅埋偏压段围岩加固示意图

通过对勘探资料的分析，在洞顶地表注浆的预加固区域，在横向方向上布置13个测点，其间距为1.5m，在纵向方向上进行新面设置，数量为11个，间距为3m，测量人员根据这个布点开展测量工作，对所有测点的标高进行严格记录，然后根据公式，对所有测点的钻孔深度进行计算。结合以往的工作经验，同时考虑到该环节采用的是缝隙注浆，因此地表注浆压力控制在1.0-1.5Mpa。为了保证围岩岩体具有良好的加固效果，应该保证所有注浆孔的注浆量以及注浆压力在规定范围内。

对于注浆量，可以借助理论计算加以确定，还可以借助试验获取近似的数据。在洞顶位置确定一点，根据相同参数，对岩体开展注浆实验，进而和布欧的岩体充填率以及孔隙率，如表1所示，从而得到不同钻孔所需的实际注浆量，进而对总注浆量进行确定。

表1 围岩充填率与孔隙

q=ηα [(3d/2)2-(d/2)2]×π+π(d/2)2

其中，q为地表注浆量，单位m3；

η为被加固围岩孔隙率，单位%；

α为充填率，单位%；

D为钻孔直径；

地表注浆总量Q=mq。

其中，Q为地表注浆总量，单位m3；m为地表注浆总长度。

注浆过程中，要达到终压1.5Mpa，确保注浆施工能够达到理想效果。另外，该环节的注浆类型是缝隙注浆，因此为了减少浆液的凝固时间，可以在浆液中添加少量速凝剂，使浆液快速地加固松散的围岩。

2.预加固钻孔方法与注浆方法

（1）钻孔方法

测量人员将预加固区域测绘出来，并对其加以标记，施工人员将该区域的杂草以及浮石等清理干净。为了保证注浆压力能够满足实际要求，对其进行C25喷射砼止浆层设置，止浆层设置范围要大于地表注浆区域3m，止浆层施工完成，测量人员依照测量数据对孔位进行放样，根据梅花形状进行注浆孔设置，每个孔的距离为1.5m。并借助风动冲击式潜孔钻机开展钻孔工作，并根据计算得到钻孔深度值，对其实际钻孔深度进行控制。

（2）注浆方法

在完成注浆花管下方作业之后，借助砂浆封堵花管与孔口之间的空隙，之后开展注浆作业。注浆顺序：先进行外围作业，之后进行内部注浆，才施工时采取间隔注浆的方式，并对相邻两个注浆孔的注浆间隔时间进行适当延长，在其中一个注浆口的浆液凝固之后，在进行另一孔的注浆作业。

在注浆施工中，其初始压力在0.7Mpa左右，终止压力是1.5Mpa，在压满之后结束，同时维持终压5分钟。

3.超前管棚注浆支护

采用管棚施工作为纵向预支撑，与环向初支钢拱架联合形成刚度较大的整体，对隧道围岩变形及地表下沉进行限制，提前承受早期围岩压力，毛羊岭1号隧道进口超前管棚支护参数如下：规格为φ108×6mm钢管、长度30m、环向间距40cm。

（1）开挖及支护技术

浅埋偏压段采用三台阶预留核心土法进行开挖，严格控制炮眼深度和装药量，同时保证预留核心土面积不小于整个上台阶面积的50%。开挖后及时安装钢拱架、焊接连接筋、铺挂钢筋网、施作系统锚杆和锁脚锚杆、喷射混凝土并适时进行中下台阶施工。毛羊岭1号隧道进口浅埋偏压段支护参数为：环纵向间距1.2m×1.5m的φ22组合中空锚杆、φ22砂浆锚杆，纵向间距60cm的I20a全环钢拱架，厚度28cm的C25喷射混凝土。

由于地形是左高右低，因此在开展开挖支护施工时，需要对偏压因素进行充分考虑，先进行右侧边墙的开挖支护，防止由于偏压而造成拱墙位移和压力大的一侧由于暴露时间长而造成变形裂缝等不利情况。调整系统锚杆的布置间距，偏压一侧（在锚杆每平米总根数不变的情况下）锚杆进行加密，下台阶边墙采用左右侧边墙交替开挖支护的方法进行施工。左右侧边墙错开的距离应该为3m，边墙施工完成段及早施作初支仰拱与砼仰拱和填充，促使初支结构尽快成环，提升其受力状态，进一步减小围岩的形变量。

（2）监控量测

在隧道施工中，监控测量是重要环节，借助监控测量，能够对围岩动态以及支护动态进行充分掌握，能够保证支护参数选定的合理性，促使支护结构更具稳定性。通过在地表及洞内拱顶、拱腰设置观测点，为了保证监控量测数据的准确性，分析超前管棚支护、调整锚杆布置参数、地表注浆支护对隧道初支形变的影响，在设计图纸三台阶开挖每个断面7个观测点的基础上增加观测点，其中拱顶增加2个、拱腰增加2个。每环地表、洞内监测点间距3m。在完成测量点布置作业之后，应该及时对测量数据进行整理，在施工时，应该对支护参数以及开挖尺寸进行及时调整，若是围岩的变速率没有达到标准要求，需要制定有效措施进行补救。在开展DK115+256-DK115+258洞身中左台阶开挖时，发现上一循环已完成的喷射砼表面产生裂缝问题，表明这个位置的围岩压力在不断增大，同时其位移量也在增加，借助监控检测，发现围岩的收敛值也在不断增加。施工人员借助减小开挖尺寸以及开展边墙支护等措施，使围岩处于合理的受力状态，防止和避免了左侧初支变形开裂并侵线的情况。

（3）二次衬砌

在完成初期支护施工之后，需要及时进行钢筋砼仰拱施工，促使围岩变形状态以及应力状态得到改善，之后进行二次衬砌作业。通过对相关数据分析之后，发现浅埋偏压隧道洞身，在早期形变以及最终的形变均在规范及设计要求的范围内，超前管棚注浆、地表注浆很好地加固了隧道拱顶以及地表的围岩，最终使隧道安全完成了洞身施工。

（二）断层破碎带影响段施工

毛羊岭1号隧道进口DK115+450-DK115+495断层破碎带影响段，在洞身开挖施工时存在极大的风险，经物探法以及TRT揭示地质情况复杂，为保证顺利地通过断层破碎带，采用型钢钢架+超前小导管+超前周边注浆的方案对围岩进行加固并封堵围岩裂隙水。超前周边注浆钻孔布置图如图2，注浆钻孔剖面图如图3，注浆钻孔平面图如图4。

图2 超前周边注浆钻孔布置图

图3 注浆钻孔剖面图

图4 注浆钻孔平面图

1.超前周边注浆参数

根据类似的工程实例注浆参数取以下值：第一环钻孔20个，钻孔角度11°59′13″，斜长30.67m。第二环钻孔20个，钻孔角度13°42′58″，斜长22.65m。第三环钻孔20个，钻孔角度17°20′2″，斜长14.67m。

2.钻孔、注浆顺序以及注浆材料及配比设计

钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工，注浆形式采用前进式注浆。注浆材料及规格为：采用P.O 42.5 1∶1普通硅酸盐水泥净浆。

3.准备工作

（1）在正式开展注浆施工前，需要合理选择地质预测方法，以对掌子面前方地质的实际情况加以了解，根据钻孔的出水情况进行注浆施工。

（2）为保证止水效果以及作业安全，需要建设一面砼止浆墙，厚度为1.5m。

（3）在现场准备一个循环注浆物质。

（4）根据施工要求，做好管路连接工作，对连接点以及开关等进行严格检查，保证其质量。之后启动注浆泵，对其密封性进行压水检查。

（5）在检查结果符合要求之后，进行压水试验。根据一个压力段开展压水试验。静水压力是其初始压力，对试验过程进行严格纪律，并分析地层渗透性，以保证浆液配合比的合理性。

4.超前周边注浆施工

注浆施工前先进行止浆墙施工，采用C20混凝土，厚度1.5m，止浆墙应嵌入岩体并设置适量的径向锚杆。钻孔注浆应在止浆墙强度达到75%后进行。

（1）钻孔

在止浆墙进行1.8m、φ103mm注浆孔施工作之后，将浓稠超细水泥塞入孔中，之后进行孔口管安设作业，其长度为1.5m,φ108mm×5mm。之后借助φ90mm钻头开展钻孔施工作业，在钻至8m深之后开展注浆作业，并在每次钻进8m之后，进行一次注浆作业。

（2）注浆

完成钻孔施工之后，需要清洗钻孔，保证孔中不会有岩粉残留以及黏土杂质的。并按照浆液配合比参数进行浆液配置，对完成拌制的浆液进行过滤处理，之后倒入储浆桶中，一边搅拌一边开展注浆作业。

（3）注浆压力控制

注浆压力控制在0.5-1.5Mpa符合实际要求，为注浆质量提供保障。

（4）注浆顺序

在注浆时，应该按照先外圈孔、后内圈孔，先浅孔、后深孔，由外而内、先上后下的注浆顺序，开展注浆作业。

（5）浆液浓度

在确定浆液浓度时，应遵循先稀后浓、逐级变化原则。

5.注浆效果检验

注浆结束后，在开挖轮廓线范围内打设检查孔，检测注浆效果，每循环设检查孔5个，其中拱部2个，左右边墙各1个，底部1个，检查孔直径φ110mm，长度约30m。

检验标准：①检查孔的出水量应该为0.2L/min.m在以下，压水试验应该不大于1.0MP压力，进水量应该低于2L/min。

②岩体RQD指标达到75-80。

若是不符合上述条件，需要补充注浆，直到符合标准为止。注浆检查孔在注浆效果检查完成后及时用M10水泥砂浆进行全孔封堵。

隧道洞口浅埋偏压、隧道穿越断层破碎带作为暗挖隧道的施工难点，多年以来一直都是工程技术人员攻克的施工课题。隧道施工风险高，为了保证安全施工，针对施工重难点必须采用行之有效的施工措施确保安全。通过采用超前管棚注浆、浅埋段地表注浆、超前周边注浆，使毛羊岭1号隧道安全通过了浅埋段及断层破碎带段，为今后类似的工程施工提供了一定的参考。