白云岩砂化地层条件下隧道施工工艺研究

丁荣春

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

1 工程概况

成昆铁路吉尔木隧道位于四川省越西县境内，全长11132m，洞身主要通过灰岩、玄武岩、页岩、泥岩夹煤线、泥岩夹砂岩、白云质灰岩、白云岩等16套地层，1条断层、1处断层影响带，地质复杂多变。其中1#横洞工区、2#横洞工区、3#横洞工区主要为白云岩地层，白云岩砂化现象严重，施工中多次发生突水涌泥现象，如何在砂化白云岩地层条件下顺利施工成为工程控制重点。

2 隧道在白云岩砂化地层中施工时遇到的问题

2.1 无水地质条件下

掌子面在无水地质条件下具有一定的强度及自稳性，未扰动时岩体强度较大，施工中需爆破开挖，隧道开挖风险在可控范围之内。但是，开挖过程中应严格控制开挖进尺及支护时间，减少围岩暴露时间。开挖进尺过大、初期支护不及时容易造成拱顶围岩失稳，造成局部掉块、冒顶、坍塌等危害。

2.2 地下水发育地段

白云岩砂化地层在地下水发育地段，围岩稳定性变差，受裂隙水浸泡，岩体软化严重，掌子面自稳性较差，存在失稳现象[1]。砂化白云岩在地下水携带作用下容易形成水道，造成突水涌泥现象，隧道开挖风险极高。施工过程中主要存在以下几种风险：

1）掌子面在地下水作用下极易发生坍塌和垮塌。

3）掌子面开挖过程中，砂化白云岩在地下水携带下形成塌腔，并在地下水作用下逐渐增大，最后形成突涌。

4）支护完成后由于拱脚遭地下水浸泡，造成局部下沉，引发掉拱、塌方。

3 白云岩砂化地层下开挖方法选择

为解决砂化白云岩地层中的开挖施工，重点是要解决富水地层及砂化严重地段的掌子面失稳及突水突砂情况，开挖方法具体内容如下。

3.1 铣挖法

对于白云岩砂化情况不严重，掌子面自稳性较好的情况，采用爆破与铣挖相结合的施工方法，钻眼时通过调整钻爆参数，使爆破后开挖面保留50cm左右岩层。出碴结束后，对欠挖岩层使用铣挖钻头铣挖处理。该方法可以减少开挖时对周边岩层的扰动，控制超挖，减少立架及喷射混凝土时间。

对于砂化严重，围岩强度较低，但掌子面自身尚有一定自稳性的地段，可采用全断面铣挖的方式。通过现场试验，在该类岩层中铣挖速度最大可达到50m³/h。铣挖时，每次进尺控制在0.5-0.8m。采用铣挖作业可避免爆破作业时爆炸波对周围岩层的扰动，保持周边围岩的整体性，减少开挖后立架过程中周边围岩的塌落及后续围岩对拱架的作用力。

3.2 冻结法

在富水白云岩地段，当地下水量较大，无法采用正常法掘进施工时，可考虑采用冻结法施工：用人工制冷的方法，将待开挖隧道轮廓线周围土体中的水冻结为冰，并与土体胶结在一起，形成一个设计轮廓范围内的冻土墙或密闭的冻土体，用于抵抗土压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行隧道开挖。当岩体中含水率非常小或地下水流速相当大时，该方法不适用。

3.3 常规措施及方法

常规措施及方法有以下几点：

草甘膦自1985年在中国登记使用，目前登记状态有1347种药。这种灭生性除草剂种类并不多，有草甘膦、百草枯、草铵膦，各有优缺点。近日，江西公布有三批次茶叶被检测出草甘膦检出值超标。为什么国内市场草甘膦也不能很快被更安全的草铵膦替代？答案就在草甘膦与草铵膦的成本对比之中。从成本上看，一吨草甘膦的价格大约在2万元，而一吨草铵膦的价格大约在15万元。两者之间的价格鸿沟就是横亘在茶农眼前的天堑。

1）超前支护：采用中管棚结合超前小导管进行注浆加固，防止掌子面失稳。

2）地下水富集地段，减小开挖断面，分部开挖，每循环开挖采用喷射混凝土封闭掌子面，避免掌子面围岩裸露时间过长，出现渗水、失稳现象。开挖时适当加大预留变形量，防止沉降过大造成侵限。开挖进尺根据现场围岩情况适当调整，控制在0.5～1.0m范围内。

3）初期支护：采用Ⅴc型复合衬砌进行支护，当围岩较差时可减小拱架间距，拱架安装时应紧贴掌子面，减少拱架与掌子面间的间隙，防止拱架与掌子面间暴露部分出现坍塌现象。

4）遵循快挖、快支、快封闭的原则，上、中、下台阶分别开挖支护，随开挖，随支护，快循环。

5）做好隧道内排水引排措施，初支拱脚处挖设排水沟，避免浸泡拱脚造成拱架和基底软化。基底已软化的松散层及时清理换填，避免翻浆。

4 白云岩砂化地层下超前支护方式的选择

由于白云岩砂化地层浆液的扩散性较差，注浆不容易形成加固整体，因此选择合适的超前支护方法和注浆材料尤为重要。通过施工试验及现场总结，确定了如下施工方法。

4.1 双层自进式管棚（锚杆）支护

砂化白云岩地层围岩自身整体性较差，超前管棚及小导管施作时容易出现塌孔、卡钻现象，因此施工时可选择自进式管棚（锚杆）支护技术，通过控制管棚（锚杆）间距，形成封闭式棚护结构达到支撑拱部围岩的效果。管棚布置图见图1。

图1 双层管棚支护图

1）导管规格：热轧无缝钢管；外径89mm，壁厚6mm。

2）施做范围及管距：环向间距20mm（根据现场情况可适当加密至可施作的最小间距），施做范围拱部161°。

3）倾角：外插角以1°～3°为宜，可根据实际情况调节。

4）注浆材料：1：1水泥浆，当围岩破碎，为调凝需要，可部分采用水泥-水玻璃双液浆，浆液强度≥M10，水泥选用超细水泥，保证扩散效果。

4.2 采用高压水平旋喷桩进行超前加固

喷射注浆法又称旋喷法注浆，简称旋喷桩。高压水平旋喷桩对处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等具有良好的加固效果，将预先配置好的浆液通过高压发生装置获得巨大能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏松散围岩，喷射过程中，钻杆边旋转边退出，使浆液与围岩充分搅拌混合，在松散围岩中形成一定直径的柱状固结体，从而使围岩得到加固，同时锁脚部位也可以采用旋喷桩进行加固。

高压水平旋喷桩施工工艺较复杂，施工速度较慢，在塌腔较大、砂化较严重的地段可选用这种施工工艺。

4.3 玻璃纤维锚杆全断面超前预加固技术

在掌子面进行干钻，钻孔近似平行于隧道轴线并均匀分布在掌子面上，长度一般大于隧道直径。钻孔后将玻璃纤维锚杆（组合锚杆）插入孔内并立即注入水泥浆。当隧道掘进后，掌子面超前核心土中玻璃纤维锚杆（组合锚杆）的剩余长度不足以确保隧道的预约束时则需布设下一排玻璃纤维锚杆。

玻璃纤维锚杆有良好的抗拉强度和较大脆性，能有效控制掌子面挤压变形的同时，开挖过程中挖机可以很容易将其挖断。该工艺可以有效地改善掌子面超前核心土的应力-应变特性，使其得到预测和控制，从而充分发挥洞室的预约束效应。

5 结语

综上，白云岩砂化地质条件决定了其在施工工程中会容易发生坍塌、突泥、突砂等地质灾害，因此，选择合适的开挖工法及超前加固措施尤为重要。施工中可以多种方法搭配使用，最大限度减少砂化白云岩对隧道施工的危害。