新圆梁山隧道穿越2#溶洞超前帷幕注浆技术研究

曹林卫，姜波

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 401121）

0 引言

我国岩溶地貌分布广泛，修建铁路隧道不可避免地会与岩溶地层遭遇。在岩溶地层中修建隧道经常会遇到高压富水溶洞，如果处治不当，将会发生突水突泥、塌方等地质灾害，因此对高压富水溶洞进行超前预加固至关重要。

张民庆等[1]在对齐岳山隧道高水压涌水地段进行处治中，采用了循环注浆堵水技术。张梅等[2]在对野三关隧道 “602” 高压富水溶腔进行处治中，采用了高位泄水降压技术、注浆技术和管棚预支护技术，保证了隧道溶洞段的施工安全。杜永昌[3]针对大支坪隧道 “990” 高压富水溶腔，综合采取预钻孔排水减压、帷幕注浆预加固隧道周边围岩以及高位支洞排水等措施，成功地处理了溶洞区突水灾害问题。刘招伟等[4]在圆梁山隧道毛坝向斜高压富水区，采用多种注浆方法和手段，实现了对围岩和充填物的加固和阻水。由此可见，注浆是防治突水的重要施工技术[5]。渝怀铁路Ⅱ线新圆梁山隧道穿越岩溶地质条件复杂，突水突泥等灾害风险大，其中2#溶洞的处治是隧道施工的重点[6]。

鉴于此，以新圆梁山隧道为工程依托，在分析2#溶洞特点与注浆难点的基础上，开展超前帷幕注浆方案设计，并通过现场检验验证了超前帷幕注浆加固的效果。研究成果对类似工程具有一定的参考价值。

1 工程概况

新圆梁山隧道由既有圆梁山隧道平导扩挖修建，全长11172m，最大埋深774m。新圆梁山隧道位于既有线右侧30m处，设计为人字坡，底板标高低于既有线1.5m。新圆梁山隧道穿越地层条件与既有线隧道相似。

1.1 2#溶洞概况

新圆梁山隧道2#溶洞位于YDK340+337～YDK340+397，溶洞距进口3060m，距地表约579m，探测到的溶洞长度为122m，设计抗水压力3MPa。隧道位于毛坝向斜YDK339+102～YDK341+302段舟型富水区核部。溶蚀裂隙发育广泛，为具宽大构造-溶蚀裂隙特征的深埋充填溶洞。溶洞内充满黄褐、褐红色黏质粉细砂与粉质黏土。填充物与溶解的灰岩以及岩块交叉分布，自稳性差。溶洞与上部岩溶水体或地下暗河相连。一线施工期间洞内水压：正洞3.013MPa，平导2.016MPa。总之，2#溶洞具有规模大、水量大、水压高的特点，因此，施工处治难度大[7]。2#溶洞示意图如图1所示。

图1 新圆梁山隧道2#溶洞平面发育示意图

为降低风险，保证施工安全，从安全使用性、地质适应性、经济、工期、既有工程经验等方面对多种超前预支护方案进行综合对比分析，确定采用帷幕注浆法对2#溶洞进行预加固。

1.2 帷幕注浆施工重难点分析

根据隧道所处地理位置以及开挖揭示的工程地质和水文情况，隧道施工的风险及重点如下：

（1）工程地质复杂，岩溶管道与充填介质软硬不均，且溶洞充填介质主要为含水黏质粉细砂与粉质黏土，不易成孔，这种地层的钻孔效率被严重制约。如何提高孔位的钻探效率是该项目能否快速完成注浆加固的根本保证。

（2）溶洞充填体以粉细砂为主，浆液固结后呈切割土体的网脉状，不能完全浸润土体，注浆体的固结形态、扩散范围不能精确预控，整体强度差异大或提高有限。如何对注浆过程进行严格把控，从而提高注浆质量是关键。

（3）溶洞充填体顶部涵盖范围广、含水率大，开挖施工扰动易对注浆后的止水加固圈造成影响，使土体发生液化反应，成流塑状，可能产生突泥、突水、顶部掉泥现象，难以形成自然拱。如何在施工过程中尽可能降低对土体的扰动是保证安全开挖的重点。

综上所述，如何提高钻孔效率、注浆质量，降低开挖对土体的扰动是注浆施工的重难点。

2 隧道穿越2#溶洞超前帷幕注浆方案设计

根据2#溶洞的空间分布特征及施工重难点，确定在YDK340+330～YDK340+405段施作全断面帷幕注浆，同时采用大管棚进行超前支护。采用大管棚支护并进行管棚注浆加固，能够在提高帷幕注浆效果的同时，对隧道顶部溶洞内的粉细砂等充填体进行加固，形成连续密闭的管棚喇叭桶形支护结构，避免隧道拱部的坍塌、掉泥等灾害，保证隧道安全开挖。通过施作止浆墙并采用分段前进式注浆方式，可以有效防止塌孔和成孔困难。此外，在超前帷幕注浆施工前进行注浆试验，获取注浆量、浆液配合比、凝结时间、注浆终压等参数。在帷幕注浆施工中，除采用常规注浆材料外，还采用了硫铝酸盐水泥、超细水泥等特种注浆材料。特种注浆材料早期强度高、快硬，具有良好的可注性、分散性和浸润性，能够有效注入地层并形成脉状网格胶结体结构，可以防止坍塌，且注浆效果可预控，能显著提高注浆质量。

2.1 施工条件准备

隧道进行超前帷幕注浆前需施作止浆墙，并对场地进行硬化处理。

止浆墙施作时，先开挖止浆墙基础。在基底及周边打设两排连接筋。连接筋采用直径Φ22、长度2m的螺纹钢。钢筋间距为0.5m，排距为1.5m。采用强度等级为C25的混凝土立模浇筑止浆墙。为便于现场施工，止浆墙分4次进行浇筑，厚度为2m。

帷幕注浆前，在止浆墙前方10m施作钻机作业平台，如图2所示。平台表面采用C25模筑混凝土浇筑硬化。混凝土浇筑厚度为30cm。硬化场地前端斜坡不大于30°。斜坡上也须浇筑30cm厚混凝土，混凝土浇筑须平整，便于钻机上下。

图2 场地硬化布置图（单位：mm）

2.2 超前帷幕注浆设计

超前帷幕注浆参数如表1所示。隧道每次开挖20m。在纵向加固段的8m和15m处增加两个补孔注浆断面，以减少注浆盲区。超前帷幕注浆设计图如图3所示。

表1 注浆设计参数表

图3 超前帷幕注浆设计图（单位：cm）

2.3 注浆材料

超前帷幕注浆材料及其配比参数详见表2。由于地质条件差异和现场施工情况不同，材料配比可进行适当调节。

2.4 超前帷幕注浆施工

表2 注浆材料配比表

图4 超前帷幕注浆施工流程图

超前预注浆按照 “由外到内、由上到下、间隔跳孔” 的顺序进行。超前帷幕注浆施工流程如图4所示。需要注意的是，在钻孔和注浆过程中如出现突水突泥、塌方等灾害时，应立即停止施工。

3 超前帷幕注浆效果现场检验

为检验帷幕注浆设计方案的现场实施效果，对注浆后围岩松动圈、检查孔及渗水情况进行检测。

3.1 围岩松动圈测试

为了确定和验证超前帷幕注浆堵水和加固效果，分别在隧道未注浆段YDK334+885、YDK335+715、YDK336+350处和注浆段YDK340+355、YDK340+375处测量了围岩松动圈厚度。围岩松动圈测试结果如表3所示。

表3 围岩松动圈测试结果

由表3可知，隧道开挖后围岩的松动圈厚度最大能够达到1.6m，这主要是在裂隙较发育的Ⅳ级围岩段中。据此可以推算，裂隙较发育的Ⅴ级围岩段的围岩松动圈厚度应该超过1.6 m。注浆后的裂隙较发育的Ⅴ级围岩段围岩松动圈厚度约在1m左右，这和Ⅳ级围岩段松动圈在未注浆之前的厚度是一样的，这也同时说明，采用5m注浆加固圈加固后的裂隙较发育较严重的Ⅴ级围岩段的围岩等级提高了一个级别。

3.2 径向检查孔

在各注浆段开挖和支护完成后，为了确定帷幕注浆堵水的效果，在系统锚杆（L=3.5m）和锁脚锚杆（L=4.0m）施工过程中，钻孔均未出水。同时，在2#溶洞段选取了YDK340+355和YDK340+375作为检测断面，每个断面布设了三个径向检查孔，分别位于隧道断面的拱腰和左右拱顶处，每个检查孔的深度为5m，利用钻机钻至设计孔深，发现三个检查孔均未出水，这也能够表明，在2#溶洞段把围岩注浆厚度定为5m能够达到堵水的效果。

3.3 注浆后渗水情况监测

为了确定帷幕注浆后隧道渗水情况，在2#溶洞段隧道分三个区间进行渗水量监测，监测结果如表4。

表4 渗水监测结果

从表4监测的数据可以看出，帷幕注浆堵水后实际渗水量均小于设计规定渗水量，说明2#溶洞段隧道帷幕注浆堵水达到了设计要求和预期效果，满足隧道开挖期间渗水量的要求。

4 结论

新建圆梁山隧道邻近既有线，采用扩挖施工，穿越的2#溶洞规模大、水量大、水压高、施工风险大。采用超前帷幕注浆法对2#溶洞进行预加固，并对超前帷幕注浆参数和施工进行设计。对超前帷幕注浆效果进行现场检验显示，注浆加固提高了围岩的等级，检查钻孔未出水，溶洞段渗水量小于设计标准，超前帷幕注浆起到了围岩加固和注浆堵水的效果。