冰碛层隧道施工关键点与监理管控要点

杨德明（兰州交大工程咨询有限责任公司， 甘肃 兰州 730000）

0 引 言

冰碛层是冰川作用过程中携带和搬运的泥沙和岩石碎块，在冰川消退以后留在原地并沉积形成的特殊地层，又称冰川沉积层。冰碛层地段地下地质状况非常复杂，颗粒大小混杂，经常是巨大的石块和细微的泥质物的混合物；均匀性差，可能是大石块夹泥沙，也可能是河卵石夹泥沙，或是泥沙，无成层现象；密实程度不一，随沉积年代和埋深不同，呈现出松散、较密实和密实状态；地下水丰富，往往与地表水相连同，涌水量随季节不同而变化较大。

青藏、川西高原地区广泛分布着冰碛层，在冰碛层地段施工隧道工程会遇到各种问题，问题得不到有效解决，就会不同程度地出现塌方、涌水、突泥、变形等事故。监理如何采取有效措施，避免出现以上问题，是发挥监理作用的着力点，也是各参建方的关切点。基于此，笔者结合施工实际案例，对工程施工中遇到的问题进行探讨，并总结过程中的经验，为隧道建设者提供一些思路和方法。

1 工程概况

米林隧道冰碛层位于西藏林芝米林县境内，是新建川藏线拉萨至林芝铁路的控制性工程之一。米林隧道冰碛层实际里程为 D2K387＋424～D2K387＋723，共299 m，线路埋深在 160 m～175 m 之间。D2K387＋678～D2K387＋723 段分两循环采用全断面超前帷幕注浆施工，每循环加固长度为 25 m（其中 5 m 作为止浆岩盘与安全储备距离，不开挖）；拱部采用 Φ89 管棚超前加强支护，管棚单根长度为 10 m，环向间距 0.4 m，每环 27根，纵向间距 6.4 m，管棚搭接不小于 3 m，采用两台阶法开挖。D2K387＋424～D2K387＋678 段采用中管棚＋小导管注浆超前支护，配合泄水孔泄水减压，采用三台阶法施工；拱部采用 Φ89 管棚超前加强支护，管棚单根长度为 20 m，纵向间距 15 m，搭接 5 m，环向间距 0.4 m，每环 27 根；小导管长为 4 m，环向间距 0.3 m，每环 36 根，外插角10°～15°，可根据实际情况作调整。

2 工程地质条件

隧址区位于念青唐古拉山脉与喜马拉雅山脉之间的藏南谷地高山区，山高谷深。山脉呈南北向纵贯延展，谷岭相间，地势起伏跌宕。冰碛层段位于一顺线路方向长约500 m 的冲积台地上，其围岩岩性为第四系上更新统冰水堆积层（Q3fgl）之卵（碎）石土夹漂（块）石土及细砂，呈密实状、饱和状。其中：卵（碎）石约占 80%，粒径以60 mm～200 mm 为主；漂（块）石土约占 5%，粒径以200 mm～300 mm 为主，偶有大粒径石块，其余为细砂、粉土等充填。地下水呈“股状”发育特征，主要为第四系松散孔隙水和围岩裂隙水，水量在 50 m3/h～80 m3/h 之间，无水压。

3 冰碛层隧道施工中的关键点及解决方案

3.1 土石分界线的判定

冰碛层段隧道的施工，首先遇到的问题就是要提前准确判定岩体与冰碛层的准确分界里程，据此决定何时进场专业队伍、配套机械设备和材料，哪个里程起采用针对冰碛层的施工方法，并预留至少 5 m 的原岩土作为止浆岩盘与安全储备距离；否则，塌方、突泥、涌水与变形等事故无可避免。具体解决方案如下。

（1）根据设计阶段钻探与地质调查，预设计冰碛层大致范围为 D2K387＋305～D2K387＋795。在施工阶段，对冰碛层体两侧进行了地质补勘，两个探孔里程分别为 D2K387＋415 和 D2K387＋690，结合设计阶段钻探的D2K387＋560 中间孔，以及两侧山体地面线的延伸情况调查，进一步较准确地确定了冰碛层的范围为 D2K387＋415～D2K387＋740。

（2）当出口方向开挖至 D2K387＋740、斜井大里程方向开挖至 D2K387＋415 时，在两个掌子面处采用了超前钻孔取芯与孔内摄像相结合的方法，超前钻孔为 3 孔，在掌子面顶部中间位置、距两侧边墙与底部 1 m 附近各钻 1孔，取芯长度为 30 m，钻孔兼做泄水孔。通过对芯样的研判和孔内摄像的分析，准确判定了土石分界线里程：出口方向为 D2K387＋723、斜井大里程为 D2K387＋424。

3.2 物质成分的组成分析

冰碛层体物质的主要组成成分为河卵石、漂石和泥沙。河卵石、漂石的粒径与含量，泥沙的含量，河卵石、漂石的胶结程度等，在很大程度上决定了开挖后掌子面的稳定情况和突泥、涌水的出现概率，更直接决定了采用何种超前加固方法和开挖方法，以及施工过程中的安全问题，最终决定了工程的施工质量、工期和效益。因此，分析冰碛层体物质的组成成分，是遇到的最重要的问题之一。具体解决方案如下。

（1）前期参见设计文件中冰碛层钻孔资料，发现设计阶段钻探时，冰碛层段落只钻了1孔，位置在 D2K387＋560 处，且在钻孔时地下水发育，芯样无泥沙，只有河卵石、漂石芯样，因而仅有一个直观的冰碛体概念：冰水堆积物厚度大于 200 m，物质成分为卵石土和漂石土，地下水丰富。

（2）隧道无冰碛层段施工过程中，与设计院沟通，又补钻了 2 孔，位置分别为：D2K387＋415 和 D2K387＋690。此两钻孔靠近两侧山体，且在枯水期钻探，故芯样较完整，具体揭示地质情况为：0～35 m，除表层为漂石土、卵石土外，其余主要为细砂层；35 m 以下至洞身范围内，主要是卵石土夹漂石土及细砂，卵石土（粒径以 60 mm～200 mm 为主）约占 50%，漂石土（粒径 200 mm～1 500 mm）约占 10%，其余为细砂、粉土等充填物。结合抽水试验，得出该地层的综合渗透系数为0.593 m/d～1.449 m/d（相当于细砂层渗透系数）。综合地层结构和抽水试验成果，判定该段范围内的卵石土具有一定的胶结作用。

（3）根据 D2K387＋678～D2K387＋723 段两循环开挖和探孔情况，判定冰碛层地层以卵石土和漂石土为主，粗颗粒含量在 70% 以上，主要特点如下：堆积体粗颗粒和巨颗粒排列紧密，相互之间棱角接触，呈交错状；堆积体细颗粒物质的胶结作用强烈，大多以接触式胶结为主，联结巨颗粒与粗颗粒使之成为整体；隧道洞身位于沟口位置，冰碛层经历了较长时间的沉积和固结，大多结构呈中密～密实状态，以泥质胶结为主，其胶结程度一般较好，无明显的架空现象，可注性差；由于胶结状态良好且受骨架颗粒支撑等因素的影响，两循环冰碛层开挖后掌子面能较好地处于稳定状态而不发生破坏，近似呈直立状。

3.3 施工方法的选择

隧道施工方法的选择一般取决于围岩情况。对于本隧道冰碛层，在前期帷幕注浆两循环的基础上，总结出了一些经验，例如：冰碛体粗颗粒含量大，各组分间胶结好，对掌子面具有稳定作用，但可注浆性差。从开挖后注浆孔的实际扩散情况看，在大部分孔中未扩散，仅填充了钻孔，个别胶结差的钻孔有扩散现象，但也达不到设计的 2 m 扩散半径的要求。

经专家会研讨总结，确定地层以卵石土和漂石土为主，粗颗粒含量在 70% 以上，呈中密～密实状态，当掌子面能够保持稳定时，采用中管棚＋小导管超前支护，配合泄水孔泄水减压，采用三台阶法施工；当不满足上述地质条件时，遵照原设计采用全断面帷幕注浆或周边帷幕注浆施工的原则。

3.3.1 全断面超前帷幕注浆法

在实际施工中，由于前期没有成熟的冰碛层施工经验，加之各参建方对冰碛层认识还不够深刻，本着安全和总结经验的原则，对 D2K387＋678～D2K387＋723 段采用设计的全断面超前帷幕注浆的方法。具体措施如下。

（1）止浆墙施作。采用 C30 混凝土浇筑，厚度 2.0 m，高度 6.0 m。混凝土浇筑前在止浆墙内埋设足够数量的Φ108 排水管，实际埋设数量以将水排干不影响止浆墙施工为准。止浆墙周边采用两环 Φ32 钢筋与周边初支连接锚固，锚固钢筋长度 2.0 m，环向间距 1.5 m，插入止浆墙和初支各 1.0 m。

（2）超前全断面帷幕注浆加固长度 25 m（含止浆墙），开挖长度 20 m，预留 5 m 作为止浆盘。注浆孔沿掌子面周边布设（外圈）与中间孔布设，注浆孔大小为 Φ90。外圈注浆孔终孔在开挖轮廓线外 5 m。考虑注浆孔浆液扩散半径 2.0 m，终孔断面孔间距不大于 3.2 m，共设 25 m 终孔断面和 15 m 补充断面，两个注浆断面共 67 个注浆孔。在实际施工过程中出现涌水较大或其他明显异常的情况，及时采取周边补孔设计，作为补充注浆及效果检查之用。

（3）超前注浆施工采用前进式分段钻孔注浆工艺和钻杆后退式分段注浆工艺相结合的施工工艺。前进式注浆每节长度 5 m～8 m，钻杆后退式注浆每节长度为 2 m～4 m。注浆顺序按“先外后内，自上而下，间隔跳孔”原则进行。材料以早强硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆和普通水泥单液浆为辅。浆液配比参数为∶早强硫铝酸盐水泥单液浆、普通水泥单液浆 W∶C（0.6～0.8）∶1，普通水泥-水玻璃双液浆 W∶C（0.8～1）∶1，注浆压力为 3.0 MPa～5.0 MPa。

3.3.2 三台阶法

后期由于有了两循环的施工经验，并召开专家会进行了研讨总结，确定地层符合中管棚＋小导管超前支护的地质条件，对 D2K387＋424～D2K387＋678 段采用了中管棚＋小导管注浆超前支护，配合泄水孔泄水减压，实施三台阶法施工。具体措施如下。

（1）超前钻孔即泄水孔（3 孔），在上台阶布设 3个，拱部 1 个，两侧拱腰各 1 个，超前钻孔单孔长度不少于 30 m，搭接长度不少于 5 m，通过孔内摄像判明前方的水文及地质情况。

（2）管棚采用 Φ89，环向间距 0.4 m，每环根数为 27根，单根长度为 20 m，纵向间距为 15 m，搭接 5 m，外插角 10°～15°。注浆材料采用水泥浆或水泥砂浆，注浆压力在 0.5 MPa～1.0 MPa 之间。

（3）超前小导管选用热轧钢花管，外径 42 mm，璧厚 3.5 mm。环向间距 30 cm，施作范围为拱部 144°，外插角 3°～5°，小导管单根长 4 m。注浆材料采用水泥浆或水泥砂浆，注浆压力一般在 0.2 MPa～0.3 MPa 之间。

4 关键工序监理管控要点

4.1 超前钻孔取芯

（1）核对钻孔取芯设备及操作人员。设备应选用扭矩大、适应高海拔地区作业的机型；操作人员必须有操作经验，能够处置常见机型故障。

（2）现场检查钻孔取芯的位置和孔数。一般钻 3 孔，在掌子面距拱顶 1 m 附近、距边墙与底部各 1 m 附近的位置取芯。

（3）旁站取芯过程。主要查看记录钻孔深度、钻孔过程中钻进速度与扭矩变化、出水颜色的变化、芯样的放置及编号等。

4.2 帷幕注浆

（1）核对设备和操作人员。设备、人员进场后，监理要按照报验资料进行核对。主要核对点是钻孔设备是否适应高海拔地区，最好配置宝峨系列多功能地质钻机；注浆机是否是双液高压型，是否有备机。操作人员是否具有操作经验，能否处置卡钻、钻杆扭断等常见故障。

（2）检查注浆材料和浆液质量。对于注浆材料，主要是检查水泥的品种和标号，以及水玻璃的性能，检查方式主要是参看质量证明文件和平行检测。对于浆液质量，主要是通过拌和站配合比和出场浆液性能指标进行检测控制。

（3）检查钻孔位置、孔深和数量。钻孔位置应按照方案经测量放点确定，并要求按一定顺序编号；孔深按钻杆节数及每节长进行过程控制，成孔后要按至少 3 孔的实测深度来确定；在现场要清点孔数并作详细记录。

（4）旁站注浆全过程。首先要核对注浆顺序，检查是否按“先外后内，自上而下，间隔跳孔”原则进行；注浆量主要从注浆机安装的流量计、每班浆液出场数量统计复核来控制；注浆压力尤其是终压要现场盯控，以在 3.0 MPa～5.0 MPa 之间为宜，并至少保持 5 min。

4.3 管棚施作

（1）检查管棚制作质量。主要检查每节长度、注浆小孔直径、间距、锥头、管末端铁箍焊接情况、连接套长度及焊接情况等。

（2）检查钻孔孔深和数量。孔深按钻杆节数及每节长进行过程控制，成孔后要按至少 3 孔的实测深度来确定；在现场要清点孔数并作详细记录。

（3）检查下管长度。记录下管的节数和每节长，统计后查看是否符合设计长度，并作详细记录。

（4）旁站注浆过程。检查注浆是否按“从低往高，间隔跳孔”原则；检查注浆压力的初压应控制在 0.5 MPa～1.0 MPa 之间，终压应控制在 2.0 MPa，并至少保持 3 min。

5 结 语

冰碛层隧道施工难度大，不可预见因素多，在实际施工中，遇到过多次险情。其间，监理单位与各参建方积极沟通，共同解决土石分界线、物质组成及施工方案确定等问题，有效地确保了项目的顺利实施。尤其对于关键工序，监理单位积极督促施工单位做好技术交底，认真检查验收和全过程旁站，在各参建方的共同努力下，保证了施工中未出现塌方、突泥、涌水等事故，更有效确保了冰碛层隧道的施工质量。同时，监理站人员通过本工程的实践，积累了冰碛层隧道施工的管理经验，为今后川藏铁路等类似地质条件项目提供可借鉴的经验和做法。