姜家沟隧道大变形施工与岩溶处理技术

2022-01-04姜凯

资源信息与工程 2021年6期

姜凯

(中铁十九局集团第六工程有限公司,江苏无锡 214000)

1 工程概况

姜家沟隧道起止里程为D1K277+725～D1K280+030，全长2 305 m，最大埋深184 m。隧道范围内出露地层为：上覆第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)及坡残积层(Q4di+el)；下伏地层分别为：志留系奥陶系中上统(O2+3)，奥陶系下统湄潭组(O1m)，桐梓组、红花园组(O1t+h)及寒武系娄山关群(∈2-3ls)。地质构造及地震隧区为单斜构造，岩层产状：N5°～22°/12°～19°W，代表性节理产状：N80°/78°W、N22°/75°E、N80°/90°。隧道D1K277+840～D1K277+880大变形段采用Ф42 mm小导管支护，环向间距0.4 m，每2.4 m一环，每环23根，每根长3.5 m，D1K277+880～D1K277+920采用Ф76 mm中管棚支护。隧道全环设工字钢(I18)，间距0.8 m。隧道进口至D1K277+956.4段穿越灰岩底层，为中厚层至块状灰岩，岩溶强烈发育，地表发育有溶隙、溶蚀洼地，为隧道岩溶水提供了良好的补给通道，同时测区沟壑纵横，为地表水汇集提供良好条件，为可溶岩区提供大量的地表水补给，岩溶水发育，水量丰富。D1K278+328至出口段为白云岩，中厚层状，节理裂隙发育，岩溶水较发育，以岩溶泉形式出露于出口右侧沟槽，水量2L/s，出露标高1 590 m，高于隧道出口标高。隧道雨季最大涌水量为9 150 m3/d。根据钻探揭示D1K277+630～+730段发育有两层溶洞，上层溶洞标高约1 550.07～1 539.2 m，溶洞高约4～10 m，下层溶洞标高约1 539.67～1 513.2 m，均充填软塑状黏土夹碎石。隧道D1K277+725～D1K277+925段、D1K279+080～D1K280+030段岩溶中等发育段，存在施工涌泥、涌水可能，施工风险高。

2 隧道大变形段施工方法

隧道进口大变形段为V级围岩，采用台阶法施工，上台阶与中、下台阶开挖采取平行作业。在上台阶开挖后，及时封闭掌子面，初期支护及时成环。中、下台阶开挖施工严禁同时两侧对挖，左右边墙必须交错开挖[1-2]。仰拱开挖采取勤量测、快封闭、早支护、短开挖，开挖完后马上进行钢架支护施工，及早封闭。

2.1 超前支护

(1)Ф76 mm管棚施工。超前管棚采用Ф76 mm热轧无缝钢管，布置于隧道拱部，距离开挖线外围30 cm分布，环向间距为40 cm。管棚外插角以1°～3°为宜。管棚施工段开挖时，先不开挖下台阶，把下台阶作为施工混凝土导向墙和管棚平台，保证平台两侧宽度大于1.5 m，施工平台高度和宽度分别为2.0和2.5 m。

①施工导向墙。管棚设厚1 m的C20混凝土导向墙，导向墙设I18钢架2榀。从管棚起始断面往前3 m范围开始，拱顶采取扩挖施工，拱顶150°范围超挖40 cm，采用3榀I18钢架制作导向架，对超挖部分喷射C25混凝土作为管棚施工导向墙[3-4]。环向支撑采用钢拱架，管棚的导向管焊接固定在钢拱架上。

②制作管棚。编号为单号的管棚采用Ф76 mm钢管，管壁设间距18.8 cm、孔径0.1～0.16 cm的梅花型孔，管尾止浆段长110 cm。编号为双数的管棚不设孔，长度为6 m或9 m。

③钻孔。由两边向中间、从上至下用方木根据孔位按“井”字形依次搭好钻孔平台。钻机采用Ф89 mm液压钻机，为避免因平台晃动造成钻机出现不均匀下沉、倾斜、摆动而影响钻孔质量，平台方木用扒钉连接[5-7]。为避免因钻机移位造成孔位偏差，钻孔施工中用测斜仪对钻杆偏斜度进行控制，发现钻孔出现偏斜应及时纠正，保证钢管环向、纵向间距误差分别不超过10和20 cm。

④清孔、放钢筋笼、下管。钻孔检测满足要求后，在双号与单号孔分别放入无孔与有孔钢管，用钻机旋转把钢管顶进孔内，钢管用丝扣连接。为保证管棚受力，同一断面钢管接头数不得超过钢管数量的一半，并且相邻钢管接头错开距离不得超过1 m。双号、单号孔第一节管棚分别采用6和9 m的钢管，后续管棚均采用6 m的钢管。

⑤注浆。浆液采用水泥浆，用型号为NZ-130A的注浆机全孔压入。先通过注浆现场试验确定外加剂掺量与注浆参数，注浆采取先稀后浓、由上而下进行。注浆完成后，为提高管棚的强度与刚度，用M7.5水泥浆充填密实。

2.2 超前小导管施工

隧道进口大变形段D1K277+840～D1K277+880设超前小导管。为防止浆液前冲，方便小导管插打，将其前端加工成锥形。在小导管中间部位钻Ф10 mm的溢浆孔，为防止注浆出现死角，呈梅花状布置，间距为20～30 cm[8]。为防止漏浆，小导管尾部1 m范围内不设钻孔。施工中为避免因小导管端部开裂影响小导管的连接，其末端焊Ф6 mm的环形箍筋。

(1)布置超前小导管。超前注浆小导管长3.5 m，2.4 m一环，环向间距0.4 m，外插角为5°～10°，纵向搭接长1.1 m，采用壁厚3.5 mm的Ф42 mm热轧无缝钢管制作。

(2)钻孔。钻孔采用凿岩机，钻孔方向垂直于开挖面，仰角5°～10°，用红漆标出孔位。为保证钻孔顺直，钻孔时应避免钻杆出现摆动。为避免塌孔，钻孔完后应用吹管吹出孔内碎渣。

(3)顶管。把超前小导管插入孔内，在管尾30 cm处将麻丝缠绕在管壁上形成纺锥状，并用胶带缠紧。开动钻机，利用其冲击力把小导管顶进孔内，导管入孔深度不得小于管长的90%。

(4)注浆。注浆水泥砂浆，注浆机型号为NZ-130A。注浆参数由注浆现场试验确定，砂浆水灰比应控制在0.5∶1～1∶1，水泥强度等级应不小于42.5级，注浆压力为0.5～1.0 MPa。为避免跑浆，喷射5～10 cm厚砼作为止浆盘。

2.3 洞身开挖

大变形段根据围岩地质情况、完整性和稳定性选择三台阶法进行洞身开挖。开挖方式采用机械+人工方式或者弱爆破方式进行。(1)开挖上台阶。先施作拱部超前支护，在超前支护的保护下按照开挖轮廓线进行上台阶土体开挖，并用小推车将弃土运至下台阶，再通过运渣车运出洞外。上台阶开挖完成后，及时施作上台阶初期支护，并取得监控量测初始数据。(2)开挖中台阶或下台阶。先开挖中台阶左侧围岩土体，用小推车将弃土运至下台阶，再通过运渣车运出洞外。及时施作初期支护，并取得监控量测初始数据。按照同样方法开挖中台阶右侧土体。下台阶开挖按照中台阶开挖方法和步骤进行开挖。(3)开挖仰拱并施作仰拱和仰拱填充。仰拱土体采用机械+人工方式开挖，自卸汽车将弃土运出洞外。仰拱开挖合格后，施作仰拱初期支护，并及时施作仰拱和仰拱填充，以确保隧道开挖安全。

3 隧道岩溶处理技术

隧道岩溶处理采取“早预报、强支护、早衬砌、快封闭、先治水”的原则开展施工。施工前采取地震波反射法、超前水平地质钻孔和加深炮孔、地质素描等方法对岩溶地段进行探测。

(1)岩溶水。坚持“宜疏不宜堵，以排为主”的原则处理岩溶水。先用超前钻探测是否存在岩溶水，对探明的岩溶水采取排放处理。通过超前地质探测手段，查明水的流向，采取注浆的方法形成注浆加固圈，提高隧道的承载力，控制岩溶水排放量。根据水源流向与隧道位置情况，合理设置涵洞、暗管、泄水洞等对岩溶水进行宣泄和引排。D1K277+925～D1K279+080段二次衬砌拱部、边墙及仰拱混凝土抗渗等级不低于P8，D1K277+725～D1K277+925、D1K279+080～D1K280+030段二次衬砌拱部、边墙及仰拱混凝土抗渗等级不低于P10。衬砌背后环向设Ф50 mm双壁打孔波纹管(外裹无纺布)，每10 m一环，边墙脚纵向设Ф80 mm单壁打孔波纹管(外裹无纺布)。边墙设PVC管泄水孔，间距不大于2 m，直接用纵向、环向盲管把泄水孔的水排入侧沟，纵向盲管入侧沟处的泄水管采用Ф80 mm管。泄水孔采取水沟施工前用打孔的方式施作。D1K277+725～D1K277+925、D1K279+080～D1K280+030段岩溶中等发育，取消衬砌背后环向盲管，衬砌背后地下水通过纵向盲管和凸壳式立体防排水板汇入边墙泄水孔，再引入侧沟。

(2)岩溶洞穴。①小型溶洞采用回填处理，处理方法如图1所示。溶洞位于拱腰以上时，先清除充填物，再泵送C15混凝土回填。为防治回填砼对后续衬砌的影响，溶洞周边施作锚杆。溶洞位于边墙位置时，先回填干砌片石，再用M7.5浆砌片石封堵。在边墙位置设间距2 m的Ф10 cm软式透水管与排水沟连通。溶洞位于隧道底部位置时，先清除充填物，再采用C15片石混凝土回填。②大型溶洞处理方法如图2所示。溶洞位于拱腰以上且无充填物或充填物能清除时，先泵送厚度不低于50 cm 的C25混凝土，再施作间距1.2 m × 1.2 m、入基岩深度大于1.5 m的锚杆。然后挂钢筋网，喷射混凝土，设间距2 m的Ф10 cm软式透水管与Ω型排水管连通。溶洞位于拱腰以上且充填物不能清除时，先施作间距30 cm，Φ42 mm × 4.0 mm超前小导管。预裂爆破后，施作间距50 cm的18工字钢，设间距2 m的Ф10 cm软式透水管与Ω型排水管连通。③隧道底部大型溶洞处理如图3、图4所示。隧道底部大型溶洞采用桩基或M7.5浆砌片石扩大基础加C25钢筋砼梁跨过，钢筋砼梁厚0.5～1 m。