隧道冰碛体段落施工技术应用

李辉

冰碛体地层主要由冰川堆积作用，所挟带和搬运的碎屑构成的堆积物；其具有堆积物质分布不均匀，粒径变化较大，密实度差，不隔水，整体胶结性较差等特点，成分多为块石、漂石、角砾和砾石等；遇水时浸泡软化呈流塑状走，易导致掌子面失稳、溜塌。通过现场加固措施、支护参数的不断优化和总结，目前形成一套适应此地层施工的方案。

隧道施工伴随着极强的不可预见性，不良地质较多，安全风险大；在超前支护措施、开挖工法、支护参数等需要一定的适应性，冰碛体开挖作业采用超前预注浆+密排管棚+超细水泥注浆，有效保证浆液扩散效果和土体加固密实度，在安全质量、进度效益等方面均能得到保障，实现隧道施工技术的提升。

一、工程概况

本单位承建的某隧道工程隧道全长15.7km，为该段6座特级高风险隧道之一，最大埋深约1600m，其中3号横洞，洞口高程为2858m;与正洞相交里程为DK1078+000，横洞长度1950米，坡度-1.05%；洞身岩性以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主。

图1 隧道主线与横洞位置关系图

二、施工问题

在进行某隧道3号横洞穿越冰碛体段施工时，存在岩体里含水量高，整体胶结性较差，角砾土和块石土之间的泥沙填充物随着流水的不停冲刷和浸泡被带走，导致岩体中颗粒级配失稳；当作业面开挖时，临空面变大，出水点从流塑状变成淋雨状或股状涌水，流水通道越来越大，角砾土与块石土之间的空隙不断扩展，加剧泥沙、卵石、块石等物质的流失，围岩整体性快速失稳，掌子面易发生大范围突泥涌水和掉块等情况。通过现场统计和核算，洞内出水量为1800m³/d~2640m³/d，泥沙流失量为75m³/d~110m³/d。

同时围岩空隙小、孔隙率大，注浆浆液不易扩散；根据现场的地质情况，采取怎样的超前加固措施和注浆材料是决定开挖过程掌子面的稳定性的关键!

三、解决方案

针对上述问题，经现场反复研究探讨，施工过程中根据现场地层含水情况，对不同超前加固方式、注浆加固材料、工艺、循环长度、帷幕厚度、注浆范围、开挖工法、支护参数等进行了试验，得出了相对成熟的一套施工体系。

1.围岩较差突泥涌水较大时，拱墙范围内施作30m长上半段面超前帷幕注浆，注浆加固圈为开挖轮廓线外5m，浆液扩散半径2m，共41个注浆孔；注浆完成后，拱部180°范围施作环向间距30cm的密排管棚。

2.围岩一般突泥涌水较小时，拱部180°范围进行超前周边注浆，加固圈为开挖轮廓线外3m，共4环39个孔，单孔扩散半径为1m；注浆完成后，拱部150°范围施作环向间距30cm的密排管棚。

3.注浆材料和压力：冰碛体地层孔隙小，从注浆完成后孔内成像结果分析，注浆宜采用超细水泥，富水时采用超细水泥+水玻璃，注浆压力应较常规其他地层注浆压力适当加大。（1）普通硅酸盐水泥凝胶时间过长，结石率低、粒径较粗，加固质量差；（2）硫铝酸盐水泥浆液，颗粒相对较细，结石率高，凝胶后泌水少、收缩小，受地层孔隙密度影响，注浆效果不佳；（3）超细水泥颗粒最细、目数最小，凝结快，强度强，适应砂层、砂卵石层及细小裂隙地层注浆效果最好。（4）地层遇水软化、呈流塑状、淤泥质，为保证浆液的扩散半径和浆液劈裂、填充效果，注浆压力相对较大。

图2 现场水量和泥沙流失

图3 掌子面发生突水突泥情况

4.其他方面：为保证施工过程中的作业人员安全，现场应加强超前地质预报和监控量测工作。（1）采用多种探测手段加强对掌子面前方地质条件的探测，探明水系发育情况，地层结构稳定情况，为方案的制定提供指导意见；（2）缩短监控量测布置断面距离，加密围岩监测频率。（3）冰碛体地层施工流水是对现场安全最大的风险，现场开挖过程中及时打设泄水孔，做好散水的收集和引排工作；设置临时排水沟、排水管、集水箱和水泵等。

四、工艺原理

1.对加固的长度不断优化，一次性加固太短工效较低，一次性加固太长质量无法保证，现场控制在18~21m。

2.对注浆的填充效果和劈裂效果进行验证，通过孔内成像质量和围岩浆脉揭示，注浆压力控制5~8Mpa。

3.为了提高注浆工效和质量，现场主要采用超前水平袖阀管和TSS管注浆，可以定点加固，注浆效果最好、注浆效率最高，不占用钻机钻孔时间；当成孔较难时或者止浆墙加固时，管口采用前进式注浆效果好，但耗时较长；当成孔容易，退钻杆时塌孔严重，采用后退式注浆较好，但耗时相对长。

五、施工工艺技术及控制要点

1.加固方案的选取：主要通过超前地质预报探测和孔内成像分析，对地表水的补给、地层富水的含量和围岩稳定情况进行判断；最终稳定在全断面超前帷幕注浆或半断面的超前帷幕注浆+超前周边注浆，密排管棚的范围控制在180°，间距30cm。现场施工需控制注浆孔的间距和外插角度，形成一层加固壳。

2.加固长度的优化：每循环加固长度决定着恢复开挖的进尺情况，有效控制加固范围的搭接，既能节省成本又能提高工效；现场分别实施9m、12m、15m、18m和30m，对比18m的加固圈、开挖15m最优。

图4 掌子面全断面超前注浆示意图

图5 掌子面半断面超前注浆示意图

3.注浆工艺的改进：通过对地层密实度和孔隙率的分析，冰积体地层较一般围岩更可注（孔隙率大）、更难注（孔隙度小），为保证注浆的饱满度和填充性，管口为保证止浆墙的止浆效果（或塌孔严重无法下管）采用前进式注浆，成孔好注浆要求高采用TSS管和水平袖阀管定点注浆；成孔后易塌孔采用后退式注浆。过程中严格控制浆液的浓度和注浆压力，防止发生串孔、堵管和爆管等现象。

六、结语

冰碛体施工应“精选材、重加固、严注浆、优工法、强支护、早封闭”，并重视做好施工过程中排水：

1.注浆材料：冰碛体地层具有孔隙小、孔隙率大、富水等特点，现场注浆需要凝胶快、颗粒细的水泥材料，通过对普通水泥、硫铝酸盐水泥、超细水泥的注浆效果进行对比，采用超细水泥效果最好。

2.加固措施：冰碛体地层水系发育，且无一定规律性，应加强措施采用全断面超前帷幕注浆，帷幕厚度5m，施工完成后施工密排管棚。

3.注浆效果：冰碛体地层遇水软化，呈流塑状，易发生溜塌和掉块现象，现场需要严格把控注浆效果，保证岩体密实、胶结。

4.施工工法：冰碛体地层自稳能力差，掌子面易产生纵向位移，需要采用合理的开挖方法，如三台阶法+预留核心土保证掌子面的稳定。

5.加强支护：冰碛体地层围岩软弱，开挖过程形成临空面，沉降收敛变形较大，现场需加强支护措施，采用高强度钢拱架和密排超前小导管（超前管棚）。

6.快速封闭：开挖完成后第一时间进行初喷，由于围岩自稳性差，初喷厚度可适当增加，防止围岩被流水浸泡或施工扰动发生持续掉块。

7.排水工作：洞内出水是对冰碛体施工安全最大的危害，经过冲刷和浸泡后，岩石土体软弱呈流塑状，加剧掌子面的突泥涌水的风险；现场应做好超前泄水孔和初支面出水点的引排和拱脚、仰拱底部散状水的收集工作。

总之，通过对安全、质量和揭示效果等方面的综合分析，冰碛体地层施工合适方案是首选，严格控制是保障，深入落实是要求，面对隧道作业环境恶劣、地质复杂多变、事故隐患多发、工程周期长和成本压力大等特点，类似地段施工采用超前预注浆加固+密排管棚支护+超细水泥注浆显得更为适用，月进度在25m左右，具有很高的推广及实际应用价值。