馬 輝， 陳理想， 陳壽根

(1. 中鐵二局集團(tuán)公司，四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

淺埋暗挖巖溶隧道下穿河流施工技術(shù)

馬 輝1， 陳理想2， 陳壽根2

(1. 中鐵二局集團(tuán)公司，四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的城市開始修建地鐵以緩解城市交通壓力。隧道施工技術(shù)的進(jìn)步也使一些處于復(fù)雜地質(zhì)條件下的地鐵修建具有了現(xiàn)實可能性，在巖溶地區(qū)修建地鐵就是一例。我國喀斯特地貌所占國土面積比例雖然很大，但在該地貌條件下修建地鐵隧道的實例極少，在喀斯特地貌條件下區(qū)間隧道長距離平行下穿河流更是罕見。文章結(jié)合貴陽軌道交通1號線第六工作段下穿河流(長約254 m)的施工工程實例，探討了巖溶地區(qū)地鐵隧道下穿河流施工技術(shù)，可為以后類似工程的修建提供借鑒和參考。

施工技術(shù); 巖溶隧道; 下穿河流; 城市地鐵

1 工程概況

貴陽軌道交通一號線全長34.0 km，其中地下線長27.0 km，共設(shè)有23座車站。因市中心高層建筑較多，河道兩岸20 m范圍內(nèi)建筑較少，故中山路站～人民廣場站區(qū)間線路在設(shè)計時采用了下穿河流的方式以減少對周邊建筑的影響。區(qū)間隧道線路與南明河斜交，右線下穿長度約190 m，左線下穿長度約250 m，隧道拱頂與河床底部垂直距離約7.8 m，左右線最小間距為13 m，下穿段為兩個單洞單線馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)。

隧道下穿河流段地層依次為淤泥質(zhì)土、中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖和泥質(zhì)石灰?guī)r。泥質(zhì)石灰?guī)r為灰色，中厚層狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖呈灰白色，中厚層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，偶見小溶孔、晶洞，鉆孔巖芯多呈碎塊狀、短柱狀、柱狀。經(jīng)前期地質(zhì)勘查，該區(qū)間段地下巖體多為兩種巖石的互層結(jié)構(gòu)，在兩者交界面極易因地下水的侵蝕作用產(chǎn)生溶槽和溶洞，巖溶屬于強(qiáng)發(fā)育。

結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料，該下穿河流段地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水、第四系松散含水層孔隙水。擬建場地具有碳酸鹽巖分布廣、含水層厚度大、地下水埋藏淺、水量豐富等特點，一般泥質(zhì)石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖地段以裂隙溶洞水和巖溶管道水為主，但水量分布極不均勻，巖溶發(fā)育段水量較大，規(guī)律性差。地表水體可能通過裂隙巖溶管道下滲補(bǔ)充給地下水，周邊地下水以南明河為排泄基準(zhǔn)面，兩者緊密聯(lián)系。在隧道掌子面掘進(jìn)到與南明河北岸水平距離為32 m時出現(xiàn)涌水問題，且當(dāng)河水水位上升時涌水量增加。該處隧道涌水經(jīng)水質(zhì)檢驗證實與南明河水質(zhì)一致，說明河水通過巖石裂隙、巖溶管道等方式補(bǔ)給隧道開挖面的地下水。

2 下穿河流段隧道施工技術(shù)

本工程下穿河流段隧道施工包括洞內(nèi)施工和洞外措施兩部分。對隧道下穿段以全斷面帷幕注漿的方式在開挖之前人為提高圍巖等級，隧道以人工、機(jī)械的方式開挖，嚴(yán)格控制施工對上覆巖體的擾動。利用注漿小導(dǎo)管方式進(jìn)行超前支護(hù)。在初襯中采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)加密、加強(qiáng)支護(hù)和初支背后注漿的方式提高初襯的強(qiáng)度，以加強(qiáng)對圍巖變形的控制。施作二襯時采用防水混凝土等方式提高抗?jié)B等級。

下穿河流段隧道經(jīng)施工進(jìn)度安排，選擇在河水枯水期的秋、冬季和春季進(jìn)行施工，同時通過開啟上游翻板壩的方式控制上游來水量，降低河道水位。在條件允許情況下進(jìn)行河水導(dǎo)流施工，保證位于開挖工作面頂部的河道一定范圍內(nèi)無水，還可對隧道通過區(qū)段河底進(jìn)行臨時鋪底，防止河水下滲。

2.1 全斷面帷幕注漿技術(shù)

帷幕注漿技術(shù)是利用注漿處理加固地基或圍巖，并可形成防水帷幕的一門施工技術(shù)，可提高注漿段的圍巖自穩(wěn)能力，封閉掌子面，填充圍巖裂隙及可能存在的巖溶通道，切斷河道流水和地下水與掌子面的聯(lián)通關(guān)系[1]。在近50 a的各種土木工程施工中，帷幕注漿技術(shù)在解決工程的堵水難題中有著眾多的成功例子。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗、技術(shù)總結(jié)[2]和本工程所處地質(zhì)條件，經(jīng)綜合考慮確定與河流斜交下穿的區(qū)間(中山路站～人民廣場站)注漿范圍為下穿河流段再向兩岸各延伸30 m，與河流正交的隧道區(qū)間(人民廣場站～火車站站)注漿范圍為河流寬度50 m與兩岸各10 m的延長段。注漿范圍為隧道開挖線以外4 m，每個注漿段長度為16 m(圖1),根據(jù)圍巖及滲漏水情況，注漿加固每循環(huán)可調(diào)整到20 m。一個注漿段完成后預(yù)留3 m的不開挖段作為下一注漿段的止?jié){巖盤。首次注漿時采用噴射混凝土作為止?jié){墻，噴混凝土厚度30 cm。帷幕注漿段采用人工、機(jī)械開挖，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m。

圖1 帷幕注漿縱斷面尺寸示意(單位：mm)

預(yù)注漿方法主要有自掌子面向內(nèi)的逐段前進(jìn)式灌注法、自內(nèi)而外的后退式灌注法、綜合灌注法、全孔一次灌注法等[3]?？紤]到帷幕注漿段巖層不穩(wěn)定和河水對地層的影響，首次進(jìn)行帷幕注漿時假設(shè)漿液的擴(kuò)散半徑為2 m，經(jīng)注漿效果后期檢查后再適當(dāng)調(diào)整注漿參數(shù)。鉆孔和注漿順序為先外圈后內(nèi)圈、自上而下、先近后遠(yuǎn)，同一圈孔間隔施工，采用分段前進(jìn)式注漿。圍巖較完整地段采用全孔一次灌注法。

注漿壓力范圍2.0～4.0 MPa，實際施工時可根據(jù)地層調(diào)節(jié)，漿液凝固時間可根據(jù)注漿孔內(nèi)涌水量的大小及前方地質(zhì)條件控制在1～2 min。施工前，注漿材料根據(jù)預(yù)測地質(zhì)情況及涌水點的水壓力、流量、流速和預(yù)計儲水量進(jìn)行注漿材料選擇?？傇瓌t為：固結(jié)孔口管和封孔注漿時選用水泥-水玻璃雙液漿；當(dāng)處理斷層破碎帶、地下水流速很大時，應(yīng)先注入惰性材料，如中粗砂或巖粉等，以充填過水通道，增加漿液流動阻力、減少跑漿，然后注入水泥-水玻璃雙液漿堵水；對于涌水量很大且具有較大儲水空間的巖溶裂隙型管道的大股突水，堵水措施為將動水變?yōu)橄鄬o水時再行注漿，即設(shè)置堵截墻，使用快速膠凝的漿液堵水；還可采用分流減壓、減流速的辦法，再調(diào)整膠凝時間對出水點進(jìn)行封堵，注漿材料仍選水泥-水玻璃漿液或超細(xì)水泥漿液。漿液配比的選擇主要由裂隙含水巖層中注漿孔段的壓水流量以及漿液需要的凝固時間確定，注漿過程中根據(jù)具體情況動態(tài)調(diào)節(jié)，并滿足設(shè)計要求。

本次帷幕注漿孔道直徑選擇100 mm，掌子面內(nèi)孔位中心間距為0.6 m，每循環(huán)單線隧道斷面布置111個孔，當(dāng)隧道斷面尺寸有改變時(如較大大斷面的停車區(qū)間)可根據(jù)實際情況增減布孔數(shù)目。隧道掌子面注漿孔的布置見圖2所示。

圖2 隧道掌子面帷幕注漿孔布置示意(單位：mm)

注漿結(jié)束后，按總注漿孔的5%～10%設(shè)計縱向檢查孔，檢查孔數(shù)目不少于3個，檢查孔長度覆蓋注漿段長。在帷幕注漿的掌子面拱部鉆設(shè)3個徑向檢查孔，徑向檢查孔長5.0 m，鉆孔直徑定為50 mm。通過定性觀察和定量計算的方法對注漿效果進(jìn)行檢測，以決定是否需要補(bǔ)充鉆孔注漿。若檢查孔涌水量大于0.2 L/(min·m)，應(yīng)補(bǔ)孔注漿。通過統(tǒng)計總注漿量，反算漿液對空隙填充率，漿液填充率應(yīng)達(dá)到70 %以上。

2.2 支護(hù)措施

超前支護(hù)采用注漿小導(dǎo)管。小導(dǎo)管壁厚和長度按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)購買及加工。環(huán)向間距0.35 m，縱向間距2.0 m，縱向搭接1.5 m，小導(dǎo)管焊于型鋼鋼架之上。注漿漿液采用雙液漿或超細(xì)水泥漿。帷幕注漿段每一循環(huán)開挖完成后立即對掌子面噴射5 cm厚混凝土封閉止水，穩(wěn)定掌子面。初支噴混凝土采用C25，厚度為28 cm，全環(huán)設(shè)置。鋼筋網(wǎng)采用φ8鋼筋，構(gòu)成20 cm×20 cm網(wǎng)格，全環(huán)設(shè)置，鋼筋網(wǎng)與錨桿尾端連接牢固。為控制沉降，加強(qiáng)支護(hù)采用I 20b型鋼鋼架，全環(huán)設(shè)置，縱向間距0.5 m。

初期支護(hù)施工時在拱墻范圍內(nèi)預(yù)埋鋼花管作注漿管，壁厚為4.0 mm，注漿管間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置。當(dāng)初期支護(hù)閉合成環(huán)一定長度后，即對初支背后壓注超細(xì)水泥漿；開挖后地下水出露較多地段、初支及回填注漿后仍有滲漏水地段應(yīng)視具體情況向襯砌背后更深層圍巖進(jìn)行注漿。為提高二襯混凝土抗?jié)B等級，采用50 cm厚C35防水鋼筋混凝土，抗?jié)B等級為P12。仰供填充采用C20混凝土。

2.3 溶洞處治措施

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及前期施工地質(zhì)揭露情況，施工過程中有極大可能會遇到充填型溶洞、溶腔，容易發(fā)生塌方及涌水涌泥的現(xiàn)象，若打通河流下滲通道，則有可能引起河水倒灌隧道，引發(fā)嚴(yán)重后果。為確保隧道施工安全，減少不同地層之間的差異沉降，預(yù)防施工后巖溶的進(jìn)一步發(fā)展，對施工中遇到的溶洞進(jìn)行專門處理。

溶洞處理根據(jù)施工特點并結(jié)合巖溶與隧道的相對關(guān)系和周邊環(huán)境，針對不同的溶洞形式(空洞、填充物的力學(xué)指標(biāo)的不同)采取不同的處理方法。施工處理范圍主要為隧道輪廓線外5 m之內(nèi)的溶洞。掌子面附近不同位置溶洞的具體處理方法見圖3。

圖3 溶洞處理方法

2.4 洞外處理措施

通過工程施工進(jìn)度及時間的安排，下穿南明河段施工時

間調(diào)整在枯水期、水量很小的春、秋季和冬季，可以減少河道水流對隧道施工可能造成的不利影響。施工期間利用河道中原有水利設(shè)施，通過與河道管理部門的協(xié)調(diào)，開啟上游翻板壩的方式降低河道水位。

河水導(dǎo)流可以從源頭切斷區(qū)間下穿施工時的涌水、涌泥風(fēng)險。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)河面寬度較小、無通航和泄洪要求，水深3.0 m以內(nèi)、流速在1.5 m/s以下，且河床土質(zhì)滲水性較小時，可在水中施做土袋圍堰。本次施工采用本方法對河道進(jìn)行導(dǎo)流施工，確保隧道開挖掌子面對應(yīng)上方河道范圍無水。

在地質(zhì)詳勘工作中，有地質(zhì)鉆孔布置在隧道正上方，鉆孔打穿隧道至隧道底部以下。鉆孔直徑110 mm，深度約31.5 m?？辈靻挝粚︺@孔采取了鋼花管灌注水泥砂漿。為預(yù)防因地質(zhì)鉆孔封堵不密實而誘發(fā)涌水險情，施工中加強(qiáng)鉆孔附近地段可能突然涌水的探測，采取超前鋼花管注漿封堵措施。

因下穿河流段地質(zhì)條件較差，河道兩側(cè)有排污管道等市政基礎(chǔ)設(shè)施，在隧道施工過程中通過增加監(jiān)測頻率、加密布設(shè)于地表和周邊建筑物測點等方式加強(qiáng)監(jiān)控量測力度，為隧道下穿河流過程中可能產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行及時預(yù)警；利用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前探孔等方式對掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行長、短距離預(yù)報，指導(dǎo)隧道施工。

3 結(jié)束語

考慮到巖溶這一特殊地質(zhì)情況并結(jié)合工程實際，本文介紹了地鐵隧道下穿河流段的施工技術(shù)。全斷面帷幕注漿技術(shù)是巖溶處理的主要方法，通過提高初襯和二襯的參數(shù)，強(qiáng)化隧道結(jié)構(gòu)的防水能力，在開挖揭露到溶洞時進(jìn)行專門處理。施工時實際具體參數(shù)可根據(jù)工程經(jīng)驗做相應(yīng)調(diào)整。這些措施提高了隧道下穿河流段的施工可靠度。

[1] 劉德強(qiáng)，宋戰(zhàn)平.巖溶隧道帷幕注漿止水技術(shù)及施工[J].水利與建筑工程學(xué)報，2007,5(3)：38-42.

[2] 張旭東.巖溶隧道帷幕注漿施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(1): 15-17.

[3] 王新年.隧洞預(yù)注漿技術(shù)及其設(shè)計方法介紹[J].山西水利科技，1995(2): 52-55，79.

[4] 李茂文，陳壽根，劉建國，等. 下穿布吉河盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 四川建筑, 2010,30(4): 215-219.

馬輝(1971～)，男，博士，高級工程師,從事高速鐵路建設(shè)技術(shù)和建設(shè)管理工作。

U455.49

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[定稿日期]2015-03-11