趙前進， 李敬偉

(1. 中南大學(xué), 湖南 長沙 410083; 2. 中國鐵路昆明局集團有限公司, 云南 昆明 650011)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，基建行業(yè)也迎來了建設(shè)高潮，特別是在鐵路建設(shè)方面，以客運專線、高速鐵路為主的鐵路建設(shè)更是發(fā)展迅速。隧道作為其中的重要組成部分，在項目中所占比例越來越大，在目前已建設(shè)的鐵路工程中，隧道工程所占比例一般在20%～30%，有的高達50%以上，建設(shè)過程中遇到的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜。趙前進[1]指出富水破碎帶主要問題為圍巖穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生突水突泥，主要對策為超前排水泄壓、超前支護與加固； 翁賢杰等[2]的隧道斷層突水突泥前兆信息演化規(guī)律數(shù)值模擬研究表明，隧道開挖接近斷層時極易造成突水突泥災(zāi)害，施工中應(yīng)積極采取有效的防控措施； 周捷等[3]在大斷面隧道地層超前預(yù)加固及開挖支護過程穩(wěn)定性的數(shù)值模擬中指出，在低黏聚力的軟弱地層、大斷面隧道開挖中，掌子面穩(wěn)定是施工中面臨的很大問題； 錢七虎[4]在隧道工程建設(shè)地質(zhì)預(yù)報及信息化技術(shù)的主要進展及發(fā)展方向中指出，為準確查明復(fù)雜不良地質(zhì)的具體情況，及時采取針對性的防治措施，最大限度地減小不良地質(zhì)對隧道施工與運營的影響，利用地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)為不良地質(zhì)隧道施工提供指導(dǎo)十分必要。

玉磨鐵路向北通過昆玉線進入昆明樞紐連接昆明，向南通過擬建老撾鐵路經(jīng)瑯勃拉邦至萬象，經(jīng)曼谷至新加坡，是泛亞鐵路中通道的重要組成部分，也是“一帶一路”建設(shè)的重要組成部分[5-6]。本文依托玉磨鐵路新平隧道，對穿越密集破碎帶施工技術(shù)進行研究，解決施工過程中遇到的技術(shù)難題。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

圖1 新平隧道局部段落地質(zhì)縱斷面圖(單位： m)

2 施工中遇到的重大技術(shù)難題

新平隧道是單洞雙線隧道，為Ⅰ級高風(fēng)險隧道，設(shè)計時速為160 km； 開挖寬度近13 m、高度近12 m，斷面面積達到122 m2。隧址區(qū)位于石屏—建水斷裂(JSF6)和揚武—青龍廠大斷裂之間，走向與揚武—青龍廠大斷裂近平行，先后穿越魯奎山向斜、新寨背斜、新寨逆斷層、大開門—新寨逆斷層、寫莫逆斷層、揚武—趙米克逆斷層及阿布都逆斷層7個大型斷裂破碎帶以及數(shù)個小型的褶曲、斷裂等，區(qū)域地質(zhì)條件極其復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造程度極高，是全線施工技術(shù)難度最大的隧道之一。

2.1 隧道位于斷裂破碎帶中，災(zāi)害頻發(fā)

開工以來,新平隧道累計發(fā)生突泥(砂)、涌水28次(見圖2)，突泥(砂)約6.4萬m3。經(jīng)分析研究可知，造成隧道突泥涌水、溜坍的主要因素有以下幾方面： 1)隧道處于斷裂破碎帶中，圍巖完整性差、巖體極破碎，自穩(wěn)性極差。2)在隧道爆破和開挖卸荷的作用下，對圍巖產(chǎn)生擾動，造成構(gòu)造附近地下水涌出，隨著地下水水量聚集和攜帶能力加強，造成松散破碎巖體在地下水作用下失穩(wěn)并形成流體涌出； 同時，隧道穿越的地質(zhì)構(gòu)造除了向斜是含水構(gòu)造外，背斜以及擠壓性逆斷層都是排水、隔水的地質(zhì)構(gòu)造，由于施工擾動的影響，斷裂帶在一定范圍內(nèi)往往出現(xiàn)較強烈的附加切向應(yīng)力和圍壓變化，從而導(dǎo)致斷裂帶松弛、原有裂隙發(fā)展及新生裂隙產(chǎn)生與張開，形成新的水力通道，從而導(dǎo)致突泥涌水的發(fā)生[7]。由于無法準確預(yù)判隧道前方山體中的不可預(yù)見性次生斷裂構(gòu)造和富水囊狀構(gòu)造，極大地增加了隧道施工中發(fā)生突涌、溜坍的風(fēng)險。

圖2 新平隧道掌子面突泥涌水

2.2 軟巖大變形問題

隧道開挖引起的圍巖重分布應(yīng)力超過巖體強度使原巖進入塑性屈服狀態(tài)，稱之為圍巖的擠出作用，擠出性巖體向隧道凈空擠入時并無明顯的體積變化，而是逐漸緩慢地發(fā)生變形[8-9]。新平隧道圍巖極度破碎、風(fēng)化程度高，圍巖自穩(wěn)能力極差，加之開挖的卸荷作用，使得松動圈內(nèi)的圍巖出現(xiàn)典型的塑性流變特性，表現(xiàn)為隧道凈空收斂的位移隨時間不斷增長，最大變形達到700 mm，導(dǎo)致初期支護侵限、開裂變形等軟巖大變形問題，見圖3。

圖3 初期支護系統(tǒng)變形

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 含水體超前探測技術(shù)

地下水是隧道發(fā)生突泥涌水災(zāi)害的重要影響因素，準確探明隧道前方地下水的發(fā)育情況對預(yù)防溜坍、涌突、變形等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著重大意義。因為物探的多解性導(dǎo)致物探結(jié)論經(jīng)常與實際開挖揭示情況不相符，玉磨鐵路新平隧道采用時域瞬變電磁法(TEM)[10-11]、地震波法(TSP)以及鉆探相結(jié)合的方法相互印證，提高判譯準確率。以新平隧道3#橫洞正洞小里程D1K54+970～+890段為例，采用不同的預(yù)報手段進行綜合判譯，對掌子面前方地下水及構(gòu)造發(fā)育情況進行探測。

3.1.1 瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法視電阻率剖面如圖4所示。由圖4可知，D1K54+970～+890段視電阻率較低，推測地下水發(fā)育，以股狀水形態(tài)出露； 其中D1K54+970～+940段水源主要來自于掌子面右側(cè)，左側(cè)視電阻率梯度線密集，推測巖體一致性差。

圖4 瞬變電磁法視電阻率剖面圖

Fig. 4 Nephogram of apparent resistivity of transient electromagnetic method

3.1.2 地震波反射法(TSP)

TSP法二維反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果如圖5所示。由圖5可知： D1K54+970～+940段圍巖破碎—局部極破碎，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，線狀水—股狀水，存在軟弱夾層及裂隙，局部裂隙水量較大； D1K54+940～+915段圍巖較破碎—破碎，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育，線狀水—小股狀水，存在軟弱夾層及裂隙； D1K54+915～+890段圍巖破碎，巖質(zhì)較軟—軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，滴滲水—線狀水，存在軟弱夾層及裂隙。

3.1.3 鉆探

根據(jù)物探結(jié)果，現(xiàn)場采用超前鉆探進行驗證，鉆孔參數(shù)及孔位布置如表1所示。由表1可知： 8孔均鉆進30 m，成孔時間在60～100 min，返碴為板巖、砂巖，局部卡鉆、無突進，推測巖質(zhì)較軟，巖體破碎； 1#—4#孔開孔即出水，終孔水量在1～2 L/s，匯總約6 L/s； 5#—8#孔終孔無水。

3.1.4 開挖揭示

(a) 物理力學(xué)參數(shù)成果圖

(b) 二維反射層位成果圖

表1 超前鉆孔參數(shù)及孔位布置圖

分析比較以上幾種方法探測結(jié)果可知： 瞬變電磁法(TEM)、地震波反射法(TSP)以及超前水平鉆探結(jié)果與開挖揭示基本一致，表明超前預(yù)報結(jié)果準確、可靠。多種預(yù)報方法相結(jié)合，大大提高了預(yù)報的準確性，為施工提供了極大的安全保障。

3.2 超前預(yù)加固技術(shù)

3.2.1 超前預(yù)加固方案

富水斷層破碎帶采用全斷面超前預(yù)注漿進行加固，注漿設(shè)計如圖6所示。

(a) 注漿孔開孔布置圖

(b) 注漿孔終孔斷面交圈圖

(c) 注漿孔縱剖面布置圖

Fig. 6 Design sketches of full-face advance pre-grouting reinforcement (unit: cm)

3.2.2 超前預(yù)注漿參數(shù)

富水斷層破碎帶注漿壓力為靜態(tài)壓力+1～2 MPa(一般不大于4 MPa)，隧道止?jié){墻為2～3 m。全斷面超前預(yù)注漿加固圈厚度為5 m，擴散半徑按1.5～2 m，全斷面注漿共設(shè)120個注漿孔(含12個玻璃纖維錨桿注漿孔)。注漿加固段長25 m，注漿后開挖20 m，余留5 m作為下一循環(huán)注漿施工的止?jié){巖墻。

3.2.3 超前預(yù)注漿材料

注漿材料的選擇是注漿成敗的關(guān)鍵，富水斷層破碎帶的注漿材料以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，普通水泥單液漿、超細水泥單液漿和硫鋁酸鹽水泥單液漿為輔。注漿材料水灰質(zhì)量比控制在0.8∶1～1∶1，水泥-水玻璃體積比為1∶(1～0.3)，水玻璃波美度為30～35 °B′e，具體可根據(jù)現(xiàn)場情況適當調(diào)節(jié)。

為保證注漿效果和快速施工，在開挖輪廓線以外的注漿段使用硫鋁酸鹽水泥； 在地層比較致密、裂隙較小(微裂隙)但又有水，普通水泥注不進去或擴散困難、前進式注漿很慢時，使用超細水泥。另外，在單孔注漿量較大而注漿壓力仍然不上升時，使用硫鋁酸鹽水泥，注漿量控制根據(jù)實際地層情況而定，注漿量較大時，使用雙液漿封孔或間歇一段時間再重新掃孔注漿。

3.2.4 超前預(yù)注漿工藝

根據(jù)玉磨鐵路區(qū)域斷層破碎帶內(nèi)鉆孔過程中易塌孔、成孔困難的情況，超前預(yù)注漿施工工藝采取前進式分段注漿結(jié)合下PVC管孔底注漿的綜合施工工藝。

前進式分段注漿工藝： 主要采用安裝孔口管分段前進方式進行，首先用地質(zhì)鉆機鉆設(shè)φ140 mm的孔，安裝φ127 mm的孔口管，然后采用φ100 mm鉆頭鉆孔第1次鉆至5 m，進行注漿試壓作業(yè)，之后每鉆進3～5 m注一次漿，如此循環(huán)下去，直至鉆到設(shè)計孔深，分段步距可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況適當調(diào)整。該工藝主要適用于成孔條件較差、易塌孔的周邊注漿孔和局部出水量較大的注漿孔。

PVC管孔底注漿工藝： 主要通過PVC管向孔底送漿，漿液通過孔底返漿方式注入地層，首先鉆直徑較大的孔，安裝孔口管和高壓球閥，然后通過前進式注漿方式成孔，并沿鉆孔全長安裝PVC管，在孔口安裝上排砂和止?jié){裝置，通過PVC管將漿液注入孔底，在較高的注漿壓力作用下，漿液在孔內(nèi)循環(huán)返回至孔口并擴散至地層。該工藝主要適用于成孔條件較好，基本無水的周邊注漿孔和開挖面上的個別孔。

3.2.5 超前預(yù)注漿結(jié)束標準

注漿結(jié)束標準以定量定壓相結(jié)合控制。注漿量根據(jù)地層圍巖孔隙率，當單孔注漿量達到設(shè)計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升時，可采取調(diào)整漿液配比、縮短凝膠時間或進行間歇注漿等措施使注漿壓力達到設(shè)計終壓，結(jié)束該孔注漿； 超前加固注漿終壓定為3～4 MPa，注漿壓力達到設(shè)計終壓并維持10 min以上可結(jié)束注漿。設(shè)計的所有注漿孔均達到注漿結(jié)束標準，無漏注現(xiàn)象，并達到注漿效果檢驗標準，可結(jié)束該段的注漿。

3.2.6 注漿效果檢驗和評價

注漿效果檢驗和評價采取分析法和鉆檢查孔法。

分析法采用P-Q-t曲線法和漿液填充率反算法。通過對注漿施工中所記錄的注漿壓力P、注漿速度Q進行P-t、Q-t曲線繪制，根據(jù)地質(zhì)特征、注漿機制、設(shè)備性能、注漿參數(shù)等對P-Q-t曲線進行分析，從而對注漿效果進行評判； 通過統(tǒng)計總注漿量，可采用式(1)反算出漿液填充率，根據(jù)漿液填充率評定注漿效果，當漿液填充率達到90%以上，滿足開挖要求。

∑Q=Vnα(1+β)。

(1)

式中： ∑Q為總注漿量，m3；V為加固體體積，m3；n為地層孔隙率或裂隙度；α為漿液填充率；β為漿液損失率。

鉆檢查孔法是在可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進行鉆孔檢查。檢查孔無涌泥、不塌孔且檢查孔出水量小于0.2 L/(min·m)，則達到注漿效果。

3.2.7 超前預(yù)加固情況和效果

通過注漿使?jié){液對地層進行劈裂和擠密，提高了地層的承載能力。漿液在地層中劈裂填充形成較大的漿脈及結(jié)石體，跟地層中的土石砂粘結(jié)在一起形成承載力較高的混合體，可以把水堵在開挖輪廓線以外較遠位置，并對地層一定范圍內(nèi)進行加固，基本保證隧道能在無水或滲水很小的情況下開挖，有效地保證了隧道開挖安全。超前預(yù)加固效果如圖7所示。

(a) 加固前地質(zhì)情況

(b) 加固后開挖效果

3.3 斷裂帶大變形控制技術(shù)

在實際施工中，初期支護結(jié)構(gòu)的變形體現(xiàn)出周期長、速率高、累計值大等特點，最大變形達到700 mm，給開挖施工帶來了嚴重的安全隱患。

為保證斷裂帶大變形段的施工安全，應(yīng)做好監(jiān)控量測工作，及時了解圍巖及支護結(jié)構(gòu)的變形情況； 開挖時采用下臺階帶仰拱一次開挖技術(shù)[12]，盡量減少對圍巖的擾動次數(shù)、擾動強度、擾動范圍和擾動持續(xù)時間； 開挖后及時施作初期支護，并保證初期支護強度，使圍巖變形進入受控狀態(tài)； 通過可靠、足夠頻次的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來準確評價圍巖與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，或判斷其動態(tài)發(fā)展趨勢，以便及時調(diào)整支護形式和開挖方法。

3.3.1 超前支護

采用φ76 mm中管棚配合大外插角φ42 mm超前小導(dǎo)管。管棚長度為6 m，環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距為3.6 m，每環(huán)47根； 小導(dǎo)管長度為4 m，環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距為2.4 m，每環(huán)47根。注漿漿液為水泥單液漿，注漿壓力為1.0 MPa。

3.3.2 開挖支護工藝

為了控制圍巖及支護結(jié)構(gòu)的施工變形，應(yīng)使初期支護結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)，形成良好的完整承載結(jié)構(gòu)體系，因此采用臺階法帶仰拱一次開挖工法進行施工。該工法的工藝特點是： 上、中、下臺階與仰拱同步鉆孔、爆破、出碴，仰拱與下臺階同步施作初期支護。初期支護混凝土噴射完成后，仰拱部位用洞碴回填，滿足開挖面施工行車需求，待后續(xù)施作仰拱二次襯砌與填充前清出。仰拱部位的施工配合采用24 m全配套自行式移動棧橋，仰拱二次襯砌與填充單幅施工長12 m，這樣可以保證前方行車、仰拱填充澆筑與下一組仰拱二次襯砌鋼筋綁扎平行作業(yè)，提高施工效率。具體的施工組織規(guī)劃如圖8所示。

采用臺階法帶仰拱一次開挖工法，可以因仰拱與上部斷面的同步爆破而減少斷面爆破次數(shù)，從而減少了對圍巖的擾動，這一點在軟巖區(qū)段體現(xiàn)得更為明顯。同時，因仰拱部位開挖支護比傳統(tǒng)臺階法提前，初期支護快速封閉成環(huán)，能夠盡早地形成有效的承載體系，更有利于控制斷面的前期變形，且使初期支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更趨于合理，從而保障隧道支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3.3.3 支護參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，原設(shè)計支護參數(shù)無法滿足變形控制的需要，故對支護結(jié)構(gòu)予以加強。變更前后的支護參數(shù)見表2。

3.3.4 施工效果分析

根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，通過以上技術(shù)措施，隧道穿越斷裂帶的施工變形得到了明顯的降低。圖9—12為典型測點的變形時程圖。其中，圖9與圖10分別示出工法及支護參數(shù)變更前的典型拱頂沉降與周邊收斂，圖11與圖12分別示出工法及支護參數(shù)變更后的典型拱頂沉降與周邊收斂。

圖8 臺階法帶仰拱一次開挖工法縱斷面示意圖(單位： m)

表2 原設(shè)計和變更后支護參數(shù)對比表

圖9 D1K51+595拱頂沉降時程曲線

圖10 D1K51+595上臺階收斂時程曲線

圖11 D1K51+521拱頂沉降時程曲線

圖12 D1K51+521上臺階收斂時程曲線

由圖9—12可知，采用合理的開挖工法并加強支護參數(shù)后，該段隧道拱頂沉降累計值及周邊收斂累計值均有明顯的下降，下降幅度在60%以上。說明采用的技術(shù)手段較為合理。

3.4 隧道非爆開挖技術(shù)

新平隧道穿越的巖性為薄層板巖夾砂巖，巖石單軸抗壓強度小于30 MPa，屬于軟巖。受次生斷裂的影響，隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，巖體破碎，這些巖層條件使隧道具備采用銑挖法非爆開挖技術(shù)的條件。銑挖法作為隧道開挖的重要方法，已應(yīng)用在蘭渝鐵路、武廣高鐵等鐵路隧道，杭州地鐵、重慶市軌道交通等市政隧道工程中。

3.4.1 銑挖法的適用范圍

一般情況，銑挖機只用于隧道輪廓的開挖，但是在中低硬度的巖層中，它也可以直接用于隧道的掘進，尤其在裂隙、節(jié)理發(fā)育的破碎巖層及土質(zhì)隧道中。銑挖機可以廣泛應(yīng)用于隧道、溝渠、市政管線開挖、公路路面破碎、采礦、建筑物拆除、表面出新以及鋼鐵工業(yè)、林業(yè)等施工領(lǐng)域[13-15]。

3.4.2 設(shè)備選型

結(jié)合隧道斷面尺寸及開挖方法，選擇德國艾卡特ER1500-1XL銑挖頭。銑挖最大挖掘半徑為7.5 m，最大挖掘高度為6.8 m，銑挖寬度為50 cm，滿足本隧道三臺階七步法開挖工法的要求。

3.4.3 應(yīng)用效果

新平隧道采用銑挖法非爆開挖技術(shù)后，銑挖一個循環(huán)工序時間約為95 min，與傳統(tǒng)的鉆爆法相比較，工序時間大大減少。工序時間對比見表3。

表3 工序時間比較

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計分析，新平隧道銑挖法開挖效率平均達到34 m3/h。采用銑挖法非爆開挖，有效地降低了因掌子面不能自穩(wěn)形成溜坍和涌突的頻率和風(fēng)險，同時開挖平均線性超挖控制在15 cm以內(nèi)，隧道成型效果較好，超挖現(xiàn)象得到有效控制，施工效率得到有效提升，保障了隧道施工安全。銑挖法施工效果如圖13所示。

圖13 銑挖法施工效果

4 結(jié)論與討論

1)瞬變電磁法采用多測線、多方位的探測方式，綜合分析掌子面前方圍巖地下水發(fā)育情況，得到地下水的形態(tài)、發(fā)育段落及空間分布情況。探測結(jié)果與超前水平鉆探及開挖揭示的情況基本一致，預(yù)報準確率較高，取得較好的預(yù)測效果，為隧道突泥涌水風(fēng)險判別提供詳實的依據(jù)，為隧道施工提供了安全保障。

2)根據(jù)新平隧道斷裂破碎帶的地層特點，富水斷層破碎帶采用全斷面超前預(yù)注漿。超前預(yù)加固施工工藝采取前進式分段注漿結(jié)合下PVC管孔底注漿的綜合施工工藝。注漿材料以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，采用普通水泥單液漿和普通水泥-水玻璃雙液漿混合注漿方式，對斷裂破碎帶進行超前預(yù)注漿加固，達到了預(yù)期的注漿加固效果。

3)為了有效控制斷裂帶施工變形，應(yīng)采用下臺階與仰拱同步開挖工法，促使初期支護結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)，同時根據(jù)現(xiàn)場試驗情況增強超前支護并適當加大支護強度。

4)采用銑挖法非爆開挖技術(shù)進行軟巖隧道開挖，可減少對圍巖的擾動，不易造成大面積變形和局部溜坍； 同時銑挖法定位準確，便于控制超欠挖，實現(xiàn)隧道輪廓的精確成型，具有簡便、快速、精確的特點。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計分析，銑挖法循環(huán)工序時間為95 min，平均施工工效達34 m3/h，實踐表明銑挖法是比較適合軟巖隧道開挖的一種既安全又經(jīng)濟的施工方法。

5)針對玉磨鐵路新平隧道斷裂破碎帶軟弱圍巖，通過采取動態(tài)設(shè)計、超前地質(zhì)預(yù)報、預(yù)注漿加固、監(jiān)控量測、專業(yè)化施工等措施，各工序以“防突、控變、防塌方”為主要目的，實現(xiàn)了Ⅰ級高風(fēng)險隧道施工安全、高效、順利的建設(shè)目標。