徐木旺

(三明市交通綜合行政執(zhí)法支隊(duì)工程質(zhì)量監(jiān)督站，三明 365000)

淺埋段是隧道施工中常見的一種地質(zhì)類型與結(jié)構(gòu)，其對隧道運(yùn)營安全以及施工質(zhì)量有著較大影響， 在地質(zhì)等因素影響下，淺埋段往往成為安全事故頻發(fā)區(qū)。 因此，需要對淺埋段隧道施工技術(shù)進(jìn)行深入分析[1]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

梅花隧道為省道S308(縱七線)將樂縣梅花至玉華公路工程中的一個(gè)長隧道工程，隧道設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號為：K1+240，隧道終點(diǎn)樁號為K2+370，隧道總長度1130m。 梅花隧道采用近期單洞雙車道，遠(yuǎn)期分離式雙洞布置，進(jìn)出口均處于直線段，隧道為單向破，縱坡為1.63%，隧道凈寬為14m，設(shè)計(jì)時(shí)速為40km/h，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為二級公路標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，地形起伏較大，進(jìn)口處地面高程約216.0m，出口處地面高程236.2m，隧道軸線最高點(diǎn)高程約305.0m，相對高差90m 左右，進(jìn)、出洞口自然山坡坡度約15～25°。

根據(jù)鉆孔揭示，隧道區(qū)分布的地層較復(fù)雜，主要為二疊系棲霞組(P1q)：巖性以深灰、灰黑色厚-巨厚層微晶灰?guī)r為主，頂部為硅質(zhì)巖，二疊系下統(tǒng)文筆山組(P1w)：巖性以灰、灰黑色薄-中厚層泥巖、粉砂巖為主，震旦系下統(tǒng)丁屋嶺組下段(Z1dn1)：巖性為石英云母片巖。此外零星分布有第四系沖洪積和坡殘積層。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果，隧道洞身圍巖主要為中風(fēng)化硅質(zhì)巖、灰?guī)r、粉砂巖(夾泥巖)、石英云母片巖。 洞身局部受構(gòu)造帶影響范圍內(nèi)巖體較破碎，側(cè)壁穩(wěn)定性較差，洞頂穩(wěn)定性較差，施工時(shí)易產(chǎn)生坍塌。 隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

隧道洞身淺埋段里程樁號為K1+750～ K1+800，而在隧道里程樁號為K1+780 處發(fā)育一條F2 構(gòu)造破碎帶，F(xiàn)2構(gòu)造破碎帶詳細(xì)特征見表1。 其中K1+760～K1+785 段兩山之間低洼平地， 最小覆蓋層厚度12.3m， 最大覆蓋層35m，兩邊山坡地勢較陡峭，坡度為70°。

圖1 梅花隧道地質(zhì)縱斷面圖

表1 F2 構(gòu)造破碎帶特征一覽表

根據(jù)該淺埋段隧道地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)顯示： 場地內(nèi)分布的地層為： ①粉砂巖殘積粘性土， ②碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖， ③中風(fēng)化粉砂巖。 現(xiàn)場地質(zhì)鉆孔巖樣情況如圖2 所示。

圖2 隧址區(qū)淺埋段地質(zhì)鉆孔巖樣

1.3 水文地質(zhì)條件

本隧道區(qū)地表水主要分布于山間溝谷中， 隧址區(qū)內(nèi)未見常年性溪流，僅溝谷在降雨后出現(xiàn)間歇性水流，流水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)性影響變化較大。洞身及進(jìn)出口段地下水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水， 風(fēng)化帶孔隙裂隙水賦存于基巖風(fēng)化帶，水量貧乏，主要對洞口及進(jìn)出洞口段的隧洞施工和圍巖穩(wěn)定有影響。 基巖構(gòu)造裂隙水賦存于基巖的裂隙中，受構(gòu)造發(fā)育情況控制，一般地區(qū)導(dǎo)水性弱，但構(gòu)造破碎帶即淺埋段附近，其導(dǎo)水性較好， 主要接受大氣降水及地下水側(cè)向補(bǔ)給， 水量變化較大，根據(jù)現(xiàn)場勘察此段淺埋段表面是一個(gè)匯水區(qū)域，雨季時(shí)期表面積水嚴(yán)重，且含有地下水。

為提高隧道圍巖穩(wěn)定性，隔離地下水，保障隧道施工的安全性，對此段構(gòu)造破碎帶地面部分進(jìn)行加固處理。

2 隧道淺埋段圍巖加固及支護(hù)方案分析

2.1 淺埋段圍巖加固方案分析

淺埋段屬隧道工程特殊地質(zhì)情況， 在施工過程中安全隱患較大，因地質(zhì)差容易出現(xiàn)安全事故，為了消除淺埋段施工存在的安全隱患， 淺埋段施工前或施工中應(yīng)進(jìn)行加固處理。 梅花隧道的淺埋段加固需要考慮以下幾方面問題：

(1)承載力問題

隧道淺埋段由于隧道在其中埋深較淺， 隧道在進(jìn)行暗洞開挖時(shí)， 容易出現(xiàn)隧道掌子面圍巖塌落、 冒頂?shù)葐栴}。 并且在隧道淺埋段區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)斷層破碎帶的不良地質(zhì)，容易加劇隧道施工開挖時(shí)塌落、冒頂?shù)葐栴}的出現(xiàn)。

(2)排水問題

梅花隧道洞身淺埋段加之?dāng)鄬悠扑閹У挠绊懀?該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)勘查資料，降雨后地表水容易通過該斷層破碎帶下滲， 且斷層破碎帶類似一個(gè)天然的海綿，可以儲存大量的地表下滲水。

(3)施工問題

由于圍巖較松散破碎， 無法采用常規(guī)的爆破開挖法施工，會對該段圍巖以及鄰近段圍巖造成破壞性擾動(dòng)。

針對以上三個(gè)問題， 提出針對性的解決方案形成梅花隧道淺埋段處治方案。

為了提高隧道淺埋段圍巖的穩(wěn)定性， 隔離地下水對隧道施工的影響， 保證施工安全， 根據(jù)淺埋段的地質(zhì)情況，在隧道洞身與地表間采用鉆孔注漿進(jìn)行加固，在隧道開挖輪廓線外6m 范圍內(nèi)形成受力拱。 在K1+750～K1+800 段拱頂?shù)乇矶畏秶鷥?nèi)采用徑向打入鋼花管進(jìn)行注漿加固的方案，經(jīng)注漿液體充填、壓密、滲透等作用后，使巖土洞穴、孔隙被注漿液體填充，增強(qiáng)覆土強(qiáng)度、穩(wěn)定性及防水性，確保淺埋段安全。地表注漿加固必須在洞身開挖前7 天完成， 在鉆孔驗(yàn)證質(zhì)量達(dá)標(biāo)且注漿水泥漿達(dá)到一定強(qiáng)度后， 再進(jìn)行洞身開挖， 以保證地表注漿強(qiáng)度的發(fā)揮。

梅花隧道原開挖方案為兩頭掘進(jìn)， 隧道縱坡為+1.63%，考慮淺埋段富水可能性較大，按利于排水原則，出口端在掘進(jìn)至K1+810 處時(shí)暫停施工， 避免反坡積水造成施工難度增大，故淺埋段從進(jìn)口端單向施工。

梅花隧道采用普通鉆爆法， 在軟弱圍巖地段采用機(jī)械結(jié)合人工方式進(jìn)行開挖，減少圍巖擾動(dòng)，盡量避免超欠挖， 及時(shí)初期支護(hù)。 開挖方式采用交叉中隔墻法(CRD法)。 嚴(yán)格遵循“先治水、管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱(不)爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測、緊襯砌”方針[3]，作為施工技術(shù)措施貫穿整個(gè)施工過程， 并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果及時(shí)修正設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整施工方案和指導(dǎo)施工。

2.2 淺埋段隧道支護(hù)方案分析

梅花隧道結(jié)構(gòu)按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)， 采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土、鋼筋掛網(wǎng)、鋼拱架等為初期支護(hù)，大管棚、超前注漿小導(dǎo)管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，基于監(jiān)控量測信息來施作初期支護(hù)和二次模筑襯砌。

復(fù)合式襯砌的結(jié)構(gòu)分析，可根據(jù)隧道埋置深度、圍巖級別、結(jié)構(gòu)跨度、受力條件，施工因素等，依據(jù)規(guī)范，類比國內(nèi)外類似工程。 對于洞身淺埋破碎段(Ⅴ級圍巖段)，采用大管棚穿越，輔以工字鋼拱架和系統(tǒng)中空注漿錨桿，二襯采用帶仰拱的整體式配筋混凝土結(jié)構(gòu)； 對于洞身淺埋一般破碎段(Ⅳ級圍巖段)，采用超前小導(dǎo)管穿越，輔以鋼筋格柵拱架和系統(tǒng)砂漿錨桿， 二襯采用帶仰拱的整體式配筋混凝土結(jié)構(gòu)，區(qū)別于Ⅴ級圍巖段，鋼拱架在仰拱部位不設(shè)置。

3 隧道淺埋段處治方案實(shí)施

在隧道洞身與地表間采用鉆孔注漿進(jìn)行加固， 在隧道開挖輪廓線外6m 范圍內(nèi)形成受力拱， 加固縱斷面示意圖如圖3 所示。從圖中可見，隧道淺埋段的地表加固采用鋼花管對地表與隧道洞身開挖輪廓外6m 之間的巖體進(jìn)行注漿加固。

圖3 隧道淺埋段鉆孔注漿加固縱斷面

隧道淺埋段地表鋼花管注漿加固的施工工藝流程如圖4 所示。

圖4 鉆孔及注漿施工流程圖

3.1 鉆孔施工

(1)需要對場地進(jìn)行整平處理，根據(jù)設(shè)計(jì)方案測定孔位坐標(biāo)，并對施工孔位開展初次定位，在鉆機(jī)就位之后，對鉆機(jī)進(jìn)行再次調(diào)整、對孔位坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測。

(2)采取履帶式鉆機(jī)作為鉆孔設(shè)備，配置1 臺ZGYX-420 鉆機(jī)，并配備3 名鉆孔工作人員。 施工時(shí)借助跳孔梅花狀開展施工作業(yè)，完成鉆孔施工之后，及時(shí)開展鋼管安裝工作，防止出現(xiàn)塌孔。

(3) 根據(jù)圖5 隧道地表加固平面示意圖確定鉆孔位置，保證孔位偏差在5cm 以內(nèi)；鉆孔應(yīng)該隔孔展開，成孔深度需要超出設(shè)計(jì)孔深度50cm 以上[2]。

圖5 隧道地表加固平面示意圖

(4)在隧道開挖凈寬14m 外兩側(cè)的3m 范圍內(nèi)，打入Φ108×6mm 鋼花管， 其排數(shù)為3 排， 按照梅花形1.5m×1.5m 進(jìn)行間距設(shè)置，其長度為25m。 在隧道中線兩側(cè)7m的拱頂范圍內(nèi)打入Φ76×6mm 鋼花管，一共9 排，按照梅花形1.5m×1.5m 進(jìn)行間距設(shè)置，其長度為15m。 在兩側(cè)山腳中打入Φ76×6mm 鋼花管，其寬度在23m 左右，按照梅花形1.5m×1.5m 進(jìn)行間距設(shè)置。Φ76×6mm 鋼花管示意圖如圖6 所示。

圖6 Φ76 注漿管示意圖

(5)兩側(cè)為D108×6mm 規(guī)格鋼花管，以垂直角度開展鉆孔施工作業(yè)，其直徑設(shè)計(jì)為130mm，深度為25m。 中線的拱頂兩側(cè)為D76×6mm 規(guī)格鋼管，以垂直角度開展鉆孔施工，其深度應(yīng)該在拱頂標(biāo)準(zhǔn)高度以上。K1+784～K1+800和K1+750～K1+759 山腳為D76×6mm 規(guī)格鋼管， 其鉆孔直徑設(shè)計(jì)為110mm，以15～45°開展鉆孔施工，其長度為23m 左右。 Φ108×6mm 鋼花管如圖7 所示。

圖7 Φ108 注漿管示意圖

3.2 注漿施工

注漿采用二次劈裂注漿工藝進(jìn)行施工， 取消原設(shè)計(jì)的Φ108 與Φ76 鋼管花管段， 保留實(shí)管段以防止注漿孔在地質(zhì)不良段發(fā)生坍塌廢孔。預(yù)埋一根鍍鋅鋼管，長度為高出孔深至少50cm， 并在原設(shè)計(jì)的注漿段設(shè)置花管段，鉆孔外圈需用塑料膠布綁扎兩層， 避免第一次注漿時(shí)水泥漿滲入。

第一次注漿時(shí)注漿管需伸至孔底， 壓力可不進(jìn)行設(shè)定，主要目的是把孔內(nèi)地下水排出注漿孔，在孔口冒出濃漿時(shí)再慢慢拔出注漿管，停止第一次注漿。二次劈裂注漿在一次注漿完成至少12h 后進(jìn)行， 其目的保證二次劈裂注漿的壓力與質(zhì)量， 以達(dá)到地表注漿加固效果。 二次劈裂，當(dāng)注漿壓力逐漸上升，流量逐漸下降，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定10min 后，即可結(jié)束該孔注漿。當(dāng)長時(shí)間注漿壓力不上升或注漿壓力在較小值附近， 且單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)單孔注漿量的3 倍時(shí)，可結(jié)束該孔注漿。

注漿效果檢驗(yàn)，可根據(jù)注漿量進(jìn)行計(jì)算，淺埋段鉆孔鋼管數(shù)量如表2 所示。該淺埋段處理的實(shí)際長度為35m，寬度為25m，處理平均深度為10m，處理體積為8750m3，實(shí)際注漿量為283.6m3，占比為3.24%，根據(jù)該段地質(zhì)鉆探資料， 在注漿處理深度范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與中風(fēng)化粉砂巖，土體的自然空隙率試驗(yàn)得出為3.1%，說明經(jīng)過注漿加固該段土體已飽和，達(dá)到注漿加固的效果。

表2 鉆孔鋼管數(shù)量表

地表注漿加固后，開挖掌子面，隧道掌子面開挖圍巖情況如圖8 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過地表注漿加固后的淺埋段圍巖具有一定的自穩(wěn)能力， 同時(shí)可以看到注漿時(shí)砂漿通過鋼花管擴(kuò)散進(jìn)巖體內(nèi)部的情況。

注漿結(jié)束后應(yīng)及時(shí)對注漿效果進(jìn)行鉆孔取芯方法檢查，取芯芯樣應(yīng)體現(xiàn)巖層被水泥漿填充密實(shí)，芯樣整體且無空隙； 當(dāng)注漿不能達(dá)到效果時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)孔注漿或在洞身施工時(shí)根據(jù)注漿質(zhì)量進(jìn)行隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)， 加強(qiáng)超前小導(dǎo)管注漿，確定隧道施工安全與質(zhì)量。

3.3 施工要點(diǎn)

(1)施工初期應(yīng)做好洞口范圍的排水，是否施作井點(diǎn)降水受施工季節(jié)影響較大， 其個(gè)數(shù)及其平面位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際開挖情況進(jìn)行調(diào)整， 施作前應(yīng)征得設(shè)計(jì)單位的同意，成洞面開挖前應(yīng)復(fù)核成洞面處的地形，確保做到成洞面覆蓋層厚度在2～4m 范圍內(nèi)， 成洞時(shí)應(yīng)選擇有利的施工方法，嚴(yán)禁洞口大開挖，防止滑坡及坍塌。 當(dāng)洞口地形和地面線高程與設(shè)計(jì)圖不符時(shí)， 應(yīng)及時(shí)報(bào)請監(jiān)理工程師，對洞口進(jìn)洞方案進(jìn)行調(diào)整，不得擅自開挖，造成高邊仰坡，破壞洞口的自然與和諧。

(2)施工中遇到地下水應(yīng)逐段取樣化驗(yàn)，了解有否侵蝕性，以便及早采取防腐蝕措施。施工中對構(gòu)造破碎帶這些段落應(yīng)充分重視， 必要時(shí)在相應(yīng)節(jié)理發(fā)育及斷裂帶影響的地方適當(dāng)增加一些超前小導(dǎo)管雙液注漿。

(3)在全面施工前，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)、孔徑進(jìn)行試驗(yàn)孔，確定單孔注漿范圍、注漿配合比、注漿壓力、注漿時(shí)間、鉆孔間距、停止壓漿條件。因巖層破碎，在加壓注漿時(shí)可能無法回漿，存在持續(xù)不斷注漿情況，在該種情況下應(yīng)根據(jù)巖層的孔隙率在試驗(yàn)孔時(shí)設(shè)定注漿值， 注漿達(dá)到設(shè)定值時(shí)可以停止注漿，也可分時(shí)段進(jìn)行注漿。在縱向兩側(cè)注漿時(shí)，如地下水豐富，吸漿量大，注漿壓力無法上升的情況，可以考慮采取雙液注漿。

(4)應(yīng)掌握注漿實(shí)時(shí)情況，遇到注漿量大且壓力一直無法上升時(shí)，應(yīng)停止注漿，在水泥漿初凝時(shí)間快到前再進(jìn)行注漿或采取雙液注漿， 單液注漿量按其他區(qū)域鉆孔或試驗(yàn)孔的注漿量2 倍進(jìn)行控制。 在取芯驗(yàn)證時(shí)在斷層破碎帶范圍至少取一個(gè)孔驗(yàn)證注漿質(zhì)量， 作為洞身施工時(shí)是否要加強(qiáng)施工措施的依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，梅花隧道K1+750～K1+800 淺埋段采用地表鉆孔注漿方法進(jìn)行圍巖加固處理， 在開挖輪廓線的外部采用鉆孔注漿工藝使得圍巖形成受力拱， 從而實(shí)現(xiàn)對地下水的隔離，使淺埋段圍巖強(qiáng)度得到充分提升。在完成鉆孔注漿加固工作后，該山嶺隧道淺埋段的圍巖穩(wěn)定，進(jìn)行隧道開挖支護(hù)作業(yè)時(shí)， 隧道得以安全地進(jìn)行開挖支護(hù)作業(yè)，從而最終順利通過該淺埋段。在山嶺隧道洞身淺埋段的施工中，地表鉆孔注漿加固工藝是一種效果顯著，安全穩(wěn)定的施工技術(shù)， 在未來的工程應(yīng)用中可以進(jìn)一步對其進(jìn)行深化研究，完善其施工工藝，更好地為工程實(shí)踐服務(wù)。