高原铁路隧道穿越水库底卵石土地层施工技术

杨刚 中铁二局第五工程有限公司

一、工程概况

拉林铁路藏日拉隧道为单线铁路隧道，D3K232+819～D3K233+154 段洞身穿越〈8-9-4〉卵石土地层，对应地表位置为一个容量约8 万立方米的水库，地面距离洞顶最小距离130m，为确保隧道施工安全，本段设计采用超前帷幕注浆预设计，采用台阶法开挖，并于隧道拱部预设φ89 管棚，初支的全环架纵向间距为0.8m/榀，采用I20b 工字钢制作。

二、总体施工技术

施工前将水库放水排干，并对水库进行调查、拍照、摄影取证，进行沉降和变形监测。为探明掌子面前方地层情况，超前地质预报采用以红外探水法为主的探测手段，然后开展超前帷幕注浆止水及预加固施工，根据预报成果结合现场实际地质情况，选取适宜的钻孔注浆工艺，在地质情况较好而易于成孔的部位采用后退式注浆，反之则采用前进式的注浆工艺；注浆结束后，即开始施作洞身φ89 管棚进行超前支护，根据围岩情况采用引孔顶入法或跟管钻进工艺；采用上下台阶法进行隧道开挖掘进，以弱爆破法开挖为主，在掌子面围岩松散地段可采用挖掘机辅以人工凿出的方法，循环进尺控制在0.8m，快速完成初期支护的钢架及锚网喷结构施工，通过地表和洞内的监控量测掌握围岩及支护变形情况，待初支变形稳定后及时施作二次衬砌。

三、具体施工方法

（一）超前地质预报

先进行地震波反射法和红外探水的“长”预报，取得初步预报成果，在此基础上，进行超前钻探和加深炮孔的“短”预报，物探法和钻探法相互结合起来，开展综合分析比较及印证。根据超前地质预报成果和结合洞内外的监控测量情况综合判断是否进行帷幕注浆处理。

（二）超前帷幕注浆堵水技术

优先选择后退式注浆，其适用于比较容易成孔的地层，反之则需要选择前进式注浆。掌子面单孔出水量≥10L/min 或超前钻探孔中的水量大于0.4L/（min.m），是判断是否需要进行超前帷幕注浆止水施工的条件。一个循环注浆施工长度为30 米，掌子面共设7 环共130 个孔。

前进式分段注浆工艺：从孔口开始，每钻进3～5 米长度后立即进行注浆，直至整个孔完成钻进和注浆。

后退式分段注浆工艺：一次性成孔并经检验合格后，单次注浆的分段长度根据地质状况取0.6～1 米，从远端最靠前的分段退至孔口处，完成第一段的注浆作业后，退至第二分段开展注浆作业，如此往复后退，直至整个孔完成。

如图1 所示。

⑴止浆墙：第一循环施工时设C20 止浆墙，施工前对出水点采用引流方式进行处理，止浆墙沿隧道轮廓环向扩挖嵌槽25～50cm 以保证止浆效果，清理基底，安装止浆墙模板（钢模或木模）及支撑加固体系，最后浇筑混凝土，养护至15Mpa 以上，再进行下一步的钻孔作业。后续施工时每循环只开挖25 米，剩余部分作为止浆盘。

⑵钻孔：成孔设备选用回转式钻机，钻进过程中，现场技术人员认真观察出水、钻进速度、岩性等情况，做好详细记录，同时分析钻屑的情况，为注浆顺序提供参考依据。前进式注浆的扫孔作业：在前段浆液具有0.15MPa 以上的强度后，再进行扫孔作业，此时围岩与水泥浆的凝结体不易破坏，同时可有效避免坍孔，扫孔时钻杆姿态应基本保持与钻孔时基本相同。

图1 超前帷幕注浆示意图

⑶注浆：若止浆墙混凝土或止浆盘浆体强度不足设计的100%，不能进行注浆作业。为保证止浆系统的有效，需对前方地层的吸水性及渗透性进行测定。采用压水试验进行检验，密封性较差时通过止浆墙周边预埋管注浆充填空隙。浆液主要采用水泥净浆，在封孔时或遇到涌突水情况下采用水泥水玻璃双浆液。施工过程中，根据掌子面前方围岩情况、富水情况和压水试验情况，对注浆压力、注浆材料、浆液水灰比等参数作动态调整。

①注浆材料：水灰比0.8:1～1:1，现场准备好称量设备和拌和桶，调制水泥浆液，注浆时浆液浓度由稀到浓，逐级变化；双浆液的水泥和水玻璃比1:0.8，水玻璃波美度Bé=40。

②注浆顺序：按照“由外圈孔向内圈孔”的原则进行注浆，并根据掌子面出水点的水源位置和涌水方向等情况，按照“从无水孔至有水孔”的顺序进行注浆。

③注浆结束标准

单孔结束标准：a、注浆压力达到，稳压时间超过10 分钟；b、进浆速度明显减小，小于初始进浆速度的四分之一或进浆量达到设计的80%；c、检查孔的每分钟涌水量＜0.2L。

单循环结束标准：a、所有孔均达到单孔结束的条件；b、注浆堵水后隧道预测涌水量＜1m3/（d.m）；c、有效注浆范围满足设计要求；d、钻孔抽芯检查，芯样中浆液充填饱满。

注浆效果检验：钻孔取芯检验注浆的效果，上台阶设3 个、下台阶设2 个，钻进深度不得伸入下循环预留止浆盘中。经检验不能满足单孔或单循环结束标准的情况下需要补钻追加注浆。

（三）洞身管棚施工技术

D3K232+819～D3K233+154 段超前支护在隧道拱部设φ89 大管棚，长度为10m，外 插 角10～15°，每 环27 根φ89×6mm 无缝钢管，纵向间距6.4m/环，钢花管管壁开10～20cm 注浆小孔。洞身管棚不设工作室，每环管棚位置前3 榀钢架及开挖断面扩大30cm 以满足钻机的工作空间。

⑴平台

钻孔平台宽度约2.5m，采用钢管架进行搭设，钻机安装平稳，钻杆定位准确，钻孔顺序为从拱顶往两侧向下进行，钻杆轴线与设计的导管轴线重合，保证钻孔的精准度。

⑵管棚施工工艺

引孔顶入法：即先钻进成孔后再将导管顶入孔内，使用钻机进行顶管操作，当地层地质状况好、易于成孔时采用；

管钻进法：在钻杆钻进的同时跟进外套管，成孔之后先缓慢拔出钻杆，再顶入钢花管，最后拔掉套管，遇到围岩破碎、砂卵石层等易坍孔时采取。

⑶钻孔及清孔

管棚施工外插角控制在10～15°，采用干钻成孔工艺，设备采用浅孔钻机；引孔顶入法采用直径108mm 钻头，跟管钻进法需加大钻头直径，可采用直径127mm 的钻头。

①地质状况较好、不坍孔时一次性成孔到位，当遇到卡钻或坍孔等现场时，则先补注水泥浆再钻进。

②开钻时先低钻速钻进，过程中根据现场地质状况进行调整、逐步加快，注意检查是否偏位。

③现场技术人员做好钻孔记录，根据钻进情况和岩屑预测前方地质情况，并作为超前地质预报。

④采用引孔顶入法时，成孔后应先扫孔，保证孔径。

⑤孔中插入高压风管进行清孔，验孔采用测斜仪。

⑷顶管：

顶管：采用引孔顶入法时用钻机旋转顶入钢花管，采用跟管钻进法时

堵孔：钢花管与孔壁的空隙在孔口位置采用砂浆或锚固剂进行封堵，压紧管控密封圈，以保证注浆的效果，在管口连接止浆球阀和三通接头。

⑷注浆作业

浆液配合比通过现场试验进行调配，保证注浆固结效果为目的，施工时可根据上一个循环的效果进行调整，注浆终止压力选取0.5～1.0MPa。

①注浆顺序为：采用间隔交错注浆，由下到上，从无水孔到有水孔，压力先小后大，浆液浓度为由稀到浓，进浆量由大到小。

②施工过程中注意安排人员盯控，若压力表显示注浆压力突然激增，必须停机查明原因解决问题；发生串浆情况时，立即采取封堵措施，封堵材料可用锚固剂、快凝水泥砂浆、布条等。

③单孔注浆终止条件：

a、注浆压力逐渐升高达到设计终止压力标准，且稳压时间超过10 分钟；

b、进浆速度逐渐减小，直至小于初始进浆速度的1/4 以下；

c、注浆量大于或等于设计注浆量的80%。

（四）开挖支护

⑴洞身开挖

综合考虑洞身尺寸及地质情况，选用上下台阶法施工，按照“多钻眼、少装药、短进尺、少扰动”的原则，严格控制钻眼质量和装药量，单次开挖进尺为0.8m，周边眼间距30cm；必要时采用挖机开挖、辅以人工风镐修整断面开挖，保证施工安全。

⑵初期支护

合理组织施工，缩短围岩封闭时间，初期支护采用“钢架+锚杆+钢筋网+喷射砼”体系。开挖后进行找顶排险，施工初喷砼初步抑制围岩的松动，钢构件均采用厂制，钢架出厂前需要进行预拼并编号，运输至施工现场安装，喷射砼采用湿喷法。并在上台阶底部设置临时支撑，达到初步成环的效果，下台阶开挖时进行拆除。临时横撑的材料为工字钢架结合喷射混凝土。锁脚与钢架之间连接牢固，保证安装质量。

（五）监控量测

通过进行洞内外施工各阶段围岩的变形监测和数据分析，掌握围岩和初期支护的稳定性，通过反馈信息及时调整支护参数和措施。施工前埋设地表观测点，施工过程中加强地表原地面监测和雨天时水库水位监测，避免受水库影响段提前发生突涌水。

①必测项目

隧道内观察、地表观察，水库地表沉降，拱顶下沉，净空变化。主要采用全站仪进行量测。

②选测项目

对于有条件的或地质情况较差有需要时，可对围岩内力、围岩内部压力、初支喷砼内力、孔隙水压力、爆破振动等项目进行选测。

测量过程中如发现异常情况应及时提出相关等级的预警，以便及时处理。隧道变形基本稳定的判断条件：隧道围岩变形速率有明显减缓的趋势，拱顶下沉日变化小于0.15mm，净空收敛日变化小于0.2mm。

（六）衬砌紧跟

经围岩监测，变形趋于稳定后，及时跟二衬施工，开挖掌子面距离衬砌不超过35米为宜。衬砌施工可按以下方式进行：仰拱及矮边墙采用带模自行式仰拱栈桥浇筑，拱墙二次衬砌的施工模板采用自行式液压钢模板台车，带分仓入模装置。两种衬砌施工设备均为衬砌快速施工封闭成环的关键。

四、总结

1.超前地质预报的准确性是开展穿越水库底砂卵石地层施工的前提，和监控量测的及时性是保证施工安全的关键。

2.初支紧跟开挖，衬砌快速成环是保证施工安全具有重要意义。

3.在施工过程中验证超前帷幕注浆止水效果和洞身管棚在砂卵石地层的应用效果，调整并记录最佳的各项施工参数，对今后类似工程的施工具有借鉴价值。