复杂地质条件下Ⅴ、Ⅵ软弱围岩隧道快速成环施工技术

罗彬

中铁四局集团第四工程有限公司 安徽 合肥 230021

1 引言

随着国家基础建设的发展，越来越多的高速铁路、高速公路诞生，应运而生的大量隧道工程项目施工[1]。然而软弱围岩大变形是隧道施工的一大难题，安全风险极高。尤其是泥岩、煤层、富水复杂地质条件下软弱Ⅴ、Ⅵ围岩隧道施工，宜发生沉降变形、滑塌、突水突泥等事故，甚至危及施工人员生命安全。众多学者的探索下提出了地表注浆、超前帷幕注浆、超前管棚等施工方法[1][2][6]，由于施工环境、条件不同，每一种处理方式不能照搬，要根据不同的地质环境条件进行探索与改进。本作者根据在五谷山1号隧道泥岩、煤层、富水复杂地质条件下Ⅴ、Ⅵ围岩隧道施工中，通过地表注浆、超前帷幕注浆、径向注浆等多种工艺试验对比，提出了一种快速封闭成环的施工方法，有效解决了软弱围岩大变形的难题，有效控制了沉降变形，保障了施工安全。

2 工程概况

五谷山1号隧道位于山西省长治市长治县城，隧道全长1900m。隧道通过地段主要以石灰岩为主，局部地段夹泥灰岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，部分地段奥灰界面溶隙、溶槽、岩溶发育，DK232+214～DK232+435段现场钻孔取芯及掌子面揭示，本段以高液限粉质黏土、弱风化泥岩、弱薄层状煤线、砂岩、铁矿石和强风化灰岩组成，岩体极破碎，富水、局部有溶腔判断为Ⅴ级，局部为VI级围岩。

图1 隧道现场情况

图2 隧道地质图

3 风险情况

3.1 围岩大变形

在施工过程中沉降变形[3][4]较大，拱顶开累沉降最大量为1784m,侵限为1005mm，日均沉降达7-8cm，钢架已发生变形。

表1 沉降变形数据统计

3.2 突水

隧道施工过程中发生涌水突泥，掌子面股状出水流量约10m3/h，突泥量约60m3。初支长时间出现潮湿滴水状态，有的甚至滴水成线。

3.3 滑塌

开挖过程中线路右侧拱腰部位突然出现连续性小面积掉块，且围岩岩体间伴随着线状出水；掌子面地表处突然出现沉陷，塌陷区域呈圆形，直径约8m，深度约7m，落方量约350m3，坍体顶端线路纵向长度达17m。

4 施工技术措施

4.1 地表注浆

注浆范围为拱顶以上5m、隧底以下3m，左侧开挖轮廓线外5m，右侧开挖轮廓线外5m。地表注浆孔布置按照2.0mx2.0m梅花形布置钢性袖阀管，采用普通水泥—水玻璃双液浆，袖阀管分段后退式注浆施工工艺，先外后内，跳孔注浆，注浆终止压力6.0～8.0 MPa，如下图所示。

图3 隧道现场情况

开挖掌子面揭示注浆没有达到理想效果，地层中只有少量浆液线，或浆液聚集块，大部分地方呈现原状土，沉降变形依然超过5mm/d[3][4][5]。分析原因只要是地层复杂，新黄土地层，密实渗透性小，在地层没有被扰动前，没有浆液渗透通道，浆液流入溶槽形成块，或个别裂隙通道流失。

4.2 洞内帷幕注浆

采用地质钻机钻108孔，安装89钢管。全断面注浆采用钻杆后退式分段注浆与分段前进式注浆相结合的施工工艺，前进式注浆分段段长8～10m或钻孔出水量超过5m³/h时停钻注浆，钻杆后退式注浆分段长度2～4m，注浆前钻设3～5个注浆孔对前方地层进行判别并确定注浆工艺，先注内圈后外圈，同一圈孔间隔施工。

注浆材料以早强硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆为辅，单液浆配比：W：C=0.8：1，普通水泥-水玻璃双液浆配比：W：C=（0.8～1）：1，C：S=1：1，硫铝酸盐水泥标号42.5，普通硅酸盐水泥标号P.0 42.5。

注浆终压2～4MPa，注浆顺序按由外向内、自上而下、间隔跳孔原则进行施工。

图4 隧道现场情况

开挖掌子面揭示注浆没有达到理想效果，由于地层沉降变形大，掌子面相对密实，后方相对松散，且注浆过程中掌子面后方还有沉降变形发生，为浆液流向打开了通道，故部分浆液反噬，浆液流向后方，对后方初支增加压力，故注浆效果不理想，相反后方沉降加大。

4.3 预留核心土+上、中台临时仰拱短台阶快速封闭成环施工

针对上述措施没有达到效果后，通过现场研究分析，遵循隧道施工的“短开挖、快封闭”[1][2][6]原则，提出采用预留核心土+上、中台阶临时仰拱短台阶快速封闭成环施工方法。

台阶长度上台阶3～6m、中台阶5～8m，左右错开不小于4榀拱架，掌子面预留2～3m核心土稳定掌子面，掌子面开挖后及时进行初喷稳定土体，然后安装临时仰拱，掌子面开挖1榀钢架间距，中下台阶每循环开挖2榀，同时开挖作业面不大大于3处，且中、下台开挖必须采用对角开挖，左右交错进行，超前小导管间距20cm。上、中台阶临时仰拱紧跟进尺，仰拱紧跟，仰拱3m一开挖6m一浇筑，仰拱封闭成环距掌子面不得大于25m，二衬距离掌子面不得大于70m。见图5所示。

图5 隧道施工方法示意图

通过该施工方法，沉降变形得到有效控制，变形量控制在允许范围内，不大于5mm/d[3][4][5]，确保了隧道顺利贯通。

掌子面核心土稳定掌子面，开挖后及时施工上、中台临时仰拱，让上、中台分别形成各自小的闭合环从而抑制土体沉降变形，仰拱及时跟进后形成大的闭合环。

表2 沉降变形统计

5 结论

五谷山1号隧道泥岩、煤层、富水复杂Ⅴ、Ⅵ级软弱围岩施工中，采用了地表注浆、帷幕注浆、径向注浆[1][2][6]等多种施工方法，由于地层、施工、环境等多种因素影响，均未有效控制住沉降变形。后采用预留核心土+上、中台临时仰拱短台阶快速成环的施工方法有效控制了沉降变形，确保了施工安全、隧道顺利贯通。因此，认为对应复杂软弱围岩地层隧道施工，尤其是Ⅴ、Ⅵ级围岩，采用预留核心土+上、中台临时仰拱短台阶快速成环的施工方法能有效控制沉降变形，解决施工难题。