隧道穿越强涌水大断层施工超前帷幕注浆技术

隧道穿越强涌水大断层施工超前帷幕注浆技术

李战荣

(中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016)

摘 要 在建怀化—邵阳—衡阳铁路岩鹰鞍隧道所处地质条件恶劣、受F4断层破碎带影响严重。根据施工条件和实际揭示情况，提出了超前帷幕注浆方案，确定了先外圈后内圈、先上台阶后下台阶的注浆顺序和注浆参数，进而分析了注浆施工工艺流程，并对注浆机械设备进行了配置。实践表明，采用提出的注浆方案能够保证隧道围岩特别是F4大断层破碎带的稳定，并可保证隧道正常施工和人员安全。

关键词 铁路隧道;帷幕注浆;理论分析;现场调查;强涌水;大断层

1 工程概况

在建怀化—邵阳—衡阳铁路正线全长39.714 km，正在施工的岩鹰鞍隧道位于地质条件极其恶劣的雪峰山区，隧道全长5 302 m。隧道分为进口斜井、蜡梨坪斜井和出口3个工区，其平面布置与工区划分如图1所示。

图1 岩鹰鞍隧道平面布置与工区划分

2016年1月4日掌子面推进至DK87+998时，线路左侧起拱线突然开始涌水涌砂，涌水口面积约0.8 m2，直至2016年4月16日涌水始终未间断，平均涌水量约3 500 m3/d，累计涌水量31.2万m3，涌砂时断时续，含砂量时大时小，累计涌砂量约1.73万 m3，导致全面停工。

沿线水系较为发育。张家庄—横坡断层F4与洞口塘—岩鹰鞍断裂基本平行且贯穿工区，对围岩稳定和施工安全影响极大。F4为陡倾逆断层，倾向大里程，倾角约78°，断层带与线路夹角51°～64°。DK88+050—DK87+840段为F4断层及影响带，为全～弱风化的石英砂岩，呈砂石混杂状态。F4断层上盘DK87+998—DK87+930段岩体破碎且富水，下盘DK87+930—DK87+650段岩体较破碎含水。根据物探资料，下盘工程地质条件略好于上盘。综合判定，隧道洞身DK87+998—DK87+650段为以F4为核心的断层密集破碎带及次级断裂影响带。结合勘察资料，预测F4断层带正常涌水量为3 552 m3/d，最大涌水量为5 328 m3/d。另外，位于DK87+998的掌子面目前实测水压力0.6 MPa，初步分析系掌子面大量排水后形成的残余水压。在较高水压作用下易形成涌水涌砂等地质灾害，施工风险极高，必须采取切实可行的防治措施才能确保工程建设安全。

经前期部分现场试验验证，帷幕注浆堵水方法总体上可以解决目前的涌水涌沙问题。为此，需对施工过程中的注浆顺序、施工参数等进行详细研究，以确保工程施工安全。

2 隧道超前帷幕注浆方案

2.1 超前帷幕注浆顺序

参考隧道注浆理论与技术［1-3］，为更好地保证隧道施工安全，必须在隧道掘进前预先超前注浆，在隧道轮廓线以外碎裂围岩中形成一定厚度的帷幕。结合F4断层破碎带和隧道施工条件，确定注浆顺序为先外圈后内圈，先上台阶后下台阶。

2.2 泄水方式

根据隧道所在山岭地形及实际空间展布，断层带内的水主要通过高位泄水洞和在开挖面钻泄水孔2种方式泄水。高位泄水洞可以满足排泄隧道顶部裂隙水的要求。因篇幅所限，在此仅分析对注浆影响较大的泄水孔。在掌子面拱部设置5个泄水孔，拱脚设置2个，仰角30°～45°，深度15 m，保证不侵入帷幕注浆加固圈。泄水孔孔底采用透水材料滤砂防止堵孔。

2.3 注浆参数

参考现有经验和方法［4-7］，结合 F4断层破碎带实际情况，布置注浆孔(见图2)，确定注浆参数。

图2 注浆孔布置(单位:cm)

根据F4断层及其影响带宽度，帷幕注浆初步设置3个循环，每个循环注浆孔沿隧道轴向长25 m，各循环里程分别为 DK87+998—DK87+973，DK87+978—DK87+953和DK87+958—DK87+933。在实际注浆施工时，由隧道大里程向小里程方向钻注浆孔，且按超前地质预报情况确定注浆范围为隧道洞身往外扩展6 m，据此确定在掌子面上的开孔位置和角度。为保证注浆效果，第1个注浆循环设置注浆孔175个，后2个注浆循环均设置149个注浆孔。结合初步试验结果，浆液扩散半径可达2 m，故孔间距可设定为3 m。注浆后待达到设计效果后按0.5 m小进尺爆破开挖20 m，保留剩余5 m作为止浆岩盘，其中末端采用厚2 m C20混凝土作为止浆墙。

3 帷幕注浆施工

3.1 工艺流程

根据注浆相关理论和方法［8-10］，结合岩鹰鞍隧道施工条件，采用如图3所示的帷幕注浆工艺流程。

3.2 注浆施工步骤

1)布孔

隧道掘进后掌子面还有较大的涌水。首先必须在涌水结束或得到较好的控制后才能布孔作业;然后确定孔位，由测量人员用红色油漆对注浆孔位置进行标定编号。

2)钻孔、埋设孔口管

图3 帷幕注浆工艺流程

注浆前钻注浆孔，由外向里且相同圈必须间隔钻。由于注浆必须在一定压力下进行，故要保证埋设孔口管的质量，以保证不漏浆和不窜浆。具体埋设方法:①移动钻机到标定好的注浆孔位，保证钻机平台填筑牢固安全;②调整钻机钻杆进行钻孔，先用Φ130钻头钻进3 m深，再将Φ108的孔口管插入，管壁与孔口之间空隙必须封堵。

3)配置浆液

浆液以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥浆、普通水泥-水玻璃双液浆为辅。依据注浆孔实际揭示情况进行单液和双液水泥浆配置。如果水压或涌水量均较小则可用单液水泥浆，否则需适当加入能够起到速凝作用的双液水泥浆。

单液水泥浆的配置:一般先确定清水量并注入钻机内，把水泥倒入水中连续搅拌直至达到使用要求。

双液水泥浆的配置:①配置水玻璃。先按计算好的量把清水注入桶内，再按计算好的量把水玻璃倒入桶内并搅拌;②按前述方法搅拌好单液水泥浆;③用注浆机把两种浆液混合并注入地层。

单液水泥浆水灰比为0.8∶1;水泥-水玻璃双液浆水灰比为0.8∶1，水玻璃浓度为 35 Be'，水泥∶水玻璃体积比为1∶1。

制浆液时需结合现场揭示情况动态调整，调整前需经设计方确认，并保证以下2点:①配料准确、搅拌均匀，外加剂称量误差不应大于1%。②施工过程中不出现质量问题。如加料顺序正确、搅拌过程不能出现异物混入，搅拌时间不能少于3 min。

4)注浆

注浆压力控制在5～6 MPa，采用长度3～5 m分段前进式注浆，由上向下、同一排孔间隔注浆施工。围岩条件较好时采用后退式注浆，围岩较破碎时采用前进式注浆。

注浆设备选用BW-150型泥浆注浆机。具体参数见表1。

表1 注浆机参数

型号 最大工作压力/MPa流量/(L/min)功率/kW排水管直径/mm BW-150 7.0 150 7.5 32

5)注浆结束标准

单孔注浆结束标准:①注浆压力达到设计终压后，再持续注浆10 min;②注浆进浆量＜5 L/min。必须同时满足这2个条件，方可结束。

全段注浆结束标准:①所有注浆孔全部注入并全部满足单孔结束条件;②注浆后预测涌水量＜3 m3/(m·d);③注浆后的固结范围达到设计标准;④检查孔涌水量 ＜0.2 L/(m·min);⑤在检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满，取芯率＞75%。必须同时满足这5个条件，方可结束。

4 注浆施工机械设备配置

为确保工程工期、质量，满足工艺要求，必须对设备的选型、配备的数量以及相应的配套元器件进行分析。主要机械设备配置见表2。

表2 主要机械设备配置

设备名称 型号 单位 数量钻机 MC-15 台1双液注浆机 BW-150 台 2聚强灰浆搅拌机 GS-1000L 台 2高压胶管 4SH 套 3高压专业配电柜 KYN61-40.5 台1

目前已经完成若干注浆循环。现场施工结果表明，按照提出的注浆方案以及选定的注浆设备施工，能够保证隧道围岩特别是F4断层破碎带的稳定，且堵水后渗水较少可满足后续施工要求。

5 结论

1)通过对在建怀(化)邵(阳)衡(阳)铁路岩鹰鞍隧道所处地质条件和F4断层破碎带的影响分析，发现隧道涌水对隧道能否顺利开挖影响极大，且常规堵水方法难以满足施工安全要求。

2)结合工程实际确定了注浆施工顺序、泄水方式、工艺流程、注浆施工步骤和施工机械设备配置。实践证明，采取该方案施工能够保证隧道正常施工和人员安全。

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Advanced Curtain Grouting Technique for Tunnel Passing Through Great Fault with Gushing Water

LI Zhanrong
(China Railway 20 Bureau Group Corporation，Xi'an Shaanxi 710016，China)

Abstract T he geologicalconditionsofYanyingan tunnelin Huaihua-Shaoyang-Hengyang railway being constructed is adverse，which was affected by F4 fault fracture zone seriously.According to construction conditions and actual situation，the scheme of advanced curtain grouting was put forward，the grouting sequences including outer ring first，inner ring later and upper bench first，lower bench later and the grouting parameters were determined，the grouting construction technological process was analyzed，and the grouting machinery and equipment were configured.Practice shows that the grouting scheme proposed in this paper could guarantee the stability of the tunnel surrounding rock，especially the stability of F4 fault fracture zone，and could ensure normal construction of tunnel and safety of personnel.

Key words Railway tunnel;Curtain grouting;T heoretical analysis;Field investigation;Gushing water;Great fault

中图分类号 U455.4

文献标识码： A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.09.19

文章编号:1003-1995(2017)09-0078-04

(责任审编 葛全红)

收稿日期:2017-02-10;

修回日期:2017-05-20

作者简介:李战荣(1969— )，男，高级工程师。

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