富水糜棱岩地层大断面隧道施工技术

马 栋

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

富水糜棱岩地层大断面隧道施工技术

马 栋

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

广昆铁路秀宁隧道为双线大断面隧道，出口段550 m为富水糜棱岩地层，施工难度极大。在对糜棱岩物理性质、组成及结构特征、抗剪强度及水稳性、渗透特性进行分析的基础上，先采用超前预注浆及施作大管棚超前支护等措施对糜棱岩地层进行加固，同时局部设置引水导管使得糜棱岩快速排水固结，然后进行四台阶九步开挖法施工。隧道开挖时可见大量明显的浆脉和浆柱，表明在富水糜棱岩地层中注浆起到了劈裂和挤密的作用。该施工方法不仅能加快施工进度，而且能较好控制大断面隧道施工时的围岩变形，尤其是对富水糜棱岩等软弱地层的安全、快速施工具有较好的适应性。

糜棱岩 富水地层 双线铁路 隧道施工

1 工程概况

1.1 工程设计

秀宁隧道为改建铁路成昆线广通至昆明段最长双线隧道，也是我国在建高速铁路单洞双线长大隧道中的一条代表性隧道。隧道全长13 187 m，最大埋深565 m，设计速度200 km/h。隧道施工采取主洞进、出口及“进口平导+4个斜井”辅助坑道方案。

1.2 工程地质及水文地质

秀宁隧道地处云贵高原东南部，隧址处地质构造复杂，共穿越2个背斜、3个向斜和9个断层，其中隧道出口段550 m穿越罗茨—易门断裂带。出口段隧道拱顶最大埋深约70 m，围岩为糜棱岩，Ⅵ级，极破碎，局部富水呈饱和状，有不规则的泥囊分布。地表水主要为溪水、沟水，地下水主要为岩溶及构造裂隙水，隧道最大涌水量140 000 m3/d。

1.3 施工难点

糜棱岩对水的敏感性很强，洞身开挖时地下水迅速下渗导致掌子面及侧面岩体溜坍呈泥石流状缓慢移动，开挖后20～60 min便频繁出现剥落掉块和溜坍等失稳现象，自稳性极差，施工十分困难。

2 糜棱岩物理性质、组构特征

围岩的工程性质是影响隧道结构稳定的一个重要因素［1］，为进一步了解秀宁隧道糜棱岩组成、物理力学性质以及应力应变特性，在隧道出口段施工现场取了两组糜棱岩的原状试样XN1和XN2进行测试。

2.1 糜棱岩物理性质

根据现场观测和室内试验，测得糜棱岩的含水率为8.20%，密度为2.25 g/cm3，相对密度为2.67。

2.2 糜棱岩的组成及结构特征

1)糜棱岩的颗粒组成

糜棱岩试样的颗粒组成见表1。由表1可以看出，糜棱岩是一种土石混合物，颗粒粒径分布较广，细颗粒含量高，一旦富水饱和，极易进入流态，失去强度，工程性质不良。

表1 糜棱岩试样的颗粒组成 %

2)糜棱岩的结构特征

糜棱岩宏观上具有明显的条带状与纹层状构造，发育有页理和拉伸线理。原岩受压扭应力和强烈塑性变形作用，发生错动、断裂、研磨和粉碎，形成大量角砾和细小颗粒，且细小颗粒呈定向排列，其结构松散、大小颗粒间几乎无联结、整体性很差。糜棱岩微观孔隙的孔径分布相对集中，有明显的孤峰存在，孔径分布有利于糜棱岩吸水和贮存水，其平均孔径为0.07～0.18 μm，中值孔径为0.24 ～0.72 μm。

2.3 糜棱岩抗剪强度及水稳性

糜棱岩的应力—应变曲线属于强化塑性，基本无弹性变形阶段，塑性变形贯穿始终，无明显的峰值破坏应力。含水率变化对糜棱岩的抗剪强度影响非常大，含水率增高，其黏聚力逐渐增大，而内摩擦角随之减小，见图1。

图1 糜棱岩强度与含水量的关系

2.4 糜棱岩渗透特性

糜棱岩渗透系数与干密度的关系见图2。可见糜棱岩的渗透性受其干密度的影响很大，其渗透系数随干密度的增大而迅速减小。

图2 糜棱岩渗透系数与干密度关系

3 富水糜棱岩段超前注浆施工

根据对出口段富水糜棱岩结构特性的分析，决定采用“上堵下排”超前预注浆方法加固围岩和大管棚刚性支撑共同形成立体预支护体系，提高周边围岩及工作面稳定性，达到隧道安全、快速施工的目的［2］。

3.1 注浆参数

循环注浆长度25 m，开挖长度20 m，保留5 m注浆岩盘，注浆加固范围为开挖工作面及开挖轮廓线外5 m［3］，所有注浆孔均位于上半断面，见图3。注浆压力3～4 MPa，浆液扩散半径2 m，注浆孔终孔间距3 m，注浆速度5～110 L/min。注浆工艺采用全孔一次性注浆，不设置止浆墙。

图3 上堵下排注浆孔布置示意(单位：cm)

下半断面根据围岩含水率分布动态设置引水导管排水，降低开挖面水压、加速围岩内水的渗透，防止涌水突泥，加速地层固结。

3.2 注浆材料与浆液配比

注浆材料以P.O42.5普通硅酸盐水泥单液浆为主，普通硫铝酸盐水泥、普通水泥—水玻璃双液浆为辅。水玻璃浓度为35Be'，模数为2.4～2.8。

普通水泥和普通硫铝酸盐水泥单液浆水灰比为(0.6～1.0)∶1，普通水泥—水玻璃双液浆水灰比为(0.8～1.0)∶1。施工中根据地质情况，加入一定比例的外加剂，以调整注浆材料的各项性能。

3.3 注浆结束标准

定量标准：围岩孔隙率按20%计算，单孔每米设计注浆量控制在2.5 m3，当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5～2.0倍时，若压力仍然不断上升，可采取调整浆液配比缩短凝胶时间或进行间歇注浆等工艺使注浆压力达到设计终压，然后结束该孔注浆。

定压标准：根据围岩特性和注浆兼具劈裂、扩散及挤密的特性，注浆终压初期控制在不小于4 MPa，最后成孔注浆终压控制在7 MPa，达到设计终压并维持10 min以上可结束该孔注浆。

当设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象，且所有检查孔均合格时结束全段注浆。

3.4 注浆效果［4］

1)P-Q-t曲线

由于糜棱岩地层不均，注浆过程中注浆压力随时间有明显的波动，一般注浆压力上升达到4 MPa时，压力就会下降，注浆流量增加，如此反复多次，经过反复劈裂—挤密—劈裂—挤密，地层得到挤密和加固。相应的P-Q-t曲线如图4所示。

图4 糜棱岩劈裂注浆压力—注浆量—注浆时间(P-Q-t)曲线

2)取芯检查

注浆完成后，在掌子面布设了7个检查孔(图5)，进行出水和取芯检查。4#和5#检查孔无水，3#和7#检查孔有少量滴水，1#、2#和6#检查孔的出水量分别为0.20，0.15 和0.12 L/(m·min)，达到了注浆加固围岩的设计要求。从检查孔中取出的芯样(图6)来看，由于浆液的挤压，芯样密实，含水率降低，强度有所提高。

3)围岩物理力学特性变化

图5 注浆检查孔布置

图6 2#检查孔中取出的芯样

对2#和5#检查孔中取出的糜棱岩芯样进行试验测定，其平均含水率5.44%、平均重度23.48 kN/m3、黏聚力18.14 kPa、内摩察角33.91°，与注浆前糜棱岩试样的平均含水率8.20%、平均重度22.07 kN/m3、黏聚力31.64 kPa、内摩察角27.69°相比有较大的变化。说明在注浆压力作用下，糜棱岩地层受压产生排水固结，含水率大为减小，密度有所增加，地层的抗剪强度得到较大幅度的提升，围岩的稳定性得到改善。

4 富水糜棱岩段隧道开挖与衬砌施工

4.1 施工步骤

该隧道采用四台阶九步开挖法工序施工(图7)，施工前先预加固。

图7 四台阶九步开挖法施工工序

具体施工步骤如下：

1)针对富水糜棱岩地层易涌泥溜坍的特性，隧道开挖前采用“超前预注浆+φ108大管棚超前支护”加固围岩，大管棚环向间距40 cm，外插角6°，每环40根，每根长不小于25 m;另外考虑到大管棚与开挖轮廓之间土体的稳定性，管棚间插打φ42超前小导管，小导管环向间距0.4 m，每根长4.0 m，纵向每隔2榀格栅施作一环。

2)上部弧形开挖。弱爆破或机械开挖①部，施作①部周边的初期支护：初喷混凝土，铺钢筋网，架立钢架(设锁脚锚管)，钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。

3)左、右侧中台阶开挖。在滞后①部一段距离后，弱爆破或机械开挖②、③部(左、右侧台阶错开2～3 m)，施作②、③部初期支护。

4)左、右侧下台阶(三台阶)开挖。在滞后②、③部一段距离后，弱爆破或机械开挖④、⑤部(左、右侧台阶错开2～3 m)，施作④、⑤部边墙初期支护。

5)左、右侧下台阶(四台阶)开挖。在滞后④、⑤部一段距离后，弱爆破或机械开挖⑥、⑦部(左、右侧台阶错开2～3 m)，施作⑥、⑦部边墙初期支护。

6)上、中、下台阶预留核心土开挖。弱爆破开挖⑧-1，⑧-2，⑧-3，⑧-4部各台阶预留核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致;另外在中部核心土开挖后根据围岩情况，必要时在中部增设临时横撑、竖撑，以免拱部下沉过大造成初支开裂、侵限等。

7)隧底开挖。弱爆破或机械开挖⑨部，施作⑨部仰拱初期支护，即初喷混凝土，安装仰拱钢架，复喷混凝土至设计厚度，使初期支护及时封闭成环。

8)灌注 部仰拱混凝土。待仰拱混凝土初凝后，灌注 部仰拱填充混凝土至设计高度。

9)根据监控量测分析，确定二次衬砌施作时机，铺设防水层，利用衬砌模板台车一次性灌注 部二衬混凝土。

4.2 施工控制要点

1)隧道掘进开挖

Ⅴ级围岩采用弱爆破开挖方法，Ⅵ级围岩采用人工配合机械开挖方法，循环进尺一般控制在0.6～1.2 m，最长不超过1.5 m。上台阶高度2.5～3 m，核心土长度3～5 m、高度1.5～2.5 m、宽度为上台阶开挖跨度的1/3～1/2，中下台阶高度2～2.5 m、长度2 ～3 m［5］。

2)初期支护施工

初期支护主要由锚杆、钢筋网、钢架、锁脚锚管和喷射混凝土组成。初期支护预留了40 cm变形及补强空间，变形补强空间根据现场施工及监控量测信息及时调整。

中台阶开挖时扩大拱脚，以增加拱脚的承载力，在开挖下台阶时发挥大拱脚支撑拱部的重要作用，减少围岩沉降。初期支护要尽早封闭成环［6-7］。

3)仰拱施工

为形成稳定的支护体系，初期支护应尽早封闭成环。仰拱每循环开挖长度2～3 m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱。仰拱分段长度为4～6 m，其距上台阶开挖工作面距离控制在25 m以内，时间在20 d以内［8-9］。

4)二次衬砌施工

采用自制防水层台架按设计要求进行防水层施工，台架长度一般在4～6 m，确保二衬紧跟仰拱施工。

5)施工监控量测

秀宁隧道出口段施工中，对隧道拱顶沉降和水平收敛(在上台阶和中台阶布置两条基线SL1和SL2)进行监测，平均每5 m布置1个监测断面［10］。

隧道开挖过程中可以看到明显的浆脉和浆柱，开挖掌子面和初支稳定，无大的变形。洞外地表无明显的变化。拱顶沉降监测结果见图8，隧道拱顶最终累计沉降在-25～-55 mm，初期支护处于稳定状态，施工安全。隧洞周边收敛监测结果见图9，其中负值表示向内收敛。上台阶外侧下部SL1基线处累计位移约在-40～-80 mm;中台阶外侧下部SL2基线处累计位移约在-30～-65 mm，初期支护处于稳定状态，施工安全。

图8 D K1006+135拱顶下沉历时曲线(2010年)

图9 D1006+120洞周收敛历时曲线(2011年)

5 结语

秀宁隧道在长达5年半的施工中，克服了出口段穿越Ⅵ级富水糜棱岩地层施工等诸多困难，实现了单洞双线铁路隧道万米以上施工安全质量无事故的目标。通过试验和施工实践得出：

1)糜棱岩的水稳性很差，含水率变化对糜棱岩的抗剪强度有很大的影响，随含水率增加其黏聚力增大，而内摩擦角则快速减小。利用糜棱岩的这一特性，在注浆时通过设置排水孔加速富水糜棱岩地层的排水固结，使糜棱岩的强度在短时间内得到较大的提升，也为隧道的快速开挖施工打下了基础。

2)隧道注浆后开挖看到大量明显的浆脉和浆柱，表明在富水糜棱岩地层中注浆起到了劈裂和挤密的作用。

3)先采取超前预注浆及施作大管棚超前支护等措施对岩体进行加固，再采用四台阶九步开挖法施工，不仅能加快施工进度，而且能较好控制大断面隧道施工时的围岩变形。该工法对富水糜棱岩等软弱地层的安全、快速施工具有较好的适应性。

［1］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］张民庆，彭峰.地下工程注浆技术［M］.北京：地质出版社，2008.

［4］赵晋乾.山岭公路隧道注浆效果评价及技术指南研究［D］.成都：成都理工大学，2009.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［6］张洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究［D］.成都：西南交通大学，2006.

［7］廖俊.毛羽山隧道软岩大变形特征及原因分析［J］.铁道建筑，2013(8)：79-81.

［8］苏立华.富水浅覆不均匀地层大断面隧道快速施工技术研究［J］.铁道建筑，2012(1)：51-53.

［9］袁青，吴立，钱娟娟，等.向家山大断面浅埋偏压隧道洞身段施工技术［J］.铁道建筑，2014(1)：43-45.

［10］中华人民共和国铁道部.TB 10121—2007 铁路隧道监控量测技术规范［S］.北京：中国铁道出版社，2007.

Construction technology of large profile tunnel in water-rich mylonite rock

MA Dong
(China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018，China)

Xiuning tunnel of Guangkun railway is a double-track large section tunnel and the 550 m exit section is watery mylonite strata，the construction of which is very difficult.Based on analysis of physical properties，composition and structure characteristics，shear strength and water stability，permeability of mylonite，this paper adopted the measures for mylonite strata reinforcement such as pre-grouting and large pipe shed forepoling，set the diversion conduit locally which enables mylonite quick drainage consolidation and used the four step-nine pace excavation method for construction.There are a large number of slurry veins and slurry columns during tunnel excavation，which means grouting in watery mylonite strata has the effect of splitting and compaction.The construction method presented in this paper can not only accelerate the construction progress，but also control surrounding rock deformation of large section tunnel construction better，which would adapt to security and quick construction of weak strata especially for watery mylonite.

Mylonite rock;Watery strata;Double-track railway;Tunnel construction

(责任审编 葛全红)

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.12

1003-1995(2014)10-0047-05

2014-03-10;

2014-07-20

马栋(1963— )，男，河南方城人，教授级高级工程师，研究生。