玉磨铁路新平隧道穿越密集断裂带施工关键技术

赵前进， 李敬伟

(1. 中南大学, 湖南 长沙 410083; 2. 中国铁路昆明局集团有限公司, 云南 昆明 650011)

0 引言

随着我国国民经济的高速发展，基建行业也迎来了建设高潮，特别是在铁路建设方面，以客运专线、高速铁路为主的铁路建设更是发展迅速。隧道作为其中的重要组成部分，在项目中所占比例越来越大，在目前已建设的铁路工程中，隧道工程所占比例一般在20%～30%，有的高达50%以上，建设过程中遇到的地质条件也越来越复杂。赵前进[1]指出富水破碎带主要问题为围岩稳定性差、易产生突水突泥，主要对策为超前排水泄压、超前支护与加固； 翁贤杰等[2]的隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究表明，隧道开挖接近断层时极易造成突水突泥灾害，施工中应积极采取有效的防控措施； 周捷等[3]在大断面隧道地层超前预加固及开挖支护过程稳定性的数值模拟中指出，在低黏聚力的软弱地层、大断面隧道开挖中，掌子面稳定是施工中面临的很大问题； 钱七虎[4]在隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向中指出，为准确查明复杂不良地质的具体情况，及时采取针对性的防治措施，最大限度地减小不良地质对隧道施工与运营的影响，利用地质超前预报技术为不良地质隧道施工提供指导十分必要。

玉磨铁路向北通过昆玉线进入昆明枢纽连接昆明，向南通过拟建老挝铁路经琅勃拉邦至万象，经曼谷至新加坡，是泛亚铁路中通道的重要组成部分，也是“一带一路”建设的重要组成部分[5-6]。本文依托玉磨铁路新平隧道，对穿越密集破碎带施工技术进行研究，解决施工过程中遇到的技术难题。

1 工程地质及水文地质概况

图1 新平隧道局部段落地质纵断面图(单位： m)

2 施工中遇到的重大技术难题

新平隧道是单洞双线隧道，为Ⅰ级高风险隧道，设计时速为160 km； 开挖宽度近13 m、高度近12 m，断面面积达到122 m2。隧址区位于石屏—建水断裂(JSF6)和扬武—青龙厂大断裂之间，走向与扬武—青龙厂大断裂近平行，先后穿越鲁奎山向斜、新寨背斜、新寨逆断层、大开门—新寨逆断层、写莫逆断层、扬武—赵米克逆断层及阿布都逆断层7个大型断裂破碎带以及数个小型的褶曲、断裂等，区域地质条件极其复杂、地质构造程度极高，是全线施工技术难度最大的隧道之一。

2.1 隧道位于断裂破碎带中，灾害频发

开工以来,新平隧道累计发生突泥(砂)、涌水28次(见图2)，突泥(砂)约6.4万m3。经分析研究可知，造成隧道突泥涌水、溜坍的主要因素有以下几方面： 1)隧道处于断裂破碎带中，围岩完整性差、岩体极破碎，自稳性极差。2)在隧道爆破和开挖卸荷的作用下，对围岩产生扰动，造成构造附近地下水涌出，随着地下水水量聚集和携带能力加强，造成松散破碎岩体在地下水作用下失稳并形成流体涌出； 同时，隧道穿越的地质构造除了向斜是含水构造外，背斜以及挤压性逆断层都是排水、隔水的地质构造，由于施工扰动的影响，断裂带在一定范围内往往出现较强烈的附加切向应力和围压变化，从而导致断裂带松弛、原有裂隙发展及新生裂隙产生与张开，形成新的水力通道，从而导致突泥涌水的发生[7]。由于无法准确预判隧道前方山体中的不可预见性次生断裂构造和富水囊状构造，极大地增加了隧道施工中发生突涌、溜坍的风险。

图2 新平隧道掌子面突泥涌水

2.2 软岩大变形问题

隧道开挖引起的围岩重分布应力超过岩体强度使原岩进入塑性屈服状态，称之为围岩的挤出作用，挤出性岩体向隧道净空挤入时并无明显的体积变化，而是逐渐缓慢地发生变形[8-9]。新平隧道围岩极度破碎、风化程度高，围岩自稳能力极差，加之开挖的卸荷作用，使得松动圈内的围岩出现典型的塑性流变特性，表现为隧道净空收敛的位移随时间不断增长，最大变形达到700 mm，导致初期支护侵限、开裂变形等软岩大变形问题，见图3。

图3 初期支护系统变形

3 关键技术

3.1 含水体超前探测技术

地下水是隧道发生突泥涌水灾害的重要影响因素，准确探明隧道前方地下水的发育情况对预防溜坍、涌突、变形等不良地质灾害的发生有着重大意义。因为物探的多解性导致物探结论经常与实际开挖揭示情况不相符，玉磨铁路新平隧道采用时域瞬变电磁法(TEM)[10-11]、地震波法(TSP)以及钻探相结合的方法相互印证，提高判译准确率。以新平隧道3#横洞正洞小里程D1K54+970～+890段为例，采用不同的预报手段进行综合判译，对掌子面前方地下水及构造发育情况进行探测。

3.1.1 瞬变电磁法(TEM)

瞬变电磁法视电阻率剖面如图4所示。由图4可知，D1K54+970～+890段视电阻率较低，推测地下水发育，以股状水形态出露； 其中D1K54+970～+940段水源主要来自于掌子面右侧，左侧视电阻率梯度线密集，推测岩体一致性差。

图4 瞬变电磁法视电阻率剖面图

Fig. 4 Nephogram of apparent resistivity of transient electromagnetic method

3.1.2 地震波反射法(TSP)

TSP法二维反射层位及物理力学参数成果如图5所示。由图5可知： D1K54+970～+940段围岩破碎—局部极破碎，岩质软，节理裂隙发育，线状水—股状水，存在软弱夹层及裂隙，局部裂隙水量较大； D1K54+940～+915段围岩较破碎—破碎，岩质较软，节理裂隙较发育—发育，线状水—小股状水，存在软弱夹层及裂隙； D1K54+915～+890段围岩破碎，岩质较软—软，节理裂隙发育，滴渗水—线状水，存在软弱夹层及裂隙。

3.1.3 钻探

根据物探结果，现场采用超前钻探进行验证，钻孔参数及孔位布置如表1所示。由表1可知： 8孔均钻进30 m，成孔时间在60～100 min，返碴为板岩、砂岩，局部卡钻、无突进，推测岩质较软，岩体破碎； 1#—4#孔开孔即出水，终孔水量在1～2 L/s，汇总约6 L/s； 5#—8#孔终孔无水。

3.1.4 开挖揭示

(a) 物理力学参数成果图

(b) 二维反射层位成果图

表1 超前钻孔参数及孔位布置图

分析比较以上几种方法探测结果可知： 瞬变电磁法(TEM)、地震波反射法(TSP)以及超前水平钻探结果与开挖揭示基本一致，表明超前预报结果准确、可靠。多种预报方法相结合，大大提高了预报的准确性，为施工提供了极大的安全保障。

3.2 超前预加固技术

3.2.1 超前预加固方案

富水断层破碎带采用全断面超前预注浆进行加固，注浆设计如图6所示。

(a) 注浆孔开孔布置图

(b) 注浆孔终孔断面交圈图

(c) 注浆孔纵剖面布置图

Fig. 6 Design sketches of full-face advance pre-grouting reinforcement (unit: cm)

3.2.2 超前预注浆参数

富水断层破碎带注浆压力为静态压力+1～2 MPa(一般不大于4 MPa)，隧道止浆墙为2～3 m。全断面超前预注浆加固圈厚度为5 m，扩散半径按1.5～2 m，全断面注浆共设120个注浆孔(含12个玻璃纤维锚杆注浆孔)。注浆加固段长25 m，注浆后开挖20 m，余留5 m作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。

3.2.3 超前预注浆材料

注浆材料的选择是注浆成败的关键，富水断层破碎带的注浆材料以普通水泥-水玻璃双液浆为主，普通水泥单液浆、超细水泥单液浆和硫铝酸盐水泥单液浆为辅。注浆材料水灰质量比控制在0.8∶1～1∶1，水泥-水玻璃体积比为1∶(1～0.3)，水玻璃波美度为30～35 °B′e，具体可根据现场情况适当调节。

为保证注浆效果和快速施工，在开挖轮廓线以外的注浆段使用硫铝酸盐水泥； 在地层比较致密、裂隙较小(微裂隙)但又有水，普通水泥注不进去或扩散困难、前进式注浆很慢时，使用超细水泥。另外，在单孔注浆量较大而注浆压力仍然不上升时，使用硫铝酸盐水泥，注浆量控制根据实际地层情况而定，注浆量较大时，使用双液浆封孔或间歇一段时间再重新扫孔注浆。

3.2.4 超前预注浆工艺

根据玉磨铁路区域断层破碎带内钻孔过程中易塌孔、成孔困难的情况，超前预注浆施工工艺采取前进式分段注浆结合下PVC管孔底注浆的综合施工工艺。

前进式分段注浆工艺： 主要采用安装孔口管分段前进方式进行，首先用地质钻机钻设φ140 mm的孔，安装φ127 mm的孔口管，然后采用φ100 mm钻头钻孔第1次钻至5 m，进行注浆试压作业，之后每钻进3～5 m注一次浆，如此循环下去，直至钻到设计孔深，分段步距可根据现场地质情况适当调整。该工艺主要适用于成孔条件较差、易塌孔的周边注浆孔和局部出水量较大的注浆孔。

PVC管孔底注浆工艺： 主要通过PVC管向孔底送浆，浆液通过孔底返浆方式注入地层，首先钻直径较大的孔，安装孔口管和高压球阀，然后通过前进式注浆方式成孔，并沿钻孔全长安装PVC管，在孔口安装上排砂和止浆装置，通过PVC管将浆液注入孔底，在较高的注浆压力作用下，浆液在孔内循环返回至孔口并扩散至地层。该工艺主要适用于成孔条件较好，基本无水的周边注浆孔和开挖面上的个别孔。

3.2.5 超前预注浆结束标准

注浆结束标准以定量定压相结合控制。注浆量根据地层围岩孔隙率，当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5～2倍，压力仍然不上升时，可采取调整浆液配比、缩短凝胶时间或进行间歇注浆等措施使注浆压力达到设计终压，结束该孔注浆； 超前加固注浆终压定为3～4 MPa，注浆压力达到设计终压并维持10 min以上可结束注浆。设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象，并达到注浆效果检验标准，可结束该段的注浆。

3.2.6 注浆效果检验和评价

注浆效果检验和评价采取分析法和钻检查孔法。

分析法采用P-Q-t曲线法和浆液填充率反算法。通过对注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q进行P-t、Q-t曲线绘制，根据地质特征、注浆机制、设备性能、注浆参数等对P-Q-t曲线进行分析，从而对注浆效果进行评判； 通过统计总注浆量，可采用式(1)反算出浆液填充率，根据浆液填充率评定注浆效果，当浆液填充率达到90%以上，满足开挖要求。

∑Q=Vnα(1+β)。

(1)

式中： ∑Q为总注浆量，m3；V为加固体体积，m3；n为地层孔隙率或裂隙度；α为浆液填充率；β为浆液损失率。

钻检查孔法是在可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。检查孔无涌泥、不塌孔且检查孔出水量小于0.2 L/(min·m)，则达到注浆效果。

3.2.7 超前预加固情况和效果

通过注浆使浆液对地层进行劈裂和挤密，提高了地层的承载能力。浆液在地层中劈裂填充形成较大的浆脉及结石体，跟地层中的土石砂粘结在一起形成承载力较高的混合体，可以把水堵在开挖轮廓线以外较远位置，并对地层一定范围内进行加固，基本保证隧道能在无水或渗水很小的情况下开挖，有效地保证了隧道开挖安全。超前预加固效果如图7所示。

(a) 加固前地质情况

(b) 加固后开挖效果

3.3 断裂带大变形控制技术

在实际施工中，初期支护结构的变形体现出周期长、速率高、累计值大等特点，最大变形达到700 mm，给开挖施工带来了严重的安全隐患。

为保证断裂带大变形段的施工安全，应做好监控量测工作，及时了解围岩及支护结构的变形情况； 开挖时采用下台阶带仰拱一次开挖技术[12]，尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动范围和扰动持续时间； 开挖后及时施作初期支护，并保证初期支护强度，使围岩变形进入受控状态； 通过可靠、足够频次的监控量测数据来准确评价围岩与支护结构的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式和开挖方法。

3.3.1 超前支护

采用φ76 mm中管棚配合大外插角φ42 mm超前小导管。管棚长度为6 m，环向间距为0.4 m，纵向间距为3.6 m，每环47根； 小导管长度为4 m，环向间距为0.4 m，纵向间距为2.4 m，每环47根。注浆浆液为水泥单液浆，注浆压力为1.0 MPa。

3.3.2 开挖支护工艺

为了控制围岩及支护结构的施工变形，应使初期支护结构尽早封闭成环，形成良好的完整承载结构体系，因此采用台阶法带仰拱一次开挖工法进行施工。该工法的工艺特点是： 上、中、下台阶与仰拱同步钻孔、爆破、出碴，仰拱与下台阶同步施作初期支护。初期支护混凝土喷射完成后，仰拱部位用洞碴回填，满足开挖面施工行车需求，待后续施作仰拱二次衬砌与填充前清出。仰拱部位的施工配合采用24 m全配套自行式移动栈桥，仰拱二次衬砌与填充单幅施工长12 m，这样可以保证前方行车、仰拱填充浇筑与下一组仰拱二次衬砌钢筋绑扎平行作业，提高施工效率。具体的施工组织规划如图8所示。

采用台阶法带仰拱一次开挖工法，可以因仰拱与上部断面的同步爆破而减少断面爆破次数，从而减少了对围岩的扰动，这一点在软岩区段体现得更为明显。同时，因仰拱部位开挖支护比传统台阶法提前，初期支护快速封闭成环，能够尽早地形成有效的承载体系，更有利于控制断面的前期变形，且使初期支护结构的应力分布更趋于合理，从而保障隧道支护结构的整体稳定性。

3.3.3 支护参数

根据现场施工监测数据反馈，原设计支护参数无法满足变形控制的需要，故对支护结构予以加强。变更前后的支护参数见表2。

3.3.4 施工效果分析

根据现场施工监测数据反映，通过以上技术措施，隧道穿越断裂带的施工变形得到了明显的降低。图9—12为典型测点的变形时程图。其中，图9与图10分别示出工法及支护参数变更前的典型拱顶沉降与周边收敛，图11与图12分别示出工法及支护参数变更后的典型拱顶沉降与周边收敛。

图8 台阶法带仰拱一次开挖工法纵断面示意图(单位： m)

表2 原设计和变更后支护参数对比表

图9 D1K51+595拱顶沉降时程曲线

图10 D1K51+595上台阶收敛时程曲线

图11 D1K51+521拱顶沉降时程曲线

图12 D1K51+521上台阶收敛时程曲线

由图9—12可知，采用合理的开挖工法并加强支护参数后，该段隧道拱顶沉降累计值及周边收敛累计值均有明显的下降，下降幅度在60%以上。说明采用的技术手段较为合理。

3.4 隧道非爆开挖技术

新平隧道穿越的岩性为薄层板岩夹砂岩，岩石单轴抗压强度小于30 MPa，属于软岩。受次生断裂的影响，隧道围岩节理裂隙发育，完整性差，岩体破碎，这些岩层条件使隧道具备采用铣挖法非爆开挖技术的条件。铣挖法作为隧道开挖的重要方法，已应用在兰渝铁路、武广高铁等铁路隧道，杭州地铁、重庆市轨道交通等市政隧道工程中。

3.4.1 铣挖法的适用范围

一般情况，铣挖机只用于隧道轮廓的开挖，但是在中低硬度的岩层中，它也可以直接用于隧道的掘进，尤其在裂隙、节理发育的破碎岩层及土质隧道中。铣挖机可以广泛应用于隧道、沟渠、市政管线开挖、公路路面破碎、采矿、建筑物拆除、表面出新以及钢铁工业、林业等施工领域[13-15]。

3.4.2 设备选型

结合隧道断面尺寸及开挖方法，选择德国艾卡特ER1500-1XL铣挖头。铣挖最大挖掘半径为7.5 m，最大挖掘高度为6.8 m，铣挖宽度为50 cm，满足本隧道三台阶七步法开挖工法的要求。

3.4.3 应用效果

新平隧道采用铣挖法非爆开挖技术后，铣挖一个循环工序时间约为95 min，与传统的钻爆法相比较，工序时间大大减少。工序时间对比见表3。

表3 工序时间比较

根据现场统计分析，新平隧道铣挖法开挖效率平均达到34 m3/h。采用铣挖法非爆开挖，有效地降低了因掌子面不能自稳形成溜坍和涌突的频率和风险，同时开挖平均线性超挖控制在15 cm以内，隧道成型效果较好，超挖现象得到有效控制，施工效率得到有效提升，保障了隧道施工安全。铣挖法施工效果如图13所示。

图13 铣挖法施工效果

4 结论与讨论

1)瞬变电磁法采用多测线、多方位的探测方式，综合分析掌子面前方围岩地下水发育情况，得到地下水的形态、发育段落及空间分布情况。探测结果与超前水平钻探及开挖揭示的情况基本一致，预报准确率较高，取得较好的预测效果，为隧道突泥涌水风险判别提供详实的依据，为隧道施工提供了安全保障。

2)根据新平隧道断裂破碎带的地层特点，富水断层破碎带采用全断面超前预注浆。超前预加固施工工艺采取前进式分段注浆结合下PVC管孔底注浆的综合施工工艺。注浆材料以普通水泥-水玻璃双液浆为主，采用普通水泥单液浆和普通水泥-水玻璃双液浆混合注浆方式，对断裂破碎带进行超前预注浆加固，达到了预期的注浆加固效果。

3)为了有效控制断裂带施工变形，应采用下台阶与仰拱同步开挖工法，促使初期支护结构尽早封闭成环，同时根据现场试验情况增强超前支护并适当加大支护强度。

4)采用铣挖法非爆开挖技术进行软岩隧道开挖，可减少对围岩的扰动，不易造成大面积变形和局部溜坍； 同时铣挖法定位准确，便于控制超欠挖，实现隧道轮廓的精确成型，具有简便、快速、精确的特点。经现场应用统计分析，铣挖法循环工序时间为95 min，平均施工工效达34 m3/h，实践表明铣挖法是比较适合软岩隧道开挖的一种既安全又经济的施工方法。

5)针对玉磨铁路新平隧道断裂破碎带软弱围岩，通过采取动态设计、超前地质预报、预注浆加固、监控量测、专业化施工等措施，各工序以“防突、控变、防塌方”为主要目的，实现了Ⅰ级高风险隧道施工安全、高效、顺利的建设目标。