涌水隧道穿越边墙破碎带施工关键技术探讨

许世辉

(四川路航建设工程有限责任公司,四川成都 610045)

随着川西地区高速公路持续发展势头，多以隧道穿越复杂地质条件的崇山峻岭，通常伴有滑坡、涌突水、涌突泥、岩爆、瓦斯带、岩溶、软弱破碎带、断层等复杂的不良地质现象出现。在穿越断层破碎带类不良地质段时，可采取逐段敷设长管棚超前支护、逐段超前预注浆后开挖等方式进行处治，以改善开挖支护环境，但超前长管棚主要用于隧道拱部处治，超前预注浆虽可对隧道全断面注浆加固，但因注浆量大、成本高而往往不能得到采用。因此，在隧道开挖过程中，遇到边墙部位围岩破碎易坍塌时，需要采用注浆加固、提高支护参数和增强钢拱架锁脚等措施方法，在断层富水破碎地段加固边墙时，还需要设置泄水管实施有目的地分散排水，缓解围岩富水压力，降低隧道施工安全风险。

1 工程概况及难点

飞仙关特长隧道位于雅(安)康(定)高速公路K19+715～K24+655段，全长4 949 km。隧道进口位于雅安市雨城区，出口位于天全县。隧道所在项目位于四川盆地西南部，是青藏高原与四川盆地的过渡地带，沿线属低山山地，区内沟谷纵横，山峦起伏，地形切割较强烈，多成“V”型谷，谷底至岸顶高差变化较大，属构造剥蚀中低山地貌。隧址区属亚热带湿润性季风气候，年平均气温15.1～16.2 ℃，年平均降雨量1 250～1 750 mm。周边水系含青衣江、荥经河、天全河。隧道最大埋深799 m，涌水段位于C7标段右线隧道出口K23+690～K23+708，洞身围岩以弱风化粉砂岩﹑细砂岩为主，偶夹薄层泥岩。

飞仙关隧道出口段初见涌水量高达15×104～16×104m3/d，接近设计峰值0.46×104m3/d的35倍，远超地勘预估量，经过近4个月的持续衰减后，涌水量降至3×104～4×104m3/d。在采取了侧导坑引水、初支换拱、施作长管棚等处治工法后，掌子面满足带水作业条件。涌水段掘进过程中发现，特大涌水后，由于高应力释放和重分布导致右线隧道左边墙围岩挤压破碎(图1)，下台阶开挖时揭露了出水通道，边墙部位围岩坍空且有股状涌水流出，常规方式安装初支钢拱架不能自稳，边墙破碎带极易发生坍塌，开挖支护难度较大。

图1 边墙破碎带示意

2 边墙破碎带处治技术应用

2.1 下台阶边墙预注浆加固

2.1.1 预留下台阶岩体

隧道涌水段采用三台阶开挖，下台阶施工时预留部分岩体暂不开挖(图2)，预留长度(隧道纵向)为下台阶纵向开挖长度，预留宽度(隧道横断面)约1～2 m，预留岩体对边墙部分施加一个反向推力，防止过早出现临空面,边墙部位应力集中，围岩发生挤压变形破坏。

图2 下台阶预留岩体、小导管注浆示意

2.1.2 小导管预注浆加固

在预留岩体保持稳定时，对边墙破碎带采用围岩预注浆的工艺，是一个有效的加固手段。单层注浆小导管在预留岩体部位竖向打入3根，斜向下方约11 °，间距1 m，小导管长4.5 m，直径42 mm，壁厚4 mm，前端呈尖锥形，管壁上每隔10 cm交错钻眼，眼孔直径为8 mm，打入围岩部分2.8～3.5 m。由于单液浆(纯水泥浆)凝结时间长，动水条件下结石率低且注浆量大，所以选用水泥-水玻璃双液浆。采用KBY30/120注浆泵进行注浆作业，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.8，水玻璃浓度35 °Be′，水玻璃模数2.6，注浆压力初压0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa。

在实际施工过程中发现，在工作压力下注浆速率偏大(超过20 L/min),且较长时间后未明显降低。下台阶开挖后发现围岩后方裂隙发育，仍然存在出水通道，大部分浆液被急流带走，预注浆加固效果不理想，未达到施工预期。

2.2 排水锁脚桩

经过技术攻关，发明了钢管排水锁脚桩，同时兼具排水和锁脚功能，对穿越断层富水破碎带类不良地质段的隧道拱墙初期支护进行加固和排水降压(图3)。

图3 钢管排水锁脚桩结构立面

2.2.1 钢管排水锁脚桩结构设计

钢管排水锁脚桩桩身及排水部分由锚固钢管和内嵌的排水钢管、注浆管、架线环、内堵头板、外封头板和集水孔等组成(图4)。锁脚桩、钢拱架分别同定位块焊接，并通过I16上下型钢纵梁将其连接范围内的钢拱架、钢管排水锁脚桩等串连成一个刚性整体，提高对上方初期支护的承载能力。

图4 加强型钢管排水锁脚桩结构示意

台阶法开挖隧道过程中，完成上一级台阶的初期支护后，开挖下一级台阶时拱墙背的围岩发生松动坍塌，将容易导致开挖段上方已形成的初期支护失稳破坏，当采用加强型钢管排水锁脚桩将上方初期支护连接成整体后，开挖下一台阶时再辅以短进尺开挖支护工法，能够有效避免这种失稳破坏，降低施工安全风险(图5)。

图5 加强型钢管排水锁脚桩大样

2.2.2 施工工艺

(1)钻孔工作面处置：边墙破碎带上方初期支护时预留工作坑洞，尺寸以能满足定位块安装和正常钻孔施工为准；未预留时，可用人工破拆工作面范围内的喷射混凝土及钢筋的方式形成工作坑洞。

(2)桩位放样：用卷尺和拉线等量测工具在拱墙背围岩表面确定锁脚桩孔位，并用铁钉或红油漆等作明显标识。

(3)安装定位块：在钢拱架上安装定位块，为便于校正，先将定位块底板与钢拱架点焊连接，再将侧板与底板、钢拱架分别焊接，最后将定位块满焊接在钢拱架上，施工中防止其变形移位，板平面与锁脚桩设计轴线垂直；定位块占用既有初期支护中的钢筋位置时，将钢筋与定位块焊接固定。

(4)钻孔：采用锚固钻机钻孔，根据孔位准确安装固定钻机，精确调整机位；将锚固钢管套入定位块孔内并抵紧围岩，用偏心钻具跟管钻至孔底，再用钻机退出锚固钢管至设计锚固位置，形成集水孔。

(5)安装注浆及排水装置：①焊接排水钢管和内堵头板，钢管进水口穿出内堵头板约0.2 m，管轴线与内堵头板板面保持垂直；②制作架线环，并将其和注浆管、排水钢管用扎丝绑扎固定，注浆管的出浆口距离内堵头板0.2～0.3 m；③将O形止水圈嵌套于内堵头板外缘凹槽处，为防止止水圈脱落，可采用防水胶粘贴固定，然后将上述装置缓缓送入锚固钢管内；④安装外封头板，并与锚固钢管、排水管分别满焊连接。

(6)焊接锁脚桩：将锚固钢管与拱架上的定位块焊接形成整体，需要时可用8 mm厚梯形加劲板将钢管外壁和定位块之间按竖向一字型或竖向、横向十字型焊接加强。

(7)填补工作坑洞：用混凝土掺加适量速凝剂填平工作坑洞，施工时避免混凝土堵塞管口。

(8)锚固段注浆：①连接注浆管、止浆阀和压浆机；②选用水泥+水玻璃双液浆注浆，注浆采用孔底返浆的方式，初始注浆压力宜控制在0.5～1.0 MPa，至排气孔口溢出新鲜浆液时用木塞或堵头封堵排气口，终压宜控制在2.0 MPa，并持压5 min后关闭止浆阀。

(9)钢管排水锁脚桩纵梁安装：依次安装上下型钢纵梁，型钢纵梁与锚固钢管之间的缝隙处用钢垫板垫塞并焊接成整体，型钢纵梁与钢拱架之间焊接后再用加劲钢板焊接加强。

(10)工后下一级台阶开挖方法：施工完成钢管排水锁脚桩后，开挖下一级边墙部位时，采用短进尺开挖工法并采取措施减弱对边墙处的围岩扰动，一次开挖不宜超过3榀拱架宽度，开挖后充分清除破碎岩体及虚渣，超挖量较大时采用M10浆砌片石回填密实或补注浆处理，也可采用模筑混凝土填充密实，充分利用锁脚桩和新做的边墙支护提高隧道初期支护系统的稳定性。

3 结束语

在围岩预注浆条件不理想情况下，用较大直径钢管替代 常用的钢筋锚杆和注浆小导管锁脚，其强度更高、刚度更大，通过注浆法固结周边围岩和锁定桩体，利用锁脚桩提高对上方围岩和初期支护的承载能力，在桩内设置的排水管道，具有排放裂隙水，缓解围岩富水压力的功能，实施后效果良好。在隧道穿越富水断层破碎带类不良地质段时，采用钢管排水锁脚桩可以实现同时加固拱墙初期支护和排水降压的功能，降低富水破碎带隧道施工的安全风险。