暗挖隧道全断面止水帷幕施工技术研究

吴宝坤

（中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300000）

隧道在穿越山岭时往往会遇到不良地质情况，常见的情况有破碎岩层，软弱岩层，同时在山岭地区水系复杂在山岭岩层中富含地下水，当地下水集中在破碎软弱岩层中时是工程施工的隐患，山岭隧道开挖至富含地下水的破碎岩层带时，围岩容易产生坍塌、地下水涌出等施工风险。为避免破碎岩层和地下水给工程带来的风险，常见的隧道围岩预处理、预加固的方法有超前小导管预加固、管棚预支护等方法，这些方法在隧道施工时对围岩进行提前预加固使得围岩的承载能力得到提升。但是超前小导管在实施过程中使用的导管数量大注浆效果难以保证，管棚预支护工程量大需要使用的机械设备多工艺较为复杂，因此提出一种施工快速且注浆预加固效果好，实施过程便捷的隧道预加固方法。有学者对该问题进行了研究，吴松锋等对在富含地下水隧道中提出对围岩进行帷幕注浆堵水，建立注浆帷幕力学模型分析加固方案的效果[1]；刘香会等对钻孔参数、注浆量等参数进行合理设计探讨帷幕注浆对围岩、掌子面的加固止水效果[2]；于松波等针对地质环境差的特点提出帷幕加固的方案，通过观察拱顶变形、地表沉降等分析加固效果[3]。

根据已有学者研究[4-14]，基于黔张常铁路大坡隧道工程围岩的破碎情况复杂同时受到地下水的干扰，本文大坡隧道施工提出一种全断面止水帷幕的施工方法，止水帷幕通过注浆的方式提前对隧道轮廓线外的破碎岩层进行注浆加固，使隧道的整个外轮廓得到充分的注浆加固形成一个圆筒形的注浆保护层，浆体在破碎围岩形成帷幕能够增加破碎围岩的稳定性和有效防止地下水的侵入。

1 工程概况

黔张常铁路大坡隧道工程位于湘西龙山段境内，该段地质条件复杂受侵蚀溶蚀以及地下水影响大，山势陡峭多呈“V”型谷。大坡隧道全长6678米，双线隧道。该隧道辅助施工平行导洞5267米，进口平导设7 个横通道、出口平导设4 个横通道。大坡隧道褶皱和断层情况如表1。

表1 大坡隧道褶皱和断层情况

褶皱断层较多同时受溶蚀、地下水影响容易引起岩体坍塌、透水等，隧道适合采用采用全断面止水帷幕的施工方法。采用注浆固结的形式使隧道拱顶、两侧、仰拱外侧围岩得到预先加固处理。全断面注浆加固方法采用隧道开挖方向的方向进行，在掌子面设置止浆墙作为注浆的基准面，止浆墙上布设注浆钻孔，注浆钻孔内埋设注浆小导管。为保证注浆效果，对止浆墙与隧道岩面的空隙进行注浆封堵保证止浆墙封堵效果。帷幕注浆材料根据地质和地下水情况进行适当调整，主要采用硫铝酸盐水泥并对注浆效果进行评定。当隧道穿越围岩破碎带等地质条件较差的地段采用前进式注浆，并根据地下水流量分段前进式进行即每次向前进行注浆；当围岩较为完整时采用后退式注浆工艺，即开始注浆时喷出浆液的位置是注浆管的末端然后逐步向注浆孔孔口进行；不同的地质条件使用不同的注浆方式达到注浆效果的最优方案。

2 全断面止水帷幕工程参数

本工程所处地质环境受溶蚀、地下水影响严重，褶皱断层较多容易引起岩体坍塌、透水等，采用全断面注浆的方式对隧道围岩进行预加固。加固范围是隧道外轮廓线外5m，注浆范围包括隧道的拱顶、两侧以及仰拱，注浆固结的形态大致呈现沿隧道外轮廓线的圆筒状。全断面帷幕注浆的推进方向与隧道开挖方向一致，止水帷幕注浆每一循环30m，止浆墙厚度2m，其中止浆墙与掌子面形成相嵌状态，起到稳固掌子面岩层的作业；注浆孔扩散半径2m，孔底间距按3m布置。注浆钻孔直径采用130mm、长度1m 的无缝钢管，可以为后续注浆孔插入作导向和定位作业，注浆钻孔部需要安装牢固。止水帷幕外形如图1所示，浆液沿钻孔填充满岩层空隙区域和挤走地下水，随着浆液在的流动浆液压力不断减少直至停止流动，浆液在岩层裂隙中硬化从而提高岩层强度和阻止地下水渗入。

图1 帷幕注浆加固范围示意图

3 止浆墙及泄水孔施工工艺

止浆墙采用C20 混凝土，拱顶、两侧以及仰拱预埋设长度为2.5m 的Φ42 注浆小导管，对止浆墙与岩面间空隙进行注浆封堵，确保注浆封堵效果。止浆墙形状如图2所示，止浆墙与隧道的内轮廓和岩面紧密贴合，止浆墙的作用可以稳固围岩，并且可以为注浆孔和泄水孔提供作业区域便于注浆施工。

图2 止浆墙布置图

现场在掌子面后方2m，开挖轮廓线外1.5m位置左、右两侧分别布设泄水孔，孔深30m，终孔位于开挖轮廓线外10m。泄水孔布置如图2 所示。然后施做施工平台，施工平台位于止浆墙的后部，施工净空为不小于5m，纵向长度不小于16m。

4 帷幕注浆工艺

帷幕注浆的浆体采用硫铝酸盐水泥单液浆，其特性是早强快硬，注浆压力在2MPa-6MPa 之间，注浆能够迅速在注浆孔扩散到岩体空隙和封堵地下水。

4.1 注浆材料配合比

预先规划帷幕止水注浆的施工参数见表2 所示，浆液配比参数见表3 所示，一个循环的注浆包括止浆墙的制作、注浆形成的止浆盘、加固后的隧道开挖。由于暗挖隧道掌子面前方围岩和地下水千变万化，随时会面对不可预测的地质情况，因此需要实时对参数作出调整。

表2 帷幕止水注浆设计参数表

表3 浆液配比参数表

4.2 注浆效果评定

施工过程中对注浆困难、地质薄弱的区域进行记录，当进行注浆效果评定时需要对这些注浆孔的注浆效果进行全面评定，取孔数量为总注浆孔的5%～10%，评定的内容有出水量，成孔效果，岩层是否坍塌等。当发现注浆后止水预加固效果不佳时需要进行补孔等加强措施。

5 前进式注浆工艺

隧道穿越褶皱、断层破碎带、围岩接触带等地质条件较差的地段采用前进式注浆，其注浆剖面如图3，注浆沿隧道纵向向外发散式有利于加固隧道顶部、侧墙的松散围岩，注浆的要求主要有三个方面：

图3 注浆剖面图

a.确定注浆孔位位置，由于注浆方向是沿隧道外方向扩散需要准确确定钻进角度并进行钻孔作业；

b.钻孔的孔口外壁需要采用水泥基锚固剂锚固确保牢固不漏浆；

c.注浆采用分段进行即前进式分段，先进行靠近注浆孔附近的位置注浆然后向远离注浆孔的方向再进行注浆然后需要该过程。注浆过程需要根据岩体内水流量的情况进行，水量较大时注浆的影响区域适当降低即降低分段长度增加注浆次数，水量较小时注浆的影响区域适当增加即增加分段长度减少注浆次数。当水量小于10m3/h 时，前进式注浆的一次注浆长度控制在10m 范围，当水量在10～30m3/h 时，减少注浆的分段长度，控制在5m范围，当水量过大需要提前进行注浆加固。钻孔注浆工艺见图4所示，分段注浆如图5所示。

图4 钻孔注浆工艺流程图

图5 分段前进式注浆效果图

6 后退式注浆工艺

岩体较完整的地段采用后退式注浆，终压力达到2MPa。注浆前进行注浆试验从而确定注浆压力、注浆量、掌握注浆扩散范围等。后退式注浆采用钻至设计深度后采用后退式注浆，浆体通过钻孔进入破碎岩层后保持注浆压力保持2～3分钟保证浆体在这段时间内扩散到岩隙内然后后退钻杆进行下一段注浆，重复同样方法直至退杆到孔口位置，后退式注浆工艺流程如图6所示。后退式注浆的特点是一次钻进至设计深度然后从钻孔的最深处末端逐次分段向止浆墙方向注浆，该方法施工效率高，重复扫孔工作量小，后退式注浆顺序如图7所示，浆体之间实现重叠状态，浆体硬化过程后注浆体与周边岩体融合进行柱体。

图6 后退式注浆工艺流程图

图7 后退式注浆顺序示意图

7 隧道量测分析

对溶蚀破碎地层和富含地下水地质条件，采用全断面止水帷幕加固并配合使用前进式注浆和后退式注浆施工工艺，为评价施工方法的效果，确定隧道监控量测项目以及列出量测数据。

根据表4数据，采用全断面止水帷幕并配合注浆的隧道施工方法，注浆后10 天范围内隧道变形速率小于5mm/d,处于安全的变形速率范围内；注浆10 天后，隧道拱顶下沉和地表沉降处于平缓状态，变形较小。因此采用全断面止水帷幕加固并进行注浆加固处理是适合的。

表4 隧道量测数据

8 结语

黔张常铁路大坡隧道采用全断面止水帷幕加固隧道轮廓线外围岩，采用注浆固结的形式使隧道拱顶、两侧、仰拱外侧围岩得到预先加固处理。止浆墙作为注浆的基准面设置在掌子面上，止浆墙上布设注浆钻孔和注浆小导管。帷幕注浆材料主要采用硫铝酸盐水泥并对注浆效果进行评定。当隧道穿越围岩破碎带等地质条件较差的地段采用前进式注浆，并根据地下水流量分段前进式进行；当围岩较为完整时采用后退式注浆工艺；经过隧道量测数据分析，全断面帷幕注浆方法能够保证隧道施工的顺利推进。