软弱富水大变形隧道施工技术

王 荣

中铁二十局集团有限公司 陕西 西安 710016

1 概述

米亚罗3号隧道是汶马高速公路项目C18合同段的重难点工程。隧道地质条件复杂，受米亚罗断层及地震影响，岩体破碎、裂隙发育，岩体多被切割成块状，部分岩体松动变形。米亚罗3号隧道最大埋深285m，隧道围岩主要为板岩、变质砂岩、千枚岩等软弱岩体构成，受断层影响，裂隙发育，岩体极为破碎，隧道孔隙水与基岩裂隙水较发育，千枚岩遇水软化。特别是软弱富水地层、高地应力区的千枚岩板岩地层和断层破碎带等不良地层是诱发隧道拱顶坍塌，围岩大变形，突水突泥的主要原因。

根据米亚罗3号隧道工程特点以及施工技术方案，并结合施工现场具体应用状况，对隧道施工难题进行全面系统性分析，进一步对治理方案、方法进行科学总结，形成一套复杂地质条件下比较完备的施工技术，保障米亚罗3号隧道顺利建成[1]。

2 工程概况

汶马高速公路项目C18合同段，位于四川省阿坝州理县米亚罗镇境内，起讫里程K160+100～K168+400，线路全长8.3km，线路自米亚罗镇向西北行，穿越三家寨山，上跨G317国道，沿来苏河北行，经大郎坝村到达本标段终点。米亚罗3号隧道围岩主要为板岩、变质砂岩、千枚岩等软弱岩体构成，受断层影响，裂隙发育，岩体极为破碎，隧道孔隙水与基岩裂隙水较发育，整体属Ⅳ～Ⅴ级围岩。依据C18合同段地质资料，整条线路穿越了大量复杂不良地层，施工过程中面临诸多技术难题，为整条线路按期顺利完工造成了一定的影响。

3 施工技术及施工工艺

3.1 隧道高地应力大变形施工技术

3.1.1 隧道高地应力场预测

依据本标段地应力测试资料以及计算结果，区域最大水平构造应力方向为N60°W，米亚罗3号隧道轴线附近垂直方向地应力沿地形线向下逐渐增大，隧道穿越区域，最大水平主应力值为：13-23MPa，出口与进口处较小；垂直主应力值主要为3-13MPa，在最大埋深处应力达到峰值；最小水平主应力值5-12MPa。米亚罗3号隧道最大主应力方向主要在N50°W-N70°W，利用断层力学分析法可得该区域隧道三向主应力关系应为SH＞SV＞Sh，米亚罗3号隧道局部存在高地应力。可以预测该隧道发生大变形的可能性很大[2]。

图1 米亚罗3号隧道地应力场纵向分布

3.1.2 软弱围岩大变形施工技术

软弱围岩隧道极易引起围岩变形和失稳。结合米亚罗3号隧道地质情况，施工过程中严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、少扰动、强支护、快加固、早成环、勤量测”的原则作为软弱围岩支护的主要支护手段，调整施工方法、支护结构型式和支护时间等，能有效控制软弱围岩大变形的发生。

（1）开挖方法

在高地应力软弱大变形隧道施工中，加强围岩量测，及时调整支护参数与预留变形量，以确保施工安全与结构稳定。

根据米亚罗3号隧道围岩实际情况，在软弱围岩隧道施工中，使用三台阶预留核心土法施工工艺简单，作业空间大，方便大型机械设备的操作。

（2）支护施作

支护参数应根据监控量测数据进行动态设计，随时对大变形地段施工进行加固及支护参数调整措施。

正常段采用Ⅰ22b工字钢型钢钢架支护，间距0.5m/榀，超前采用φ42超前小导管进行支护，环向间距为40cm，外插角控制在10°～15°，相邻两排小导管纵向搭接长度不小于1m；系统锚杆采用φ32自进式注浆锚杆，锚杆的长度为6.0m，并对锚杆进行注浆[3]。

（3）径向注浆加固

对于高地应力大变形段围岩自稳能力差，岩体结构松散破碎地段，单靠开挖后正常支护不能起到良好的支护效果，必须对已施作完成的初期支护围岩进行注浆加固措施。径向注浆采用T76S自进式锚杆，长12m+6m，长短交替布置，环向间距*纵向间距1.5m。

自进式锚杆钻进：钻孔前应检查锚杆体中孔和钻头的水孔是否畅通，若有异物应及时清理。在破碎岩中钻进时，钻头的水孔易堵塞，因此在钻进时，应放慢钻进速度，多回转，少冲击，注意水从钻孔中流出的状况，若有水孔堵塞的现象，应后撤锚杆50cm左右，并反复扫孔，使水孔畅通，然后慢慢推进，直到设计深度。用钢管将止浆塞通过锚杆外露打入孔壁封孔进行注浆，围岩较为破碎可采用锚固剂封孔。

锚杆注浆：径向注浆采用普通水泥单液浆，水灰比：W:C=(0.8～1):1，注浆压力1.0MPa，注浆过程连续不停顿，必须一次完成，观察浆液从止浆塞边缘流出或压力表达到设计值，即可停泵，浆体强度达到5.0MPa后可上紧螺母。

（4）二衬施工要点

施工必须遵循“先柔后刚、先放后抗”的原则，根据监控量测资料，各项位移已达到预计位移量的80%，或速度小于0.1～0.2mm/d，时施作二衬。对于软岩大变形隧道，可提前施作二次衬砌。控制初期支护不得侵入二次衬砌。

3.2 特殊不良地层加固技术

3.2.1 断层及破碎带管棚超前加固技术

在隧道施工中常会遇到断层及破碎带，易引起隧道洞内拱顶围岩失稳、坍塌等安全问题时，宜采用大管棚超前支护。米亚罗3号隧道左线：ZK161+764至ZK161+780；右线：K161+723至K161+748；右线K163+173至K163+213段采用大管棚超前支护。

管棚施工避免洞内大管棚侵入隧道净空，洞内应该增设管棚工作室，应比设计断面大30～50cm，长度应满足钻机作业要求。施工导向架，安装φ127导向管，长度为2m。

（1）管棚施工工艺

大管棚采用φ108、壁厚6mm热轧无缝钢管制成。大管棚环向间距40cm，外插角1°～2°，拱部120°布设。为提高导管的抗弯能力，在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由4根主筋和固定环组成，主筋采用Φ16，固定环采用φ42短管节，节长5cm，将其与主筋焊接，按0.5m间距设置。

（2）管棚钻孔

钻孔过程采用测斜仪量测钻进的偏斜度，以准确控制钻机轴线方向，使钻杆以1°～3°的外插角前进，每钻完一孔应立即安设一根钢管。

（3）钢管加工

第一节钢管一端15cm长管壁4等分，用石笔画出4个三角形，用氧气切割掉4个三角形后，用大锤敲打切割好的4个齿牙，使合拢在一起，形成圆锥形，用电焊焊接牢固[4]。

（4）钢筋笼加工

先将φ42钢管用砂轮切割机切割成5cm长的短节做为固定环，环外壁上事先画上4等分线，2根Φ16钢筋放在制作台上，放上固定环，使钢筋和固定环的接触面与等分线重合，按50cm间距焊接固定环，焊接牢固后，用同样的方法焊接其余2根Φ16钢筋。

（5）顶管

钢管顶进采用机械配合，利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管，钢管轴线与导向管轴线基本一致，送入第一节钢管后外露20cm，安装已车好丝的外套φ114钢管，使丝扣连接15cm，用电焊焊接外接口，焊好后连接第二节φ108钢管，丝扣连接15cm，焊接外接口，第二节钢管送入方法同第一节，依此类推安装完一根钢管。

（6）钢筋笼安装

钢管按设计长度安好后，穿入已加工好的钢筋笼，将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，并在外露端钢管焊上法兰盘及阀门，焊接密实。

（7）注浆

注浆时，单液水泥浆可直接注入，水泥—水玻璃浆液利用三通管同时注入。注浆压力初压一般为0.5～1.0MPa，终压为2.0MPa，持压15min后停止注浆，关闭阀门。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，方可终止注浆。

3.2.2 突水突泥注浆加固技术

隧道施工突水突泥时有发生，对隧道开挖掌子面前方的水源探测，总是存在不确定性。施工时加强超前地质预报，采用先进可靠的预报方法：TSP203地震波法和超前钻孔等，根据预报成果采取相应的处理措施，制定施工方案。

（1）突水突泥防治原则

坚持“超前预报、以堵为主、堵排结合、限量排放”的原则，对大的突水进行注浆封堵，对小型突水进行排放，避免地下水大量流失。

（2）突水突泥探测

米亚罗3号隧道全程施作TSP203超前地质预报。对突水段采用超前水平钻孔探测前方地下水状况。超前地质水平钻施作4个探孔，钻孔直径采用φ75，活动断裂带超前探测长度80～100m，搭接长度不小于10m,其余地段超前探测长度不小于30m，搭接长度不小于5m。

（3）突水突泥帷幕注浆治理方案

隧道围岩软弱破碎、地下水丰富、流沙层、人工回填土，围岩稳定性极差，需要加固方可开挖的隧道。帷幕注浆对软弱、富水段、突水突泥、碎屑流等地层的固结效果优于其它措施。米亚罗3号隧道右线：K163+223～K163+163段采用帷幕注浆加固处理[5]。

图2 帷幕注浆示意图1

图3 帷幕注浆示意图2

a止浆墙施作

上台阶清碴尽可能靠近掌子面后，开始施作止浆墙。采用C35模筑混凝土施作，厚3.0m，施工空间高度为4.5m。周边和下部与开挖轮廓线的接触部用直径Ф22的螺纹钢筋3排连接，止浆墙底部要向下挖3m宽，0.8m深一个矩形槽，拱顶部位间隔预留5根直径φ42的4m长小导管，小导管前2m加工溢浆孔，待止浆墙浇筑完成后，在止浆墙周边施工缝处实行喷射混凝土施工，防止止浆墙与周边注浆跑浆，混凝土浇筑必须振捣密实，防止漏浆，止浆墙完成后，对小导管先进行注浆。

b场地平整

为了满足钻机施工作业要求，必须在止浆墙后方预留12m长的作业平台，并整平压实。

c注浆参数

表1 注浆参数表

d注浆材料

注浆材料采用普通水泥添加早强剂水泥浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆、普通水泥单液浆为铺。普通水泥-水玻璃双液浆，水灰比为：W:C=(0.8～1):1，水玻璃浓度为30～35°Be’；普通水泥-添加剂浆液，水灰比为：W:C=(0.8～1):(1:0.1)。

e注浆顺序

注浆顺序按“由外到内、由下到上、间隔跳孔”的原则进行，以达到控域注浆，挤密加固的目的。

f钻孔注浆工艺

先用钻机钻孔深1.5m，直径φ114mm的钻孔，安设固结1.5m长φ108mm孔口管。通过孔口管钻设φ90mm注浆孔，钻到5m深时开始实施注浆作业。采取复合式分段注浆工艺进行钻孔注浆施工，注浆分段长度4～6m。即钻进4～6m，注浆一次，注浆结束后再钻4～6m进行注浆，当前进注浆到10m以后，就一次性钻孔到该循环注浆设计里程，直接采用后退分段注浆工艺完成该孔作业；依次循环，直至结束注浆。

g注浆结束标准

全部注浆孔注浆完成后，在主要出水点附近设至少5个检查孔，测孔内涌水量或进行压水实验，若满足设计要求，则可以开挖，否则进行补注浆。

4 结束语

通过研究为汶马高速公路的安全顺利贯通提供有利保障，项目研究成果可以解决在施工环境特殊复杂地区施工隧道时所面临的一系列关键技术难题，最大限度的保障隧道在建设和运营过程中的环境和结构安全，具有显著的社会效益。