兰渝铁路仓园隧道穿越全国第二大泥石流沟———甘家沟, 且该泥石流堆积体埋深浅、富含地表水及地下水, 围岩孔隙率大, 易发生渗水现象, 引发隧道塌方冒顶等工程事故, 如何有效对穿越泥石流堆积体隧道进行防水处理, 保障隧道开挖质量与安全已成为亟需解决的问题, 目前国内对于该问题的研究仍存在不足。结合仓园隧道工程实例, 对穿越泥石流堆积体隧道防水关键技术进行研究。

仓园隧道为单洞双线隧道, 起讫里程为DK378+170.000—DK378+885.000, 位于甘肃省陇南市武都区汉王镇。隧道全长715m, 最大埋深80m, 最小埋深14m。洞身DK378+380.000—DK378+643.000段为下穿甘家沟泥石流浅埋段, 总长263m, 占隧道全长的37.7%。隧道初期支护厚27cm, 二次衬砌厚50cm, 仰拱填充厚163cm。

甘家沟泥石流极其发育, 具有汇水面积大、可移动土石方量大、泥石流形成区山坡坡度陡、侵蚀模数大、最大冲出量多等特点。该泥石流堆积体主要由细角砾土、砂质黄土、千枚岩及风积黄土构成, 隧道穿越泥石流沟段为泥石流洪积角砾土夹砂质黄土薄层, 内摩擦角为35°, 内摩擦系数为0.62, 隧道围岩强度低, 开挖后很有可能无法保证其自身稳定性, 加之开挖断面大, 且围岩富含水, 易冒水突泥, 诱发坍塌等安全事故。

隧道穿越泥石流段地下水渗透系数为1.34m/d, 单位正常涌水量为4 080m³/ (d·km) , 历史最大涌水量为12 240m³/ (d·km) , 预测最大总涌水量为3 219m³/ (d·km) 。

针对隧道渗流水潜在风险特征及施工采用的三台阶七步法暗洞开挖形式, 施工过程中应注意以下问题。

1) 先在地表进行有效处理, 如采用地表注浆技术阻断地表水下渗;再采用深孔帷幕注浆技术对结构松散的破碎围岩体进行加固处理, 对洞内地下水进行有效隔断。

2) 根据软弱、破碎围岩变形规律, 且地表水、地下水发育, 围岩在掌子面前方较大范围内已发生变形, 如果地表水下渗, 不采取措施将使围岩变形显著增加, 并带动掌子面周边土体变形的发展, 故隧道围岩加固及止水、防水尤为重要。

洞身下穿甘家沟泥石流浅埋段采用地表注浆技术有效控制地表水, 截排洞顶雨水, 从而形成防护壳体, 防止地表水下渗;利用地下深管帷幕注浆技术进行围岩加固处理, 有效防止地下水发育, 防止水渗入隧道基底, 进而达到优化地层岩性的目的, 重塑结构稳定的围岩。

洞内对掌子面进行封闭处理, 通常采用混凝土止浆墙, 墙厚≥1m, 防止压浆时浆液漏出。也可采用锚杆、挂网喷射混凝土作为止浆墙, 喷射混凝土厚度通常≥30cm。

对地面进行整平, 修建施工便道, 准备施工用风、用水、用电设备, 完成钻孔及压浆机械选型配置、人员配置、材料采购等准备工作。

依据设计方案对钻孔进行编号, 现场测放每个钻孔孔位, 采用木桩标定位置, 并标定钻孔顺序及钻进深度。各钻孔间距1m, 通常按梅花形布置孔位 (见图1) 。

对施工场地进行夯实、整平处理, 根据前期测量标记位置就位钻机, 钻机安装过程中保证其稳定性及钻杆垂直度。

采用跟进式套管钻机进行成孔。钻机钻进过程中利用水平尺对钻杆垂直度进行校正, 并根据需要调整机座位置, 以保证钻孔垂直度满足要求。及时测量钻进深度, 应钻至设计标高下0.500m。操作完成后将钻杆退出并及时对钻孔进行校验, 当钻孔深度达到要求后才能下放注浆管进行注浆。

验孔时主要检查孔深及垂直度。要求深度不得小于设计值, 垂直度利用测斜仪检查, 偏差≤1%。

钻杆拔出后立即安装注浆管。在注浆管管壁钻10mm孔洞, 间距30cm, 按梅花形布置。钻孔范围根据注浆范围确定。管口位置通常高出地面0.5m, 便于施工。安装千分表用于压浆时测定注浆压力值。

为保证注浆质量, 注浆前进行堵孔处理, 利用4mm厚钢板对注浆管尾部进行焊接处理, 沿贴近导向管管壁位置切割20mm孔洞, 并焊接同孔洞直径、长150mm的钢管, 用30mm高强胶管紧套注浆管, 注浆管直径为20mm, 方便封堵设置于尾部的止浆阀门。

钻孔注浆前, 为达到最佳地表注浆效果, 首先确定试验孔浆液配合比, 准确测定浆液扩散半径。

注浆试验时检测浆液孔隙率, 并根据孔隙率选用适当方法处理。当孔隙率较小、浆液裂隙较细时, 应选用掺加适量外加剂的水泥基注浆材料, 外加剂应具有较强的扩散性, 该水泥基注浆材料可灌注、填充<0.2mm宽的缝隙;当孔隙率较大、裂缝宽度>0.2mm且上述处理方法不适用时, 可选用胶凝时间为4～6min的水泥浆单浆液进行优化;当注浆范围内地下水流速较大时, 应注入中粗砂或岩粉等惰性材料, 起到填充过水通道、增加浆液流动阻力、减少跑浆的作用, 并注入水泥浆液堵水。

通过堵水措施将动水变为相对静水后再注浆, 即设置堵截墙, 使用水泥-水玻璃双液浆快速胶凝料堵水。注浆管与孔壁间空隙应用水泥砂浆或黏土、麻丝填塞, 防止漏浆, 也可注入双液浆进行封堵。

根据浆液配合比 (水泥∶水=1∶0.7) 称取各材料用量, 合理准确地配制浆液。浆液配制过程中先加入符合配合比要求的水, 然后在搅拌机搅拌过程中加入规定量水泥, 最后将注浆液经筛网过滤清理异物 (如包装纸、块状水泥等) 并搅拌均匀后倒入贮浆桶。水玻璃采购时须检测浓度, 一般要求浓度为35～40°Be'。当水玻璃浓度大于此范围时可加水稀释, 用水搅拌的同时配合使用波美计测量, 直至达到要求范围。

作业段注浆管全部施作完成后再注浆, 采用全孔封闭整体注浆技术, 注浆压力控制为1.5MPa。使用压浆泵将双液浆注入注浆管, 浆液通过注浆管道孔洞渗入土层孔隙中, 水泥浆应连续压入, 不得中断。

地表注浆过程中先对周边注浆孔注浆以形成周边止浆墙结构, 防止跑浆。注浆采用GZJB型单、双液注浆泵, 当注浆终压达2.0MPa、注浆流量较小、吸浆量<1.0L/m、地表注浆压力持续升高3～5min后即可结束该孔注浆。

隧道位于R=10 000m的曲线上, 坡度为-8‰。隧道全长采用V级围岩加强衬砌, 对隧道边墙净空外以左8m至以右5m进行帷幕注浆, 注浆高度为隧道拱顶以上5m至边墙底部。采用89×5钢管作为注浆管, 在钢管端部注浆范围内制作花管 (在固结区设置出浆孔) , 将钢管从地表打至隧道边墙底部, 钢管间距1 000mm, 注浆深度一般为17～18m, 自下而上注入水泥-水玻璃双液浆 (水玻璃模数为2.6, 浓度为35°Be') , 从而形成帷幕保护。

1) 注浆前准备工作首先在全断面范围内封闭掌子面, 打入22mm锚杆, 同时在掌子面现有坡面上挂设钢筋网;然后喷射35cm厚混凝土;最后在拱顶及其周围已喷射混凝土位置再喷射10cm厚混凝土, 即可保证注浆时浆液不外泄。

2) 测量放线注浆孔布置为梅花形, 间距为1 000mm×1 000mm, 平面布置如图2所示。根据设计单位提供的注浆孔位及范围检测各注浆孔标高并记录。计算各注浆孔深度, 并进行编号。

3) 钻孔采用KP-2000型钻机钻孔, 根据注浆孔深度, 钻90mm孔至设计标高下0.500m, 利用水平尺对钻孔过程中的钻杆垂直度和机座进行检查校正。开始钻孔时速度较慢, 后期成孔速度为2～4h/根。

4) 下管先安装注浆管再退出钻杆, 及时验孔。当注浆孔垂直度及深度均达到要求后方可下注浆管, 试验段平均管长37.86m。为方便施工, 注浆管顶部应高于地面50cm。

5) 封孔同样利用4mm厚钢板对注浆管尾部进行焊接处理, 沿贴近导向管管壁位置切割20mm孔洞, 并焊接同孔洞直径、长150mm的钢管, 用30mm高强胶管紧套注浆管, 注浆管直径为20mm, 方便封堵设置于尾部的止浆阀门。

6) 注浆注浆初压控制在0.5～0.8MPa, 终压控制在2.1～2.5MPa, 注浆结束时关闭孔口注浆阀。按照先两边后中间的顺序隔孔间注, 每孔正常注浆时间为6～8h, 注浆量为10～20m³。

7) 注浆结束当注浆终压达到2.0MPa、注浆流量较小、注浆压力突然增加>2.5MPa、吸浆量<1.0L/m时即可结束该孔注浆。

对于穿越泥石流堆积体隧道段, 通过采用地表注浆技术在地表形成水泥土石, 防止水渗入基底加剧泥石流堆积体地层危害性;通过采取地下深孔帷幕注浆技术有效控制洞内拱顶沉降, 并对围岩起到良好的固结作用;将围岩裂隙内充满水泥浆液, 使裂隙水及地下渗水得到有效控制, 对掌子面加固防水具有良好的效果。仓园隧道应用地表注浆技术及洞内深孔帷幕注浆技术, 施工后未发现渗水、流水现象, 防水效果好, 保证工程如期进行。