软岩的基本特性主要表现为强度低、易风化、孔隙比大、容重小、易渗水等,具有显著的膨胀性和明显的时效特性,往往对隧道施工安全和工期造成严重影响。国内外学者曾对软岩隧道大变形隧道的支护及变形控制技术问题做了大量的研究,于学额等提出的“轴变理论”和“系优开挖控制理论”,冯豫等在总结新奥法支护的基础上,提出了“联合支护技术”,郑雨天等提出了铺喷-弧板支护理论,董方庭等提出围岩松动圈理论,何满潮院士提出了软弱围岩工程力学支护理论等,但隧道围岩大变形问题和支护方法和理论方面的问题尚无系统解决,至今尚未列入设计规范。

软弱围岩工程地质力学问题十分复杂,隧道超前支护理论方面虽然有超前锚杆、超前小导管、水平旋喷注浆、机械预切槽法、超前管棚法以及顶管预支护等多种方法,但关于深埋软弱围岩的概念、分类、各类软弱围岩的变形力学机制、软弱围岩难支护的原因、软弱围岩支护的力学原理、支护原则与支护对策等一系列的软弱围岩工程地质力学理论方面的问题仍需进行深入研究。

隧道超前支护是对隧道拱顶不稳定,地表面下沉等不良地质条件采取的控制方法和对策,以减小掌子面前方围岩的先行位移,加固掌子面前方围岩,实现隧道施工安全,支护结构有利用隧道纵向刚性的梁结构、利用隧道横向刚性的拱形结构和掌子面纵向注浆加固3类。超前锚杆是沿隧道开挖面外轮廓钻孔,插入钢筋杆体并用水泥砂浆使杆体与围岩固结成整体,用于支护上部临空围岩和传递拱部荷载,超前小导管与超前锚杆使用空心钢管代替超前锚杆支护上部临空围岩和传递拱部荷载,同时管壁预留注浆孔,压力注浆并渗透扩散管周与围岩咬合搭接形成一定厚度的超前锚杆加固圈后,实现超前支护的目的。当围岩破碎或易产生坍塌时常使用支护性管棚与型钢钢架组合成预支护体系,或沿隧道外轮廓切割切槽并填筑混凝土等材料形成隧道预支护拱,提高隧道稳定性,控制地表沉降量和防止坍塌。

20世纪70年代日本提出了喷射注浆法改良围岩的物理力学性质对围岩进行加固,在水平钻孔内旋喷注入水泥浆或水泥-水玻璃双浆液,与围岩进行搅拌混合形成相互咬合柱体,实现隧道开挖轮廓外形成拱形预衬砌的超前预支护,该方法适合于软弱围岩隧道,也曾有案例取得了较好的应用效果。

宝峰隧道里程为DK10+338—DK17+715,全长7 377m,位于滇泄盆地与玉溪盆地分水岭地带构造侵蚀区,地形波状起伏,横向冲沟发育;地表为第四纪全新世和晚更新世坡积、残积粉质黏土、碎石土,厚度2~12m;基岩主要为第三纪灰色、深灰色泥质胶结砂岩与泥岩互层,间夹炭质泥岩等,厚度100~200m,层状结构,节理裂隙发育,具水平层理和交错层理;基下为震旦纪昆阳群黑山头组板岩夹砂岩、灰岩、泥岩和页岩等。

宝峰隧道DK11+400—DK11+500下穿高速公路段斜交下穿既有昆玉高速公路,夹角25°,拱顶埋深约69m,地质构造发育,有多条走向近北东向大断层和近东西向褶曲通过,裂隙十分发育,走向近北东向,岩石为全风化,破碎,工程地质条件差,岩石为泥岩和砂岩互层,泥质胶结,强度低,含较多的膨胀性矿物,具有弱至中等膨胀性,如表1所示,地下水十分丰富,渗透系数0.1~0.5m/d(1.16×10^-4~5.8×10^-4cm/s),地下水降深影响半径10~20m。隧道围岩软弱,变形大,现场确认隧道围岩等级为Ⅵ级,多处变形量达140cm以上,施工中已累计换拱885m,严重地影响隧道的施工和工程质量。

宝峰隧道设计为Ⅴ级围岩,开挖断面137.04m²,初支20b型钢,间距50mm,初支喷射混凝土强度C25,厚度27mm,二衬为C35钢筋混凝土,厚度50mm,ф42超前小导管支护,开挖方法采用三台阶法,当隧道大里程掌子面开挖至DK11+469时,核心土右下侧部位发生开裂,并在裂缝中有大量饱和状粉细砂涌出,随后发生多次流砂现象,涌水砂量≥0.8L/s,导致昆玉高速公路DK11+469附近玉溪方向右侧路堑位置出现陷坑,虽然采用了大管棚支护技术和全断面帷幕注浆方案进行处理,但均以失败而告终。

2013年以来根据宝峰隧道的工程地质条件,经过多次的现场试验确定了超前注浆预衬砌的支护方法新方法,采用“双排ф600mm高压咬合水平旋喷桩与内层插入ф108mm大管棚注浆,在隧底纵横竖向网格旋喷桩ф600mm,在掌子面ф500mm旋喷桩”的支护新方法,同时原设计Ⅴ级围岩改为Ⅵ级抗水压围岩,开挖断面加大至151.46m²,初支改为I25a型钢,间距50mm,初支喷射混凝土强度更改为C30,厚度更改为33mm,二衬更改为C35钢筋混凝土,厚度加大至80mm,超前注浆预衬砌按照隧道断面拱墙范围设置,拱墙、掌子面和拱脚,桩长一般按24m,锁脚桩长6m,隧底桩长按照设计底高程低5m控制,开挖方法采用三台阶七步法,方案设计如图1所示,详细施工参数和施工措施如下。

拱部180°范围内设双层旋喷桩,内外环间距40cm;边墙范围设单层旋喷桩,每根长度24m(搭接5m),桩径600mm,环向间距400mm(咬合20cm),设计外插角约3°19',以保证下一循环有≥1.1m的旋喷桩施作空间,施工中结合全风化砂岩分布范围进行调整。为提高超前咬合桩抗剪强度,拱部180°范围内层超前咬合旋喷桩完成后钻ф127mm孔,然后放置ф108mm钢花管,并注水泥浆填充,钢花管壁厚8mm,长度24m。

为确保掌子面稳定,设置超前ф500mm旋喷桩加固地层,掌子面超前旋喷桩按水平方向打设,桩中心间距1.5m×1.5m,梅花形布置。

DK11+398—DK11+474段洞身的饱和状全风化粉细砂具有一定的渗透性,受开挖扰动和地下水渗透作用,其物理力学指标降低,自稳性极差,呈流塑状砂(泥)流出,且现场已发生多次局部流砂现象,隧底采用网格状竖向咬合旋喷桩约束土体变形加固方案。

旋喷桩施工前先施作2.0m厚混凝土止浆墙,待止浆墙达到一定强度后,采用HTC-200型钻机进行钻孔,并在止浆墙处安设孔口管。然后采用三叶钻进行钻孔至设计长度,在钻孔过程中采取密封措施保压钻孔及旋喷,减少在旋喷桩施工过程中的失水失砂现象,确保上方岩层稳定,使水砂流失量比水泥浆的旋喷及注浆量小,保证孔内岩层浆液充盈。钻具采用双管钻具“钻孔-旋喷”的工艺,避免了钻孔到指定深度后退杆更换旋喷钻头过程中防护不到位出现的塌孔突水涌泥的风险。采用双管工艺在具备旋喷施工条件后不用更换钻具,直接打开旋喷通道即可进行施工作业。在硬岩、泥岩及砂带与泥质板岩等夹层位置采用双高压旋喷,利用新改装的双管道钻具配合2台132k W的高压注浆泵同时对土体进行高压旋喷切割,切割更均匀,进浆量更充裕,置换效果更好,确保了桩径、咬合质量及均匀连续性。

旋喷桩在施工中控制好压力、钻进速度及旋喷时的退钻速度,在砂层内的成桩质量是可以保证的。采用42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比0.8∶1~1.2∶1,并掺入适当的速凝剂。高压旋喷参数:旋喷压力35~40MPa;旋转速度15r/min;拔杆速度10~20cm/min。

精度控制可采用:①使用导向钻头,配合预埋设天线,随时监控和调整钻进角度;②严格控制开孔入孔角度。

1)钻机等相关设备安装调试完成后,在指定位置进行水平旋喷桩施工钻孔;按照施工要求进行中心线测量核实钻机施工入孔左右角度,水平尺测量核实钻机入孔上下角度;确定好位置后先在厚度≥50cm的止浆墙内安装ф159mm法兰式孔口管并带止水阀门的限流装置,在钻进或旋喷时出水出砂异常情况时可封堵。

刚开始钻进硬岩层使用风钻钻进成ф100mm的孔,在含水量逐渐加大风力不能吹出渣土时更换合金钻头带水泥浆,利用水泥浆护臂钻进。

2)钻孔出砂(泥)出水控制

富水砂层中进行钻孔施工,保证孔径和钻具的一致性,能有效防止发生涌水涌砂;现在采用钻头直径为89mm,钻杆直径为83mm,施工钻头直径和钻杆基本相同,最大限度地控制泄水涌沙的通道;安装孔口限流装置,对照钻孔时高压泵进水量和孔口出水量进行限流调整,并对出水出砂异常情况进行封堵。

通过研究和改进,制作双管钻具,实现“钻孔-注双液浆”工序优化。施工采用双管钻具,外管路为钻孔用水供应通道,内管路为旋喷或双液浆注浆通道。在钻孔时出现突水涌砂立即停止钻进,关闭孔口止水阀门同时利用双管通道注入磷酸-水玻璃化学浆液先封堵,密封孔壁,可直接进行双液浆孔内封堵注浆,定钻旋喷,反复填充,保证孔内充盈固结,可通过外管或内管通道(根据现场浆液操作管路调整)注入水玻璃溶液,让孔口段水泥浆液迅速凝固,待浆液凝固后再采用二次成孔法钻进到指定深度。

3)旋喷作业时出砂(泥)出水控制

采用双管钻具“钻孔-旋喷”的工艺,避免了钻孔到指定深度后退杆更换旋喷钻头过程中防护不到位出现的塌孔突水涌泥的风险。采用双管工艺在具备旋喷施工条件后不用更换钻具,直接打开旋喷通道即可进行施工作业。

如果旋喷发生喷嘴堵塞,不能立即拔出钻具时,可以通过钻孔通道注入水玻璃等速凝剂,使孔内水泥浆液迅速凝固后,再拔钻更换维修。旋喷时采用孔口保压装置控制水泥浆液的返浆量,通过改变孔口止浆阀门大小来控制孔内流出量;当旋喷过程中突水突泥情况较为严重时,迅速关闭止浆阀门,用封堵材料封闭孔口,可进行双液浆孔内封堵注浆,再在该部位反复旋喷,完成施工或者稳定土体,控制风险。

根据宝峰隧道地质特点,特别是在富水砂层地段,采用双管旋喷施工工艺,在钻孔通道注入水玻璃等速凝剂,使用双液浆旋喷,可保证在富水或动水中快速凝固成桩。

旋喷完成后撤离钻杆,当采取措施进行封堵旋喷施工时,孔内产生较高压力的“水泥浆+砂(土)”混合搅拌体,采用双管钻具,注入水玻璃溶液,让孔口段水泥迅速凝固,保证拔钻安全。

为检验超前注浆预衬砌效果进行了现场取样,取芯率88%,旋喷桩成桩质量好,掌子面旋喷桩咬合在20cm以上。检验结果表明,部分桩孔存在断桩、颈缩以及扩大桩径的情况,但成桩直径均在32~65cm,桩长24m和18m时成桩质量和咬合效果基本一样。在板岩夹砂岩泥岩中,围岩稳定性好,但桩体存在局部不连续或断桩现象,当出现断桩时,桩体的直径也较小,一般在32~40cm;在饱和状粉细砂中,成桩也存在不连续,甚至1m范围内看不到桩,分析原因是因为粉细砂岩富水饱和,存在水囊和通道现象,使得水泥浆液不能形成桩,但是在地层中无水通道时成桩直径较大,基本在50~65cm;在不富水的粉细砂岩中,成桩连续,成桩质量良好,桩体直径也基本一致,桩体直径38~57cm。在粉细砂岩内桩体咬合在10~23cm;而在板岩、泥岩中基本无咬合,表明该类围岩稳定性较好,不需要进行预加固处理。

旋喷桩桩体强度值试验咬合桩取芯样一组,单桩取两组芯样,直径在40~50cm,进行抗压强度试验,试验结果,水灰比1.1∶1,1∶1和0.8∶1 3种情况的最小强度值分别为3.1,4.2MPa和7.0MPa,平均值5.2MPa,无不合格现象。

宝峰隧道DK11+474处施作第1环超前预支护水平旋喷桩加固完毕后,在开挖过程中掌子面没有出现涌砂(水)现象,掌子面揭露出来的粉细砂呈干燥状态,超前注浆预衬砌加固后隧道围岩稳定,施工过程对地表及洞内围岩进行了监控量测,沉降和收敛值在2~5mm,符合设计要求。目前该隧道已经按设计预衬砌支护方案顺利通过,表明超前注浆预衬砌支护方法可行,水平旋喷桩在宝峰隧道饱和状粉细砂地层中加固效果良好,有推广应用的价值。

软岩隧道超前注浆预衬砌支护新方法是软岩隧道施工中一种行之有效的措施和方法,可以有效减小隧道施工过程中地面沉降、隧道收敛变形和掌子面前方围岩的先行位移,加固掌子面前方围岩,实现隧道施工安全。虽然前人已研究了多种支护措施和方法,但均存在不同的问题和缺陷,本文以宝峰隧道为例,进行了超前注浆预衬砌支护方法应用技术研究,取得了较好的应用效果。

在饱和状粉细砂地层中超前注浆加固时,建议每一循环的高压水平旋喷桩最长有效长度以20~30m为宜,旋喷压力38MPa,拔杆速度13cm/min,旋转速度15r/min,浆液流量85L/min,能达到较好的注浆效果。

注浆预导孔施工过程中应严格控制好钻孔仰角和方位角,实现相邻桩体的相互咬合,使隧道拱顶形成一个连续的旋喷桩帷幕体,必要时可采取注磷酸水玻璃辅助方法,更好地实现止水效果。