九景衢铁路某隧道位于江西省上饶市婺源县赋春镇境内,穿越低山丘陵区,隧道全长1 963m,隧道埋深0~90m;该隧道为时速200km客货共线铁路双线隧道,隧道内铺设有砟轨道,线路纵坡为5.3‰的单面上坡。隧道开挖共设进口、出口方向2个工作面,三台阶法开挖。

该破碎段里程为DK167+540—DK167+580(40m),为地表浅埋地段,最大埋深32m,通过地表钻探和水平地质钻探确定,该段落围岩地质破碎,岩溶裂隙发育,DK167+542—DK167+551范围内有较大溶洞或溶槽,有淤泥质黏土夹砂砾石等填充物。基岩裂隙水发育,个别段内有股状水流出,经现场对实时流量进行测量,测得实时流量为0.027m³/s,折合2 333m³/d。

隧道进口方向正洞上台阶开挖至破碎段时,出现了涌水、流砂、流泥。此隧道为江西段最后一个未贯通隧道,工期要求较高,为重点控制工程,经研究,决定采用超前预注浆措施通过破碎段,保证开挖施工安全。

根据现场地形地貌及洞内实际情况,拟采用以下2种超前预注浆方案。

1)方案1洞内超前预注浆+大管棚超前预支护

在隧道内剩余开挖段落两侧采用两端夹击、注浆加固、管棚支护的施工方案。注浆纵向加固范围40m,上断面为DK167+537.5—DK167+582.5段共计45m(含两侧止浆墙2.5m),下断面为DK167+537—DK167+583段共计46m(含两侧止浆墙3m)采取“两端夹击”的方式实施,纵向两端加固范围搭接3m。径向加固范围为开挖面及开挖轮廓线外5m。隧道破碎段属浅埋段,为保证隧道安全贯通,在隧道掌子面拱部范围内沿开挖轮廓线外布置超前大管棚刚性支护措施,两端打设,纵向搭接长度3m。

2)方案2地表袖阀管注浆超前预支护

隧道破碎段为地表浅埋段,具备在地表注浆施工条件。可在DK167+540—DK167+580破碎段地表实施袖阀管注浆。

3)方案比选

目前国内隧道内超前预注浆工艺及地表袖阀管注浆工艺均十分成熟,在超前预注浆方案比选时,考虑到隧道地表地形施工条件较差,35m孔深以上的孔钻孔效率较低,对比地表袖阀管注浆预加固方案,洞内帷幕注浆+大管棚施工方案在此段隧道施工条件下的操作性更强,且有大管棚作为刚性支护,隧道开挖时安全性更高,采用洞内超前预注浆方案作为本段隧道的超前预加固手段(见表1)。

结合方案对比情况,综合考虑现场施工条件和工期要求,决定选择专业的施工队伍,通过洞内掌子面上半断面进行全断面帷幕注浆,并在注浆施工结束后打设大管棚,起到超前支护作用。

3.2.1注浆材料

快硬硫铝酸盐水泥具有初凝时间短、结石率高、结石强度高,且具有微膨胀性等特点,在泥砂质地层使用较多,效果明显,因此,该破碎段选取快硬硫铝酸盐水泥单液浆作为主要注浆材料。普通水泥-水玻璃双液浆材料源广,凝胶时间可以调节控制,结石体强度高,且无毒性污染。该浆液堵水加固效果很好,因此,决定采用水泥-水玻璃双液浆作为加固该破碎段的辅助注浆材料。

根据地质情况,在现场同条件情况下进行浆液配合比试验。现场使用的注浆材料的配合比参数及性能指标如表2所示。

3.2.2注浆施工参数

1)浆液在该地质条件下的扩散半径

在现场选取不同位置,钻孔注硫铝酸盐水泥单液浆,通过探孔检验浆液在破碎段的扩散范围,测出浆液在破碎岩层中的扩散半径为2.3m,方案设计取2.0m。

2)径向加固范围

加固层既要保证能采取爆破法或机械开挖施工,同时又要从经济效益方面考虑。根据力学计算和以往的施工经验,设计加固厚度为开挖面及开挖轮廓线外5m。

3)单孔注浆量

式中:Q为单孔每米注浆量(m³);R为浆液扩散半径(取2.0);α为有效注浆系数(取0.8);β为浆液损耗系数(取1.05);η为地层空隙率(取15%)。

计算出单孔单段注浆量Q=1.583m³,取Q=1.58m³。

3.2.3注浆孔布设(见图1)

3.2.4注浆施工工艺流程

注浆施工工艺流程如图2所示。

3.2.5超前管棚支护

为保证破碎段开挖施工的安全性,在拱部120°范围设置超前大管棚。大管棚采用外径89mm、壁厚5mm热轧无缝钢管加工,节长3~4m,每节管棚沿管壁布设ф6mm对称溢浆孔,梅花形布设,孔间距50cm,每根管棚末端2m不布设溢浆孔,前端加工成锥形尖端并封闭。每节管棚两端加工成公母丝扣,连接后用钻机顶入孔内。管棚安设完成后进行全孔一次性注浆(见图3)。

3.2.6注浆效果检查

1)钻检查孔通过对检查孔进行观察,察看检查孔成孔比较完好,未坍孔,无涌水、涌砂、涌泥。放置一段时间后再次观察,检查孔未坍孔,无涌水、涌砂、涌泥。

2)开挖过程跟踪开挖效果较好,无坍塌现象。开挖面浆液分布较为均匀,浆液加固脉络明显,充填效果较好,测浆液扩散半径R为2.0~2.4m。

开挖采用微弱爆破法施工,每循环进尺选取0.6m,开挖揭示较为破碎段采用人工配合机械开挖。

通过对破碎段开挖的施工监测,可随时掌握支护和围岩变形情况,保证隧道安全开挖;且可根据围岩的变形情况、稳定程度预测变形趋势,动态调整开挖方案。开挖过程中适当加密监测点和监测频率,及时收集监测数据,形成监测成果,便于分析初支变形情况。

1)隧道采用洞内超前预注浆方案成功完成隧道破碎段开挖,使隧道在保证安全的情况下按时完成贯通任务,创造了巨大的经济和社会效益。

2)开挖揭示情况表明,围岩经超前注浆加固后增加了整体性,围岩变形较小,开挖安全可控。

3)洞内超前预注浆施工达到了封堵裂隙水的目的,避免了开挖过程中可能出现的突泥、涌水问题。

4)隧道开挖遇到破碎段时,不要为抢进度盲目开挖,如冒险掘进引发突泥、涌水风险,不只造成更多的经济投入,还会给掘进工作造成更大难度,导致事倍功半,还会给支护结构造成影响,增加原本可以避免的后期投入。

5)选择超前注浆方案时,根据地质特点及现场施工条件,选择合理的超前预注浆方案,不仅可以更好地达到预期目的,还可以提高经济性。