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軟弱圍巖接觸帶高壓大涌水隧道開挖技術(shù)研究
摘要： 軟弱圍巖接觸帶地下水復(fù)雜、拱頂易坍塌、邊墻易收斂、圍巖變形大、監(jiān)控量測(cè)難。為了解決這些問(wèn)題，保證安全施工，對(duì)圍巖接觸帶高壓大涌水隧道開挖支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用在實(shí)際施工中，不僅保證了施工質(zhì)量和工期，圓滿完成了施工任務(wù)，而且有一項(xiàng)專利技術(shù)已授權(quán)，對(duì)同類工程施工具有借鑒意義，也具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 軟弱圍巖;施工技術(shù);高壓大涌水
引言
圍巖接觸帶屬于典型的不良工程地質(zhì)，構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，大多含有豐富的地下水，水頭壓力大，給隧道施工帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。新建東北東部鐵路通灌段工程雙嶺隧道圍巖接觸帶構(gòu)造發(fā)育，裂隙貫通，日涌水量超過(guò)23000m3，如何保證工程質(zhì)量和施工安全，解決高壓大涌水，預(yù)防坍塌，快速掘進(jìn)是工程建設(shè)中的難題。為了克服這一難題，筆者針對(duì)軟巖高壓大涌水的現(xiàn)象及成因展開分析，提出運(yùn)用隧道開挖施工技術(shù)對(duì)軟巖巷道進(jìn)行有效支護(hù)，提高圍巖的穩(wěn)定性，保證安全施工。其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)《隧道圍巖監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)》已獲實(shí)用新型專利授權(quán)，專利號(hào)：ZL 2011 2 0529270。
1、主要施工方案
1.1 地下水探測(cè)
根據(jù)碘化鉀溶于水并隨水流動(dòng)，碘化鉀溶液加入溴水反應(yīng)生成的單質(zhì)碘遇到淀粉變藍(lán)色的化學(xué)原理，施工前在隧道洞頂探坑及多處小溪中依次投放碘化鉀，然后在隧道內(nèi)提取水樣進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)，探測(cè)圍巖接觸帶復(fù)雜的地下水情況，分析測(cè)算地下水水量及水頭壓力。
1.2 選擇性帷幕注漿堵水
雙嶺隧道圍巖接觸帶構(gòu)造發(fā)育，裂隙貫通，日涌水量超過(guò)23000m3，為了給掘進(jìn)施工創(chuàng)造工作面，同時(shí)防止水頭壓力傳遞給圍巖導(dǎo)致圍巖坍塌，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)涌水股流位置采取選擇性注漿堵水，即對(duì)水流小的部位先注漿，逐步將地下水圍堵至單側(cè)下臺(tái)階的預(yù)留泄水管集中排放。
1.3 上臺(tái)階交錯(cuò)開挖，增設(shè)臨時(shí)斜撐
雙嶺隧道圍巖接觸帶已風(fēng)化成泥土狀，極其松軟，拱部極易坍塌，施工過(guò)程中將上臺(tái)階從中線分成左右兩半，前后錯(cuò)開兩個(gè)循環(huán)分步開挖支護(hù)，隨挖隨支，半邊拱架支護(hù)時(shí)增設(shè)臨時(shí)斜撐，圍巖暴露面積小、時(shí)間短，所增設(shè)臨時(shí)斜撐施工簡(jiǎn)單，拆除方便，有效防止拱頂坍塌。詳見(jiàn)圖1。
1.4 圍巖自動(dòng)監(jiān)測(cè)
根據(jù)新奧法施工原理，由于雙嶺隧道圍巖接觸帶圍巖已風(fēng)化成泥土狀，加之地下水壓力巨大，圍巖監(jiān)控量測(cè)難度較大�，F(xiàn)場(chǎng)采用“圍巖量測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)”(已取得專利，專利號(hào)：ZL 2011 2 0529270.3)進(jìn)行圍巖監(jiān)控量測(cè)，時(shí)刻監(jiān)控拱頂下沉及邊墻收斂情況，保證人員安全，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。
2、施工工藝流程及施工方法
2.1 施工工藝流程
圍巖接觸帶極軟圍巖高壓大涌水隧道開挖支護(hù)施工工藝流程如圖2所示。
2.2 操作要點(diǎn)
2.2.1 復(fù)雜地下水探測(cè)
①地下水流示蹤劑的選擇。
根據(jù)碘化鉀溶于水并隨水流動(dòng)，碘化鉀溶液加入溴水反應(yīng)生成的單質(zhì)碘遇到淀粉變藍(lán)色的化學(xué)原理，現(xiàn)場(chǎng)選擇碘化鉀作為地下水流示蹤劑，進(jìn)行圍巖接觸帶地下水流探測(cè)。
②地下水流示蹤劑的投放。
施工前在隧道洞頂測(cè)量圍巖接觸帶里程位置，并結(jié)合地表情況、巖層走向開挖多個(gè)探坑，待探坑出現(xiàn)地下水后分批投放碘化鉀，另外選取多處地表徑流或小溪，依次投放碘化鉀，分別跟蹤各路地下水及地表水的流向。
�、凼聚檮┑氖占蜋z測(cè)。
自投放示蹤劑后每?jī)尚r(shí)在隧道掌子面各涌水口分別汲取水樣，標(biāo)記存放，統(tǒng)一送檢。檢驗(yàn)時(shí)在水樣中先后滴入溴水和淀粉溶液，出現(xiàn)藍(lán)色的即為檢出示蹤劑，證明投放示蹤劑的地下水或地表水已經(jīng)流入隧道掌子面。
④地下水流速分析。
根據(jù)投放示蹤劑到隧道水樣中出現(xiàn)示蹤劑的時(shí)間和投放地高程與隧道掌子面高程差，可估算地下水流速和水頭壓力，為雨季對(duì)隧道涌水的影響提供參考。
�、莸叵滤髁糠治�。
由于掌子面涌水空隙不規(guī)則，難以測(cè)定涌水流量，現(xiàn)在在距離掌子面50m處砌筑寬度1m的矩形水溝，將掌子面涌水全部匯至矩形水溝中，根據(jù)矩形溝中流水深度和水流速度可計(jì)算出掌子面日涌水量。
2.2.2 選擇性帷幕注漿堵水
①注漿液選擇。
雙嶺隧道圍巖接觸帶構(gòu)造發(fā)育，裂隙貫通，根據(jù)探測(cè)，地下水在裂隙中上下貫通，水頭壓力巨大，水量補(bǔ)給充沛，日涌水量超過(guò)23000立方米，現(xiàn)場(chǎng)采取連續(xù)停工7天泄水，但涌水量和水頭壓力并未明顯減少，現(xiàn)場(chǎng)施工選用水泥-水玻璃雙液漿堵水。
�、谧{部位選擇。
如果采取傳統(tǒng)的帷幕注漿堵水，水頭壓力隨著裂隙中水位升高而變得更大，壓力直接傳遞給圍巖，導(dǎo)致圍巖變形和坍塌失穩(wěn)。為了給掘進(jìn)施工創(chuàng)造工作面，同時(shí)防止水頭壓力傳遞給圍巖導(dǎo)致圍巖坍塌，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，隧道掌子面右側(cè)涌水股流較大，數(shù)量較多，左側(cè)相對(duì)較少，采取左側(cè)水流小的部位先注漿，按從左至右，從上至下的順序逐步將地下水圍堵至右側(cè)下臺(tái)階的預(yù)留泄水管集中排放。按照選擇性注漿堵水，將大部分掌子面涌水封堵，為掘進(jìn)提供作業(yè)面，同時(shí)避免地下水壓力增加導(dǎo)致圍巖坍塌。
③注漿管布置。
選擇性帷幕注漿采用雙排?準(zhǔn)42無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度為6m，外插角分別為30°和10°。注漿導(dǎo)管在構(gòu)件加工廠制作，前端做成尖錐形，尾部焊接?準(zhǔn)8mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔150mm交錯(cuò)鉆?準(zhǔn)8溢漿孔。注漿導(dǎo)管加工見(jiàn)圖3。
④選擇性注水泥-水玻璃雙液漿。
注漿前先噴射混凝土5～10cm封閉掌子面作止?jié){墻，注漿壓力一般為0.8MPa，施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定合理的注漿參數(shù)。注漿作業(yè)中認(rèn)真填寫注漿記錄，隨時(shí)分析和改進(jìn)作業(yè)，并注意觀察工作面圍巖和地下水的狀態(tài)。注漿操作見(jiàn)圖4。
2.2.3 上臺(tái)階分步開挖及支護(hù)
�、僮蟀肱_(tái)階開挖。
雙嶺隧道圍巖接觸帶已風(fēng)化成泥土狀，極其松軟，拱部極易坍塌。傳統(tǒng)的臺(tái)階法施工上臺(tái)階左右側(cè)同時(shí)開挖并立拱架，對(duì)于軟弱圍巖增設(shè)臨時(shí)仰拱，缺點(diǎn)是單循環(huán)工作時(shí)間較長(zhǎng)，圍巖暴露較多，增設(shè)的臨時(shí)仰拱拆除較困難。
雙嶺隧道圍巖接觸帶施工過(guò)程中將上臺(tái)階從中線分成左右兩半，根據(jù)選擇性注漿堵水的順序，左半臺(tái)階先開挖，右半臺(tái)階暫不開挖，利用原狀土支承右半臺(tái)階。如圖5所示。
�、谧蟀肱_(tái)階支護(hù)。
左半臺(tái)階開挖一榀拱架的距離后立即進(jìn)行支護(hù)，在拱架拱腳和拱頂部位均打鎖腳錨管進(jìn)行固定，縱向采用?準(zhǔn)22螺紋鋼筋進(jìn)行連接，同時(shí)在左半臺(tái)階拱架距離拱頂1/4處增設(shè)槽鋼臨時(shí)斜撐，然后噴射混凝土，打設(shè)中空錨桿并注漿。如圖6所示。
③右半臺(tái)階開挖支護(hù)。
待左半臺(tái)階開挖超前5m時(shí)，右半臺(tái)階開始開挖支護(hù)，開挖支護(hù)方法參照左半臺(tái)階施工。如圖7所示。
�、芘R時(shí)斜撐拆除。
右半臺(tái)階拱架和左半臺(tái)階拱架在拱頂采用螺栓連接，待噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa后，拆除臨時(shí)斜撐，用于下一循環(huán)施工。
前后錯(cuò)開兩個(gè)循環(huán)分步開挖支護(hù)，隨挖隨支，半邊拱架支護(hù)時(shí)增設(shè)臨時(shí)斜撐，優(yōu)點(diǎn)是單次施工工程量及工作時(shí)間減半，圍巖暴露面積小、時(shí)間短，所增設(shè)臨時(shí)斜撐施工簡(jiǎn)單，拆除方便，有效防止拱頂坍塌。
2.2.4 圍巖監(jiān)控量測(cè)
①圍巖監(jiān)控量測(cè)方案選擇。
根據(jù)新奧法施工原理，軟弱圍巖初期支護(hù)預(yù)留一定變形量，待圍巖應(yīng)力重新分配基本穩(wěn)定，變形趨緩后再進(jìn)行二次襯砌施工。由于雙嶺隧道圍巖接觸帶圍巖已風(fēng)化成泥土狀，加之地下水壓力巨大，圍巖監(jiān)控量測(cè)難度較大。現(xiàn)場(chǎng)采用圍巖量測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行圍巖監(jiān)控量測(cè)，時(shí)刻監(jiān)控拱頂下沉及邊墻收斂情況，保證人員安全，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。
�、诒O(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位選擇。
只完成圍巖量測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)安裝點(diǎn)位如圖8所示。
3、產(chǎn)生的效益
3.1 經(jīng)濟(jì)效益
采用的綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、采用碘化鉀為示蹤劑探測(cè)地下水、選擇性帷幕注漿堵水、上臺(tái)階左右側(cè)分步開挖、增加臨時(shí)斜撐，及時(shí)支護(hù)，加強(qiáng)量測(cè)，科學(xué)組織，采用三臺(tái)階五掌子面交錯(cuò)施工，流水作業(yè)，節(jié)約工期，降低了綜合成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。詳見(jiàn)表1。
3.2 社會(huì)效益
項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，施工控制措施到位，管理嚴(yán)謹(jǐn)，環(huán)保水保符合規(guī)定，無(wú)安全、質(zhì)量事故發(fā)生，對(duì)隧道質(zhì)量和安全控制良好，建設(shè)單位多次組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理和其他施工單位到現(xiàn)場(chǎng)觀摩學(xué)習(xí)，并給予了高度評(píng)價(jià)。2009年度、2010年度施工單位中鐵十二局集團(tuán)有限公司東北東部鐵路新建通化至灌水段工程項(xiàng)目經(jīng)理部連續(xù)兩年榮獲“沈陽(yáng)鐵路局質(zhì)量安全信用評(píng)價(jià)第一名”稱號(hào)，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。
4、結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)圍巖接觸帶極軟圍巖高壓大涌水隧道地下水復(fù)雜、拱頂易坍塌、邊墻易收斂、圍巖變形大、監(jiān)控量測(cè)難等特點(diǎn)，采用碘化鉀為示蹤劑探測(cè)地下水，圍巖監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及增加臨時(shí)斜撐等有效措施，安全的完成了施工任務(wù)，保證了施工質(zhì)量和工期，對(duì)同類工程施工具有借鑒意義，并有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
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