高原隧道下穿承压水泥质胶结冰碛体关键技术

摘要：文章以西南地区某隧道为例，分析了承压水泥质胶结冰碛层的特点，采用了高压帷幕注浆、台阶法开挖、机械化作业的综合技术，实现了在该地层下的稳定施工，并得出如下结论：1）承压水泥质胶结冰碛层具有颗粒细小、含泥量高，水压大，掌子面稳定性差的特点。2）高压帷幕注浆可在高水压下能够提高浆液结石体强度和不透水性，增大扩散半径，减少注浆孔数量，可在隧道前方及周边形成了具有一定抗压能力的固结圈，保证隧道开挖过程中的安全。3）普通硅酸盐水泥-水玻璃双液浆凝结速度更快，凝结时间短，止水效果好，硫铝酸盐水泥单液浆具有固结强度高的特点，有利于采用两台阶法开挖。4）开挖、支护工序采用机械化作业，可减少对围岩的扰动、提高施工质量、减少高原环境下作业人员数量，提高效率和减少职业病伤害。

关键词：高原 深埋 隧道 承压水 泥质胶结 冰碛体

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The plateau tunnel passes through a pressurized cementitious cemented moraine

Key technologies

Shengguo Wang

(China Railway 19th Bureau Group Co., Ltd  Beijing  100176) 

Abstract: Taking the Millin Tunnel of Lalin Railway as an example, this paper analyzes the characteristics of the pressurized cementitious cemented moraine layer, adopts the comprehensive technology of high-pressure curtain grouting and step excavation and mechanized operation to achieve stable construction under the strata, and concludes as follows: 1) The pressure-bearing cemented moraine layer has the characteristics of fine particles, high mud content, large water pressure and poor stability of the face surface. 2) High-pressure curtain grouting can improve the strength and impermeability of slurry stones under high water pressure, increase the diffusion radius, reduce the number of grouting holes, and form a consolidation circle with certain pressure resistance in front of and around the tunnel to ensure the safety of the tunnel excavation process. 3) Ordinary Portland cement-water glass double liquid slurry has faster setting speed, short setting time, good water-stopping effect, thioaluminate cement single liquid slurry has the characteristics of high consolidation strength, which is conducive to the use of two-stage excavation. 4) The excavation and support process adopts mechanized operation, which can reduce the disturbance of the surrounding rock, improve the construction quality, reduce the number of operators in the plateau environment, improve efficiency and reduce occupational disease injuries.

Key words: plateau  buried deeply  tunnel  pressurized water  mud cementation  moraine bodies

0   引言

国内冰碛层分部广泛，辽宁、河南、云南、四川、新疆、青海、西藏等地均有分布，各学者对冰碛体的研究方向也较为宽泛，宋玉香等[1]研究了冰碛体空间分布影响性、围压和块石含量影响性、强度特性以及对变形破坏特征进行了分析；张聪等[2]对青藏高原南缘74例冰碛湖溃决机制进行统计分析，建立了冰碛湖溃决危险性的铁路选线方案评价方法；杨栋等[3]以藏东南地区帕隆藏布流域冰碛物斜坡为研究对象，提出钢花管注浆加固技术；近年来关于隧道工程穿越冰碛层的研究也逐渐增多，郑宗溪等[4]采用大型三轴剪切试验，对拉林铁路隧道富水冰碛层力学特性进行了研究，提出了相对密实度、黏聚力、含水率及内摩擦角间的相互关系，并提出了其与峰值强度的影响；王明年等[5]依托藏嘎隧道采用室内土工试验和数值模拟的方法，以密实程度、含石量和含水率作为指标，将冰碛层围岩分为Ⅳ2、Ⅴ1和Ⅴ23个亚分级，同时提出了3种亚级围岩支护措施；陈天明[6]、王勇等[7]都以隧道穿越冰碛层出现塌方为研究对象，分析了塌方的原因、提出了处治措施；李秋[8]针对隧道冰碛层隧道受5.12地震影响发生的病害，进行了机理分析，对病害处治和监测进行了方案设计；严健[9]对隧道洞口段冰碛层的冻胀力进行了冻胀力原位测试，利用数值模拟和理论模型计算，得到了冻融圈厚度、冻胀压力等参数。郑典明等[10]以拉林铁路某隧道冰碛层为对象，开展了超前全断面注浆现场试验，提出了通过帷幕注浆超前预加固，上下台阶法开挖的施工工艺。彭学军等[11]对泥岩基本特性进行了分析，针对性的提出了帷幕注浆方案。杨云等[12]针对隧道承压性涌水采用帷幕注浆进行了有效治理。

目前的隧道工程与冰碛体方面的研究多集中在力学特性、穿越冰碛层出现塌方的原因分析和处治方面，也有关于承压水采用帷幕注浆的处理案例，但鲜有穿越承压水泥质胶结冰碛层的关键技术研究。

1  工程概况

西南地区某隧道全长11.56km，最大埋深1200m，最大轨面标高3075m，设计冰碛层段落365m，最大涌水量Q最大=3.58万m³/d，是我国首条横向穿越高原冰碛层隧道。

该隧道受林芝地区独特的地形地貌和气候条件影响，冰水堆积物在结构上呈现非均质性、非均匀性和非连续性，主要为碎石土、卵石土漂石土和细砂组成，颗粒间一般以泥质胶结为主。地下水丰富，渗透系数大、渗透性强。野外暴露的冰碛体地貌见图1。

图1  野外暴露的冰碛体地貌

2  超前地质预报

为了更能准确探明该段地质及地下水情况，清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，预报前方的不良地质灾害，采用了超前水平钻探取芯、TSP地震波探测、地质雷达、红外探水相结合的综合预报方式。

图2  掌子面红外探测曲线图

综合预报分析认为，受冰水堆积层的影响，围岩极破碎，大部为冰水堆积层卵石土，土质稍密～密实，中等～强富水，稳定性极差，预报围岩级别为Ⅴ级，存在塌方风险，提前制定防坍塌、掉块、涌水（泥）等工程地质问题预防方案。

3  冰碛土隧道施工重难点分析

冰碛土主要地质特点是由碎屑物组成；大小混杂，缺乏分选性，以巨大的石块和细微的泥质胶结混合物为主要表现形式。通过掌子面及探孔揭示冰碛体粗颗粒和巨颗粒排列紧密，相互之间棱角接触，呈交错状；细颗粒物质的胶结作用强烈，大多以接触式胶结为主，联结巨颗粒与粗颗粒使之成为整体；冰碛层经历了较长时间的沉积和固结，大多结构中密-密实，以泥质胶结为主。

按照冰碛土地质特点，影响施工的主要因素归纳为有无水情况和围岩固结情况，表现形式如下：

（1）把围岩胶结分三种情况：钙质胶结、泥质胶结、无胶结；

（2）把围岩含水分三种情况：无水、常压水、承压水。

而承压水泥质胶结冰碛体地段因颗粒细小、含泥量高，且存在高水头承压水，是冰碛层施工难度最大的，穿越该段落易发生涌水、突泥，而且亦发生初期支护变形过大。

4  承压水-泥质胶结段施工方案

因地下水位埋深较浅，水头压力大，采用泄排水措施降低水位后进行超前支护再开挖，但因泄排水方案实施后效果不理想，为了防止出现涌水、变形侵限等情况发生，固采用高压帷幕注浆预加固、超前管棚+小导管支护、台阶法开挖的施工方案。

开挖后即预埋监测设备和完成初始数据采集，按时监测，判定围岩稳定性，满足要求后方可进行衬砌。

4.1  帷幕注浆

方案按照“注浆挤密、劈裂，管棚支护”的原则设计，在上台阶掌子面施作止浆墙，利用止浆墙表面作为开孔断面，对隧道前方一定范围未开挖地层实施帷幕注浆进行加固、挤密，增加了原地层的整体性和抗压能力，有利于隧道开挖期间的施工安全和运行期间的结构安全。

（1）注浆范围

每一环纵向加固长度25m，加固范围为开挖轮廓线外5m。浆液扩散半径2.0m，终孔间距不大于3.2m，共设2个终孔断面（15m和25m）合计67个注浆孔。

帷幕注浆加固钻孔剖面见图3，注浆开孔见图4，25m终孔断面见图5。

图3  帷幕注浆加固钻孔剖面图

图4  上台阶开孔图

图5  25m终孔断面图

（2）注浆工艺

采用TSS管后退式分段注浆，分段长度2～4m，钻孔至终孔位置后，下入2～3根Φ32长短不同TSS管，提升浆液分布均匀性。

注浆顺序按照由外向内、由四周向中心、隔孔跳注原则作业。

（3）注浆参数

注浆参数见表1。

表1   帷幕注浆参数表

（4）注浆材料

外圈二环为普通硅酸盐-水玻璃双液浆，内圈孔为快硬硫铝酸盐水泥单液浆，施工过程根据涌水情况及地质情况进行选择调整。普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥强度等级均为42.5。注浆终止压力为5.0～8.0MPa，现场根据实际地质情况进行调整，浆液配比见表2。

  表2   浆液配比参数表

（5）注浆结束标准

①单孔注浆结束标准

单孔注浆压力达到设计终压并维持10min以上可结束该孔。

②全段结束标准

设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。

依据注浆量分布，取薄弱环节设计检查孔，按总注浆孔的5%～10%设计检查孔，检查孔满足出水量不超过2L/m·min。

（6）注浆效果评价

采用注浆量对比、检查孔P-Q-t曲线法和孔内摄影验证，注浆量对比情况见图6。

图6  注浆量与设计量比较图

分析法：根据单孔注浆量分析结合注浆量和注浆压力随注浆时间变化绘制的P-Q-T曲线，判定注浆量、注浆压力和扩散半径等基本达到设计要求。

检查孔法：通过对检查孔内影像观察，孔内无塌孔现象，孔壁较为顺滑，可见浆液充填痕迹，未见明显股状水，注浆效果较为理想。

4.2  超前支护

（1）洞身采用φ89×6mm管棚加强支护，拱部144°范围布置，外插角10～15°，环向间距40cm，单根长度25m，每环27根。管棚采用热轧无缝钢管制成，管壁须钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距10～20cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于100cm作为不钻孔的止浆段。注浆压力0.5～1.0MPa。

（2）超前小导管配合型钢钢架使用，拱部144°范围布置，外插角为10～15°，环向间距30～50cm；纵向搭接长度不小于1m。超前小导管采用热轧钢花管，外径42mm，壁厚35mm；在前部钻注浆孔，孔径6～8mm，孔间距10～20cm，呈梅花形布置，前端加工成锥形，尾部长度不小于10cm作为不钻孔的止浆段。注浆压力一般为0.2～0.3MPa。

4.3  开挖方法和支护措施

根据冰碛层地质特性，结合开挖断面和施工工法，确定了开挖、支护工序机械化作业体系，其中为尽量减少对围岩的扰动，隧道采用铣挖机开挖；初期支护锚杆采用履带式锚杆钻注一体机、拱架拼装机和湿喷机械手配合施工；二次衬砌采用12m长全液压自行式整体衬砌台车、拱顶空洞带模注浆系统。

开挖采用台阶法，台阶长度保持5～8m，上台阶开挖支护20m后停止掘进，预留5m止浆岩盘，进行下一循环上台阶超前帷幕注浆施工。为保证安全，上下台阶开挖时，必须保证各自前方的止浆墙厚度不小于5m。

（1）开挖①部→施做①部初期支护及临时仰拱，进度0.8m/循环。

（2）开挖②③部（②部滞后①部5m，③部滞后②部3m）→施做边墙初期支护，进度0.8m/循环。

（3）开挖④部（④部滞后②③部5～10m）→施作隧底支护，进度3.0m/循环。上方架设临时交通栈桥然后进行仰拱、填充施工。

图7  上下台阶法施工工序横断面（临时横撑）

支护参数如表3。

表3   支护参数表

5  监控量测

通过对一个循环帷幕注浆的5个断面进行拱顶下沉和净空收敛观测，测线1最大水平收敛累计值73.50mm，最小水平收敛累计值57.68mm；测线2最大水平收敛累计值37.28mm，最小水平收敛累计值26.32mm；拱顶最大下沉累计值74.00mm，拱顶最小下沉累计值68.3mm。累计沉降值和收敛值均小于设计允许值150mm的要求。D2K378+510断面量测关系曲线如图8。

图8  D2K387+510断面量测关系曲线

6  结论

1）承压水泥质胶结冰碛层具有颗粒细小、含泥量高，水压大，掌子面稳定性差的特点。

2）高压帷幕注浆可在高水压下能够提高浆液结石体强度和不透水性，增大扩散半径，减少注浆孔数量，可在隧道前方及周边形成了具有一定抗压能力的固结圈，保证隧道开挖过程中的安全。

3）普通硅酸盐水泥-水玻璃双液浆凝结速度更快，凝结时间短，止水效果好，硫铝酸盐水泥单液浆具有固结强度高的特点，故有利于采用两台阶法开挖。

4）开挖、支护工序采用机械化作业，可减少对围岩的扰动、提高施工质量、减少高原环境下作业人员数量，提高效率和减少职业病伤害。

参考文献

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基金项目：中国铁建股份有限公司2019年重大专项科研项目（2019-A05）

作者简介：王胜国（1983—），男，黑龙江省富锦市人，高级工程师，主要从事隧道工程技术。