矿山法隧道穿过强富水风化凹槽施工技术

矿山法隧道穿过强富水风化凹槽施工技术

汪本灿

一、工程概况及工程地质情况

一、工程概况及工程地质情况

本文示例工程为轨道交通工程牵引变电所~中间风井区间隧道工程，区间左线起止里程ZDK21+657.945～ZDK22+169.243，长511.298m，穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩地带。隧道采用矿山法施工，衬砌采用复合式衬砌，在里程ZDK21+656.72～ZDK21+963间断性处于V级围岩地层，其中在里程ZDK21+850~ZDK21+943段通过地质风化凹槽。区间隧道风化凹槽段洞身断面穿越地层从上至下主要为全风化花岗闪长岩<9-1>、土状强风化花岗闪长岩<9-2>、中风化花岗闪长岩<9-3>、微风化花岗闪长岩<9-4>。

二、重难点分析

由于花岗闪长岩残积土及全、强风化花岗闪长岩遇水易软化、崩解，遇水后强度明显降低，自稳能力变差，且具有砂土和粘性土的特征，为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能的条件。而该段地层处于风化地质凹槽处，地下水通过风化地质界面向凹槽聚集，在该段地层下开挖时极易产生管涌、流土等渗透变形进而造成隧道冒顶、坍塌等重大安全事故。同时，隧道断面下部存在微风化花岗闪长岩<9-4>地层，在下断面开挖时，需要进行岩层爆破处理而，爆破的震动也将会影响到上部软弱地层的扰动，进一步加大了开挖风险。地质情况见下图。

图1左线风化凹槽段纵断面图

三、富含地下水的软弱围岩地层段施工技术

（一）开挖面超前地质探测

为确保暗挖隧道的安全优质、快速顺利施工，有效地采取施工方案，选择合理的注浆方法，在隧道施工中采取了多种地质超前预测预报手段，并形成地质素描，通过对地质预报信息的综合分析，可以比较准确地判明前方地质情况。

1．探测过程

进入左线风化凹槽（里程ZDK21+850~ZDK21+943）段施工前，每10m进行一次超前钻孔，以探明前方地质情况，掌子面里程为ZDK21+840时，开始在掌子面采用地质钻机进行常规超前探测工作。

图2超前地质探孔孔位布置图

在探水孔施作过程中，探1＃在整个钻进过程中，岩粉为灰黄、褐黄色颗粒；钻至3m处为破碎岩层，钻孔内有水涌出，涌水量为20m3/h，伴随砂状物；3～10m岩样呈褐红、褐黄、灰白色，原岩结构已基本破坏，但尚可辨认除石英外。探2＃有少量水，钻进过程岩石破碎。探3＃孔深9.5m，当探水孔钻至6m处有岩溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并含少量砾石，通过探孔情况和地质资料分析掌子面前方3m处存在一定范围的碎块状强风化花岗闪长岩，6m处进入强风化花岗闪长岩风化凹槽，并出现全风化岩层，局部岩样位置已成土状。

2.涌出物分析

通过钻探，对钻孔中涌出物进行分析，涌出物中砂占84%，而粗砂和砾石等占12%，砾石长约3～10mm，说明掌子面前方存在风化凹槽，<9-2>强风化花岗闪长岩层在地下水长期的侵蚀作用下大部分已转化为<9-1>全风化花岗岩产状，且凹槽内地下水异常丰富，探孔完成后涌水压力大，可见原地层充填物在未受到压力水冲出前，其级配较为合理，呈较致密结构。当开挖形成临空面则破坏了原有平衡，若后续注浆效果不佳，打开掌子面后容易发生塔方事故。

（二）注浆设计及施工

1.注浆方案的确立

根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合该工程实际情况，针对掌子面发生喷涌、流砂等现象，经过反复研究，制订了“以堵为主”的施工原则，采用了“注浆堵水，加固风化凹槽”的施工方案。根据凹槽部位水文地质复杂，选深浅孔结合复式全断面注浆堵水措施。

2.深浅孔结合注浆

对掌子面上半断面布孔，通过注浆形成截水帷幕，并加固周围岩体，注浆加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外3.0m。

（1）深浅孔结合注浆孔位布置

孔位具体布置见下图，共有40个钻孔，分五环布置，环间距分别为500mm、500mm、500mm、700mm和700mm，孔间距1m左右，钻孔深度为10m。其中第1、3、5环钻孔深度10m，第2、4环钻孔深度为5m，深浅孔结合注浆方法通过设置不同长度的注浆花管，弥补长导管注浆对近掌子面端土体止水加固效果不佳的不足，提高浆脉在地层中的分布频率。

图3深浅结合注浆孔位布置图

（2）注浆孔采用MKD-5S型钻机成孔。首先采用大直径钻头钻进2m后安设φ108mm无缝钢管作为孔口管。再改用φ50mm钻头钻至10m。孔口管孔口处缠30cm的麻丝。

（3）钻进

在孔口管内采用潜孔钻机进行钻孔，钻孔直径90mm，一次钻进长度3～4米，开孔时调整钻杆适度上扬以抵消长距离钻孔的钻杆下垂度。先钻单号孔，后钻进双号孔，左右对称、从上部向下部进行，同时要保证邻近区域在纵向上要错开施工。

（4）风化凹槽段注浆是以堵水加固为目的，在岩石破碎带（少量水）注浆是以加固地层为目的。

①用引水管将水引出后，封闭掌子面。注浆时关闭引水阀门，形成静水压力注浆。

②对水量相对较少的岩层，初始注浆可注入稀浆（1.5：1～1：1），因稀浆中的水泥颗粒在脉冲压力的作用下对冲开及沟通裂隙能够起到润滑剂的作用，一旦裂隙冲开后即进入正常的双液浆注浆。

③对于涌水量较大岩层，凝胶时间可适当缩短，使浆液进入地层后能较快凝固，避免浆液随水流失，达到控制注浆的目的。

（5）注浆材料

注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥—水玻璃双液浆，注浆孔无水时采用普通水泥单液浆，水灰比W：C=1：1~0.8：1；有水孔则采用单液水泥浆、普通水泥—水玻璃双液浆和超细水泥浆、根据水量大小选择配比和浆液凝胶时间。涌水量小时，水泥C浆：水灰比W：C=1：1~0.8：1。孔内水量较大时，水灰比W：C=0.8：1~0.6：1。当双液注浆压力上升到2MPa左右时停止注浆。

（6）注浆顺序

注浆顺序为：先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则，垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。

（7）注浆结束标准

采用定量定压相结合方式进行注浆结束标准控制，当注浆量达到设计注浆量时，而注浆压力不上升则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的80%以上，即可结束注浆。

（8）效果检查与补孔注浆

根据现场钻孔所揭示的地质状况，结合设计勘察地质条件，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。检查孔应不坍孔、不涌砂，单孔涌水量应小于0.2L/m•min。若达不到效果则将检查孔作为注浆孔进行注浆，注浆结束后再钻检查孔进行效果检查，直至达到设计要求。必要时可取芯检查。

（三）隧道开挖施工

V级围岩隧道采用环形台阶法施工施工，施工步骤见下图4所示。隧道分三步开挖，先开挖上台阶土方，开挖前在拱部120°范围内设置3.5m长Φ42超前小导管，间距0.3m（横）×1.8m（纵），超前小导管仰角7～10°，边墙墙设置3.5m长砂浆锚杆，锚杆间距0.6m（纵）×0.8m（横），梅花形布置；严格控制循环进尺，准确定位架设格栅拱架，格栅钢架间距0.6m，格栅应垂直于洞室中线，标高误差不得大于3cm、左右偏差不大于3cm，然后挂网、钻设锁脚锚管，喷射混凝土至设计厚度。该断面的地质条件较差，施工中视具体情况，采用50mm厚喷射混凝土临时封闭掌子面。当台阶长度3~5m时，开挖下台阶，架设下台阶钢格栅，上下台阶钢格栅接头处连接螺栓，钻设砂浆锚杆，挂设钢筋网片，喷射混凝土。按上述方法重复开挖，并严格执行设计及施工规范要求。

图4V级围岩隧道施工步骤图

（四）开挖注意事项

1．隧道开挖按照设计尺寸严格控制开挖断面，严禁欠挖

2．隧道开挖适当外放，按照设计图纸预留的沉降变形量外放。

3．按照短台阶开挖时上下台阶之间的距离严格按照方案规定的距离进行开挖，避免因为台阶过于接近造成拱架悬空，必须保持各开挖阶段围岩及支护结构的稳定性。

4．隧道开挖过程中进行地质描述并做好记录，加强地质的超前预报工作，根据开挖掌子面地质情况同设计图地质情况进行对比，发现异常时及时提出，及时解决，必要时进行超前地质勘探。

5．土方开挖时按照方案设置排水沟槽，有组织排水。

6．每个分部每一进尺循环的土方开挖完成后立即采用喷射混凝土初喷，保持掌子面稳定，然后立即进行隧道的初期支护工作。土方下一循环的开挖应在上一循环隧道初期支护喷射混凝土达到强度后才进行。

四、总结

牵引变电所~中间风井暗挖区间于2014年6月22日完成开挖贯通，针对该段过风化凹槽施工，总结出以下经验：

1．严格落实超前探孔，开挖前必须掌握掌子面背后及拱顶地质情况，通过超前探孔揭示的地质情况指导施工。

2．根据现场实际情况调整掌子面注浆参数，避免盲目注浆，避免强压注浆导致初支结构变形。

3．在上软下硬地层仰拱初支成环施工过程中，如果下台阶需要爆破，注意严格控制下台阶岩石爆破用药量，同时，必须在上台阶初支及掌子面稳定情况下才能进行爆破施工，并坚持以短进尺、强支护为基本开挖支护原则。

4．及时跟进下台阶成环施工，确保初支结构稳定，避免出现因为未成环造成拱顶沉降或者坍塌。

5．加强隧道内各监测点的监测力度，及时掌握隧道变形情况。

6．加快二衬施工紧跟步伐，及时给隧道提供可靠承载结构。

本文示例工程为轨道交通工程牵引变电所~中间风井区间隧道工程，区间左线起止里程ZDK21+657.945～ZDK22+169.243，长511.298m，穿越Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩地带。隧道采用矿山法施工，衬砌采用复合式衬砌，在里程ZDK21+656.72～ZDK21+963间断性处于V级围岩地层，其中在里程ZDK21+850~ZDK21+943段通过地质风化凹槽。区间隧道风化凹槽段洞身断面穿越地层从上至下主要为全风化花岗闪长岩<9-1>、土状强风化花岗闪长岩<9-2>、中风化花岗闪长岩<9-3>、微风化花岗闪长岩<9-4>。

二、重难点分析

由于花岗闪长岩残积土及全、强风化花岗闪长岩遇水易软化、崩解，遇水后强度明显降低，自稳能力变差，且具有砂土和粘性土的特征，为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能的条件。而该段地层处于风化地质凹槽处，地下水通过风化地质界面向凹槽聚集，在该段地层下开挖时极易产生管涌、流土等渗透变形进而造成隧道冒顶、坍塌等重大安全事故。同时，隧道断面下部存在微风化花岗闪长岩<9-4>地层，在下断面开挖时，需要进行岩层爆破处理而，爆破的震动也将会影响到上部软弱地层的扰动，进一步加大了开挖风险。地质情况见下图。

图1左线风化凹槽段纵断面图

三、富含地下水的软弱围岩地层段施工技术

（一）开挖面超前地质探测

为确保暗挖隧道的安全优质、快速顺利施工，有效地采取施工方案，选择合理的注浆方法，在隧道施工中采取了多种地质超前预测预报手段，并形成地质素描，通过对地质预报信息的综合分析，可以比较准确地判明前方地质情况。

1．探测过程

进入左线风化凹槽（里程ZDK21+850~ZDK21+943）段施工前，每10m进行一次超前钻孔，以探明前方地质情况，掌子面里程为ZDK21+840时，开始在掌子面采用地质钻机进行常规超前探测工作。

图2超前地质探孔孔位布置图

在探水孔施作过程中，探1＃在整个钻进过程中，岩粉为灰黄、褐黄色颗粒；钻至3m处为破碎岩层，钻孔内有水涌出，涌水量为20m3/h，伴随砂状物；3～10m岩样呈褐红、褐黄、灰白色，原岩结构已基本破坏，但尚可辨认除石英外。探2＃有少量水，钻进过程岩石破碎。探3＃孔深9.5m，当探水孔钻至6m处有岩溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并含少量砾石，通过探孔情况和地质资料分析掌子面前方3m处存在一定范围的碎块状强风化花岗闪长岩，6m处进入强风化花岗闪长岩风化凹槽，并出现全风化岩层，局部岩样位置已成土状。

2.涌出物分析

通过钻探，对钻孔中涌出物进行分析，涌出物中砂占84%，而粗砂和砾石等占12%，砾石长约3～10mm，说明掌子面前方存在风化凹槽，<9-2>强风化花岗闪长岩层在地下水长期的侵蚀作用下大部分已转化为<9-1>全风化花岗岩产状，且凹槽内地下水异常丰富，探孔完成后涌水压力大，可见原地层充填物在未受到压力水冲出前，其级配较为合理，呈较致密结构。当开挖形成临空面则破坏了原有平衡，若后续注浆效果不佳，打开掌子面后容易发生塔方事故。

（二）注浆设计及施工

1.注浆方案的确立

根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合该工程实际情况，针对掌子面发生喷涌、流砂等现象，经过反复研究，制订了“以堵为主”的施工原则，采用了“注浆堵水，加固风化凹槽”的施工方案。根据凹槽部位水文地质复杂，选深浅孔结合复式全断面注浆堵水措施。

2.深浅孔结合注浆

对掌子面上半断面布孔，通过注浆形成截水帷幕，并加固周围岩体，注浆加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外3.0m。

（1）深浅孔结合注浆孔位布置

孔位具体布置见下图，共有40个钻孔，分五环布置，环间距分别为500mm、500mm、500mm、700mm和700mm，孔间距1m左右，钻孔深度为10m。其中第1、3、5环钻孔深度10m，第2、4环钻孔深度为5m，深浅孔结合注浆方法通过设置不同长度的注浆花管，弥补长导管注浆对近掌子面端土体止水加固效果不佳的不足，提高浆脉在地层中的分布频率。

图3深浅结合注浆孔位布置图

（2）注浆孔采用MKD-5S型钻机成孔。首先采用大直径钻头钻进2m后安设φ108mm无缝钢管作为孔口管。再改用φ50mm钻头钻至10m。孔口管孔口处缠30cm的麻丝。

（3）钻进

在孔口管内采用潜孔钻机进行钻孔，钻孔直径90mm，一次钻进长度3～4米，开孔时调整钻杆适度上扬以抵消长距离钻孔的钻杆下垂度。先钻单号孔，后钻进双号孔，左右对称、从上部向下部进行，同时要保证邻近区域在纵向上要错开施工。

（4）风化凹槽段注浆是以堵水加固为目的，在岩石破碎带（少量水）注浆是以加固地层为目的。

①用引水管将水引出后，封闭掌子面。注浆时关闭引水阀门，形成静水压力注浆。

②对水量相对较少的岩层，初始注浆可注入稀浆（1.5：1～1：1），因稀浆中的水泥颗粒在脉冲压力的作用下对冲开及沟通裂隙能够起到润滑剂的作用，一旦裂隙冲开后即进入正常的双液浆注浆。

③对于涌水量较大岩层，凝胶时间可适当缩短，使浆液进入地层后能较快凝固，避免浆液随水流失，达到控制注浆的目的。

（5）注浆材料

注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥—水玻璃双液浆，注浆孔无水时采用普通水泥单液浆，水灰比W：C=1：1~0.8：1；有水孔则采用单液水泥浆、普通水泥—水玻璃双液浆和超细水泥浆、根据水量大小选择配比和浆液凝胶时间。涌水量小时，水泥C浆：水灰比W：C=1：1~0.8：1。孔内水量较大时，水灰比W：C=0.8：1~0.6：1。当双液注浆压力上升到2MPa左右时停止注浆。

（6）注浆顺序

注浆顺序为：先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则，垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。

（7）注浆结束标准

采用定量定压相结合方式进行注浆结束标准控制，当注浆量达到设计注浆量时，而注浆压力不上升则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的80%以上，即可结束注浆。

（8）效果检查与补孔注浆

根据现场钻孔所揭示的地质状况，结合设计勘察地质条件，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。检查孔应不坍孔、不涌砂，单孔涌水量应小于0.2L/m•min。若达不到效果则将检查孔作为注浆孔进行注浆，注浆结束后再钻检查孔进行效果检查，直至达到设计要求。必要时可取芯检查。

（三）隧道开挖施工

V级围岩隧道采用环形台阶法施工施工，施工步骤见下图4所示。隧道分三步开挖，先开挖上台阶土方，开挖前在拱部120°范围内设置3.5m长Φ42超前小导管，间距0.3m（横）×1.8m（纵），超前小导管仰角7～10°，边墙墙设置3.5m长砂浆锚杆，锚杆间距0.6m（纵）×0.8m（横），梅花形布置；严格控制循环进尺，准确定位架设格栅拱架，格栅钢架间距0.6m，格栅应垂直于洞室中线，标高误差不得大于3cm、左右偏差不大于3cm，然后挂网、钻设锁脚锚管，喷射混凝土至设计厚度。该断面的地质条件较差，施工中视具体情况，采用50mm厚喷射混凝土临时封闭掌子面。当台阶长度3~5m时，开挖下台阶，架设下台阶钢格栅，上下台阶钢格栅接头处连接螺栓，钻设砂浆锚杆，挂设钢筋网片，喷射混凝土。按上述方法重复开挖，并严格执行设计及施工规范要求。

图4V级围岩隧道施工步骤图

（四）开挖注意事项

1．隧道开挖按照设计尺寸严格控制开挖断面，严禁欠挖

2．隧道开挖适当外放，按照设计图纸预留的沉降变形量外放。

3．按照短台阶开挖时上下台阶之间的距离严格按照方案规定的距离进行开挖，避免因为台阶过于接近造成拱架悬空，必须保持各开挖阶段围岩及支护结构的稳定性。

4．隧道开挖过程中进行地质描述并做好记录，加强地质的超前预报工作，根据开挖掌子面地质情况同设计图地质情况进行对比，发现异常时及时提出，及时解决，必要时进行超前地质勘探。

5．土方开挖时按照方案设置排水沟槽，有组织排水。

6．每个分部每一进尺循环的土方开挖完成后立即采用喷射混凝土初喷，保持掌子面稳定，然后立即进行隧道的初期支护工作。土方下一循环的开挖应在上一循环隧道初期支护喷射混凝土达到强度后才进行。

四、总结

牵引变电所~中间风井暗挖区间于2014年6月22日完成开挖贯通，针对该段过风化凹槽施工，总结出以下经验：

1．严格落实超前探孔，开挖前必须掌握掌子面背后及拱顶地质情况，通过超前探孔揭示的地质情况指导施工。

2．根据现场实际情况调整掌子面注浆参数，避免盲目注浆，避免强压注浆导致初支结构变形。

3．在上软下硬地层仰拱初支成环施工过程中，如果下台阶需要爆破，注意严格控制下台阶岩石爆破用药量，同时，必须在上台阶初支及掌子面稳定情况下才能进行爆破施工，并坚持以短进尺、强支护为基本开挖支护原则。

4．及时跟进下台阶成环施工，确保初支结构稳定，避免出现因为未成环造成拱顶沉降或者坍塌。

5．加强隧道内各监测点的监测力度，及时掌握隧道变形情况。

6．加快二衬施工紧跟步伐，及时给隧道提供可靠承载结构。