秦屿隧道超浅埋及富水段施工技术探讨.doc

秦屿隧道超浅埋及富水段施工技术探讨

［摘 要］ 秦屿隧道在穿越超浅埋、地表水丰富的全～强风化凝灰岩地段时，采用超前小导管配合双液注浆止水、三台阶预留核心土法开挖配合监控量测，顺利穿越穿越超浅埋、地表水丰富的全～强风化凝灰岩地段，取得了良好效果。

在隧道穿越超浅埋、地表水丰富的全～强风化凝灰岩地段时，选择合理有效的施工方法是决定成败的主要因素。在秦屿隧道出口段穿越DK126+060～DK126+080段超浅埋、地表水丰富的不良地质段时，通过采用超前小导管配合水泥－水玻璃双液注浆预支护，结合架设I20a工字钢架、挂网、喷锚、三台阶预留核心土发开挖、监控量测等措施，顺利渡过超浅埋、地表水丰富的全～强风化凝灰岩地段地段，取得良好效果。
1、 工程概况
1．1 工程概况
温福铁路福建段秦屿隧道全长7127m，是温福铁路地质最复杂、施工难度最大的隧道之一，为温福铁路福建段关键控制性工程。该隧道为双线铁路隧道，线间距4.6m，内轨顶面以上净空有效面积92m2，设计行车时速200km/h，并预留提速250km/h，建筑界限满足双层集装箱列车开行要求。
1．2 工程水文地质条件
隧道位于构造剥蚀低山区，最大海拔为360m，相对高差为350m。山体连绵起伏，时而形成悬崖峭壁、深沟大壑，时而缓坡绵延、植被丛生。隧址范围内主要分布为侏罗纪上统小溪组下段地层（J3Xa），一套火山碎屑岩系，为浅灰、深灰色流纹质晶屑凝灰岩组成，局部夹灰色中厚层状沉凝灰岩及灰黑色凝灰熔岩。
构造裂隙水是本隧道的主要地下水类型，地下水与地表水水利联系良好，影响隧道施工的主要为孔隙水和基岩裂隙水。该段隧道埋身约10.2～8.5m，地质结构依次为2.8m左右的灰黑色耕植土、3.5m左右的碎石土及全风化、强风化晶屑凝灰岩。地形为狭长形山谷，为汇水地貌。DK126+070～+060处地表有一条与铁路线路走向夹角约60°山涧小河，河床宽度2.5～3.0m，水深1.0～1.5m。隧道围岩为黄褐色强～全风化晶屑凝灰岩、岩体破碎，节理裂隙发育，走向120°～140°角，裂隙水发育，开挖后掉块现象严重。
2、施工技术措施
对松散、富水段围岩进行超前支护注浆，在开挖轮廓线四周形成一定强度和厚度（3～ 5m）的水泥浆封闭拱，以围岩的自承能力和稳定性是本方案的前提，开挖中减少对围岩的扰动是本方案的施工重点。超前小导管施工、水泥－水玻璃双液注浆和三台阶预留核心土开挖是保证施工方案顺利实施的关键。施工中如何确保超前小导管、双液注浆、三台阶预留核心土开挖质量决定了施工方案的成败。
2．1 超前小导管施工
由于岩体为全～强风化凝灰岩、基岩破碎、含水量大，成孔困难，容易卡钻、坍孔，钻孔操作比较困难。如何确保小导管的位置和角度满足设计要求，是方案成败的关键所在。

超前小导管横断面布置图

施工主要工序：
（1）钻孔：钻孔前先检查气腿式风枪状况是否正常。钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到孤石时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。小导管外插角控制在5°～10°，钻进过程中用测斜仪测定其位置、倾角，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。
（2）清孔、验孔：用高压空气从孔底向孔口清理钻碴，用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。
（3）钢花管制安：在钢管上按照15cm的间距梅花布置钻注浆孔，并在尾部留置不小于1m的止浆段。钢花管安装采用直接插入法，必要时通过在尾部加垫板用风枪送入。

超前小导管构造图
（4）钢花管与钢拱架的焊接：钢花管安装完毕后，通过电焊与钢拱架进行有效的焊接，使其成为一体。管口处进行封堵，安装注浆孔。
（5）封闭岩面：为确保注浆效果，对开挖岩面采用厚度3～5cm的C25喷射砼封闭，作为止浆墙。对于管口处的没有喷射到位的地方，用锚固剂对钢管周围进行封堵，确保在注浆过程中不漏浆。
2．2 水泥－水玻璃双液注浆施工
该段围岩岩体破碎、裂隙发育、孔隙大、渗透性较好，为超前预注浆施工增加了难度。预防浆液流失和有效控制注浆量是注浆工作首要控制点，是能否形成稳固、安全可靠的加固圈的关键。注浆操作主要包括以下几个工序：
（1）注浆参数：水泥浆液水灰比为0.8～1.0左右，水玻璃浓度30～35波美度，水泥浆与水玻璃体积比1:0.3～1:0.8，注浆压力0.5～2.0MPa。
（2）注浆顺序：采取由低孔位向高孔位进行，即由拱脚至拱顶顺序进行。
（3）注浆准备工作：注浆前先检查注浆管路，确保管路畅通、不阻塞、不跑浆，机械性能良好。确认各项准备工作完成后，做现场注浆试验，确定合理的注浆参数，据以施工。
（4）注浆施工：注浆采用两次间歇法进行。首次注浆可适当减少水灰比，增加水玻璃掺量，注浆压力控制在0.5～ 1.2MPa，当相邻孔眼有浆液流出时即结束首次注浆。间歇3～5 个小时后，进行第二次高压注浆，注浆压力1.2～2.0MPa，当进浆量小于20L/10min 时可结束注浆工作。若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均被浆液充填，方可终止注浆。
（5）注浆过程派专人值班，填写《注浆记录表》，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。
2．4 监控量测
（1）地质和支护状态观察
每次开挖后，由地质工程师对开挖面的地质状况及分布、掌子面自稳性、围岩状态、断层分布、涌水地点、涌水量、软弱层分布等情况进行观察，并依据观测结果作出详细的地质素描，作为分析、判定围岩稳定性的第一手资料。同时，定期对全隧道的支护结构的变化情况进行观察，发现隐患及时处理。
（2）地表下沉
由于地表埋深10.2～8.5m，小于隧道开挖宽度14.38m，故测点纵向间距按照10m一个断面布置。地表下沉与洞内收敛、拱顶下沉量测断面里程对应布置。测点用长20～30cm的钢筋制成，周围以砼包裹牢固，并作好标记，依次编号，以便于观测和记录。水准点距离隧道中线220m左右，远离施工区。
按距开挖面距离确定监测量测频率表
监控量测断面距距开挖面距离（m）
监控量测频率
0～14.5
2次/d
14.5～29
1次/d
29～72.5
1次/2～3d
＞72.5
1次/7d
按位移速率确定的监测频率表
变形速度（mm/d）
量测断面距离开挖面的距离（m）
量测频率
≥5
0～14.5
（1～2）次/d
1～5
14.5～29
1次/d
0.5～1
14.5～29
1次/（2～3d）
0.2～0.5
29～72.5
1次/2d
＜0.2
＞72.5
1次/周
地表下沉测量从DK126+100处开始，观测频率见《监测项目、量测方法及频率表》。利用JSS30A型水准仪、水准尺测出各点的标高，进而计算出各点沉降量。量测应持续到衬砌结构封闭，并确认表面沉降基本停止时为止。

地表下沉测点布置图

（3）拱顶下沉、周边收敛
初期支护完成后，用风钻钻孔埋设测点，测点用150～200mm长的短钢筋加工而成，测点设置在稳固的基岩上，周围用水泥砂包裹。拱顶下沉和周边收敛根据位置不同设置在同一断面上。

拱顶下沉、周边收敛测点布置图

（4）监控量测数据分析、处理
监控量测数据取得后，及时进行校对和整理，同时要标明开挖面距监控量测点的距离。监控量测数据分析一般采用散点图和回归分析方法。监控量测的分析主要包括如下内容：
a．根据量测数值，在Excel表中绘制时态曲线。
b．通过对对数函数U=a+b/lg(1+T)、指数函数U=a.e-(b/T)、双曲线函数U=T/(a+bT)的试算，选用指数函数U=a.e-(b/T)作为回归曲线方程，预测最终变形量。预测最终变形量与实测值进行比较，判定其准确性。
c．及时反馈分析结论，提出相应工程对策建议。
3、 施工注意事项
3．1 超前小导管施工
a．为了控制超前小导管的外插角、减少超挖，采用小导管穿过钢拱架的方法减小外插角。
b．钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。
钻进过程中应运用测斜仪，进行钻孔偏斜度测量，严格控制小导管打设方向，并作好每个钻孔记录。发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应注浆封孔，待强度达到要求后，原位重钻。
3．2 水泥－水玻璃双液注浆
a． 注浆过程中，要随时注意泵压及流量变化，若吸浆量很大或压力突然下降，注浆压力长时间上不去，应查明原因。如工作面漏浆，可采取封堵措施；如跑浆可通过调换浆液种类、调整浆液配合比、采用间歇注浆等措施，已达到注浆目的。
b．对注浆过程中发现有大的空洞等，可首次先注水泥砂浆或砼，后进行注浆。
c．由于双液浆具有很强的早强性，注浆过程中注意注浆管道的清洗，防止管道堵塞。
3．3 三台阶预留核心土开挖
b．上导坑开挖施工中，对于全风化围岩，采用人工配合风镐开挖；对于强风化围岩，采用松动爆破，挖掘机挖除洞碴。施工中严禁放大炮，对围岩造成过大扰动。开挖循环进尺结合钢架间距采用0.8m，保证钢架紧贴掌子面及拱顶密室。对于由于掉块引起的空洞，可在施工初期支护时预埋注浆小导管，在初期支护完成后，注水泥浆或水泥砂浆填充密实。
c．钢架之间的连接是钢架成为整体的重要保证。对由于喷射砼造成的钢筋、钢架污染，焊接时务必清除，确保连接钢筋的焊接面和焊缝质量。
d．锁脚小导管是中导坑、下导坑施工安全的主要保证，在施工完上导坑初期支护后，挖除拱脚处核心土，施工锁脚小导管。由于围岩为全风化、滲水量大，对锁脚小导管进行注浆加固。
e．钢架落底采用交错落底是施工安全、质量的重要保证。施工中需始终保证钢架有一侧落在实地，不能两侧拱脚同时悬空。施工中中、下台阶每个开挖循环不得大于1.6m，即2榀钢架。
f．拱脚落在实地是减少沉降量的重要保证，施工中需保证拱脚处排水通畅、不积水。同时对于拱脚超挖部分进行浆砌片石回填，保证拱脚落在实地。
3．4 监控量测

a．监控量测点位在开挖过程中注意保护，防止挖掘机或爆破飞石碰撞测点，造成测点位移，影响测量数据的准确性。
b．在量测数据出现突变时，需及时反馈至作业层，进行加固处理。处理方法主要包括：补打注浆小导管、地表进行注浆加固、增加竖向支撑、增加横向支撑等。
c．对测量数据及时进行处理，利用回归分析方程，推算最终沉降量，为下部开挖预留变形量提供参照。
6、 结束语
本段隧道埋深超浅、围岩为全～强风化凝灰岩，地下水受地表水补给丰富，滲水量大、围岩遇水软化、泥化，自稳能力丧失较快，是该段围岩的主要特征。因此在施工处理中，抓住围岩稳定性差的主要原因，采取超前小导管配合水泥－水玻璃双液注浆进行止水加固，取得了加固围岩和超前支护的双重效果，整个过程安全、顺利。三台阶预留核心土开挖工法，有效的减少了变形量、减少了超浅挖。监控量测的结果为施工方案的可行性提供了有力的证明，并及时反映出初期支护中存在的问题，避免出现质量、安全事故。实践证明，采用超前小导管配合双液注浆、三台阶预留核心土法开挖、监控量测是大断面铁路隧道穿越超浅埋、地表水丰富的强风化～全风化软弱围岩地段的有效方法。