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軟弱圍巖接觸帶高壓大涌水隧道開挖技術研究
摘要： 軟弱圍巖接觸帶地下水復雜、拱頂易坍塌、邊墻易收斂、圍巖變形大、監控量測難。為了解決這些問題，保證安全施工，對圍巖接觸帶高壓大涌水隧道開挖支護施工技術進行研究，并將其應用在實際施工中，不僅保證了施工質量和工期，圓滿完成了施工任務，而且有一項專利技術已授權，對同類工程施工具有借鑒意義，也具有廣泛的推廣應用價值。
關鍵詞： 軟弱圍巖;施工技術;高壓大涌水
引言
圍巖接觸帶屬于典型的不良工程地質，構造發育，巖體破碎，風化嚴重，大多含有豐富的地下水，水頭壓力大，給隧道施工帶來巨大的安全風險。新建東北東部鐵路通灌段工程雙嶺隧道圍巖接觸帶構造發育，裂隙貫通，日涌水量超過23000m3，如何保證工程質量和施工安全，解決高壓大涌水，預防坍塌，快速掘進是工程建設中的難題。為了克服這一難題，筆者針對軟巖高壓大涌水的現象及成因展開分析，提出運用隧道開挖施工技術對軟巖巷道進行有效支護，提高圍巖的穩定性，保證安全施工。其中一項關鍵技術《隧道圍巖監測自動報警系統》已獲實用新型專利授權，專利號：ZL 2011 2 0529270。
1、主要施工方案
1.1 地下水探測
根據碘化鉀溶于水并隨水流動，碘化鉀溶液加入溴水反應生成的單質碘遇到淀粉變藍色的化學原理，施工前在隧道洞頂探坑及多處小溪中依次投放碘化鉀，然后在隧道內提取水樣進行化學檢測，探測圍巖接觸帶復雜的地下水情況，分析測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造發育，裂隙貫通，日涌水量超過23000m3，為了給掘進施工創造工作面，同時防止水頭壓力傳遞給圍巖導致圍巖坍塌，現場根據涌水股流位置采取選擇性注漿堵水，即對水流小的部位先注漿，逐步將地下水圍堵至單側下臺階的預留泄水管集中排放。
1.3 上臺階交錯開挖，增設臨時斜撐
雙嶺隧道圍巖接觸帶已風化成泥土狀，極其松軟，拱部極易坍塌，施工過程中將上臺階從中線分成左右兩半，前后錯開兩個循環分步開挖支護，隨挖隨支，半邊拱架支護時增設臨時斜撐，圍巖暴露面積小、時間短，所增設臨時斜撐施工簡單，拆除方便，有效防止拱頂坍塌。詳見圖1。
1.4 圍巖自動監測
根據新奧法施工原理，由于雙嶺隧道圍巖接觸帶圍巖已風化成泥土狀，加之地下水壓力巨大，圍巖監控量測難度較大。現場采用“圍巖量測自動報警系統”(已取得專利，專利號：ZL 2011 2 0529270.3)進行圍巖監控量測，時刻監控拱頂下沉及邊墻收斂情況，保證人員安全，指導現場施工。
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施工工藝流程如圖2所示。
2.2 操作要點
2.2.1 復雜地下水探測
①地下水流示蹤劑的選擇。
根據碘化鉀溶于水并隨水流動，碘化鉀溶液加入溴水反應生成的單質碘遇到淀粉變藍色的化學原理，現場選擇碘化鉀作為地下水流示蹤劑，進行圍巖接觸帶地下水流探測。
②地下水流示蹤劑的投放。
施工前在隧道洞頂測量圍巖接觸帶里程位置，并結合地表情況、巖層走向開挖多個探坑，待探坑出現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。
③示蹤劑的收集和檢測。
自投放示蹤劑后每兩小時在隧道掌子面各涌水口分別汲取水樣，標記存放，統一送檢。檢驗時在水樣中先后滴入溴水和淀粉溶液，出現藍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流入隧道掌子面。
④地下水流速分析。
根據投放示蹤劑到隧道水樣中出現示蹤劑的時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，為雨季對隧道涌水的影響提供參考。
⑤地下水流量分析。
由于掌子面涌水空隙不規則，難以測定涌水流量，現在在距離掌子面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，根據矩形溝中流水深度和水流速度可計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造發育，裂隙貫通，根據探測，地下水在裂隙中上下貫通，水頭壓力巨大，水量補給充沛，日涌水量超過23000立方米，現場采取連續停工7天泄水，但涌水量和水頭壓力并未明顯減少，現場施工選用水泥-水玻璃雙液漿堵水。
②注漿部位選擇。
如果采取傳統的帷幕注漿堵水，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，導致圍巖變形和坍塌失穩。為了給掘進施工創造工作面，同時防止水頭壓力傳遞給圍巖導致圍巖坍塌，根據現場觀察，隧道掌子面右側涌水股流較大，數量較多，左側相對較少，采取左側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下臺階的預留泄水管集中排放。按照選擇性注漿堵水，將大部分掌子面涌水封堵，為掘進提供作業面，同時避免地下水壓力增加導致圍巖坍塌。
③注漿管布置。
選擇性帷幕注漿采用雙排?準42無縫鋼管，長度為6m，外插角分別為30°和10°。注漿導管在構件加工廠制作，前端做成尖錐形，尾部焊接?準8mm鋼筋加勁箍，管壁上每隔150mm交錯鉆?準8溢漿孔。注漿導管加工見圖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封閉掌子面作止漿墻，注漿壓力一般為0.8MPa，施工中根據現場試驗確定合理的注漿參數。注漿作業中認真填寫注漿記錄，隨時分析和改進作業，并注意觀察工作面圍巖和地下水的狀態。注漿操作見圖4。
2.2.3 上臺階分步開挖及支護
①左半臺階開挖。
雙嶺隧道圍巖接觸帶已風化成泥土狀，極其松軟，拱部極易坍塌。傳統的臺階法施工上臺階左右側同時開挖并立拱架，對于軟弱圍巖增設臨時仰拱，缺點是單循環工作時間較長，圍巖暴露較多，增設的臨時仰拱拆除較困難。
雙嶺隧道圍巖接觸帶施工過程中將上臺階從中線分成左右兩半，根據選擇性注漿堵水的順序，左半臺階先開挖，右半臺階暫不開挖，利用原狀土支承右半臺階。如圖5所示。
②左半臺階支護。
左半臺階開挖一榀拱架的距離后立即進行支護，在拱架拱腳和拱頂部位均打鎖腳錨管進行固定，縱向采用?準22螺紋鋼筋進行連接，同時在左半臺階拱架距離拱頂1/4處增設槽鋼臨時斜撐，然后噴射混凝土，打設中空錨桿并注漿。如圖6所示。
③右半臺階開挖支護。
待左半臺階開挖超前5m時，右半臺階開始開挖支護，開挖支護方法參照左半臺階施工。如圖7所示。
④臨時斜撐拆除。
右半臺階拱架和左半臺階拱架在拱頂采用螺栓連接，待噴射混凝土強度達到5MPa后，拆除臨時斜撐，用于下一循環施工。
前后錯開兩個循環分步開挖支護，隨挖隨支，半邊拱架支護時增設臨時斜撐，優點是單次施工工程量及工作時間減半，圍巖暴露面積小、時間短，所增設臨時斜撐施工簡單，拆除方便，有效防止拱頂坍塌。
2.2.4 圍巖監控量測
①圍巖監控量測方案選擇。
根據新奧法施工原理，軟弱圍巖初期支護預留一定變形量，待圍巖應力重新分配基本穩定，變形趨緩后再進行二次襯砌施工。由于雙嶺隧道圍巖接觸帶圍巖已風化成泥土狀，加之地下水壓力巨大，圍巖監控量測難度較大。現場采用圍巖量測自動報警系統進行圍巖監控量測，時刻監控拱頂下沉及邊墻收斂情況，保證人員安全，指導現場施工。
②監控量測點位選擇。
只完成圍巖量測自動報警系統安裝點位如圖8所示。
3、產生的效益
3.1 經濟效益
采用的綜合地質超前預報、采用碘化鉀為示蹤劑探測地下水、選擇性帷幕注漿堵水、上臺階左右側分步開挖、增加臨時斜撐，及時支護，加強量測，科學組織，采用三臺階五掌子面交錯施工，流水作業，節約工期，降低了綜合成本，增加了經濟效益。詳見表1。
3.2 社會效益
項目在實施過程中，施工控制措施到位，管理嚴謹，環保水保符合規定，無安全、質量事故發生，對隧道質量和安全控制良好，建設單位多次組織設計、監理和其他施工單位到現場觀摩學習，并給予了高度評價。2009年度、2010年度施工單位中鐵十二局集團有限公司東北東部鐵路新建通化至灌水段工程項目經理部連續兩年榮獲“沈陽鐵路局質量安全信用評價第一名”稱號，創造了良好的社會效益。
4、結束語
針對圍巖接觸帶極軟圍巖高壓大涌水隧道地下水復雜、拱頂易坍塌、邊墻易收斂、圍巖變形大、監控量測難等特點，采用碘化鉀為示蹤劑探測地下水，圍巖監測自動報警系統及增加臨時斜撐等有效措施，安全的完成了施工任務，保證了施工質量和工期，對同類工程施工具有借鑒意義，并有廣泛的推廣應用價值。
參考文獻：
[1]陳達才.龍祖山隧道右線進口端淺埋軟巖地段施工技術[J].公路交通技術，2006(04).
[2]孫鈞.山嶺隧道工程的技術進步[J].西部探礦工程，2000(01).
[3]汪德志.復雜地質環境下隧道施工技術[D].西南交通大學， 2011.
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