中铁五局五公司成贵项目部总工程师
摘要：砂层自稳性能低、易失稳，隧道施工过程中，经常造成掌子面涌砂、坍塌等危及作业安全等情况，给施工安全生产及成本控制造成很大的压力，本文通过对成贵铁路应山岩隧道进口穿越风化砂层的施工工艺和取得的成绩的介绍，总结其采取的一系列行之有效的技术措施和方法，为今后的隧道通过类似地层施工提供参考及借鉴。
关键词：风化砂层；客运专线隧道；超前周边注浆；三台阶临时仰拱法
1 工程概况
1.1 工程概况
成贵铁路乐山至贵阳段西起四川省的乐山市，向东经四川省的犍为县、宜宾市、长宁县、兴文县，云南省的威信县、镇雄县，贵州省的毕节市、大方县、黔西县，东至贵阳市。正线长515.02km，其中四川省境内258.577Km，云南省境内79.299Km，贵州省境内177.144Km。全线桥梁总长178.216Km占线路总长34.6%；隧道总长419.631Km；桥隧占线路比例81.5%；总投资约780亿元，为新建客运专线。设计时速为初始250公里，预留350Km，被称为“世界第一条山区高速铁路”，是国家实施新一轮西部大开发的标志性工程之一。
应山岩隧道位于四川省兴文县大坝苗族乡及云南省威信县旧城镇境内，属四川盆地南面山地与云贵高原的过渡地带，全长6861m，最大埋深700m，大部分埋深在200～300m左右，是成贵铁路重难点工程“四桥十三隧”之一，全隧分进口、出口两个工区；本单位管段为进口工区，承担正洞施工长度4138m（其中平导承担正洞施工长度为1444m），起止里程为D2K254+362～D2K258+500。隧道进口端线路前进方向左侧30m设置一座平行导坑，长2164m，平导起点对应正洞里程D2K254+362，单车道段衬砌净空尺寸为5.0m×6.0m（宽×高），采用无轨单车道运输。管段内隧道位于直线和曲线上，曲线起止点为D2K257+460.669～D2K258+500，曲线半径7000m，管段内隧道均为25‰的单面坡，顺坡施工排水。
隧道进口洞口段15m为VI级围岩，洞身穿越灰岩、白云岩、岩溶角砾岩夹石膏等可溶岩地层中，全隧道以III级围岩为主，IV级、V级围岩次之，预测隧道平常期涌水量为50015m3/d，雨期最大涌水量为10030m3/d。
该隧道为铁路总公司一级高风险隧道，主要风险源为洞口顺层软弱段、岩溶、特殊岩土、突泥涌水。
本隧V、VI级围岩每延米开挖量153m3，属大断面隧道，地下水对混凝土具有侵蚀性，作用环境等级为H3，二衬混凝土等级为C45；
1.2地质概况
隧区位于云贵高原北部扬子准地台东台褶带，地质构造复杂。断裂、褶曲均比较发育，地层岩体破碎，以东西向构造为主，洞口段D2K254+362～+461段洞身主要位于风化砂、细角砾土和碎石土层中，呈潮湿状，密实程度为稍密，局部夹有软粉质粘土和块石，上覆覆盖层厚22～25m，局部最厚可达55m。其中角砾土和碎石土充填物达40～50%，主要为砂岩碎块石风化形成的风化砂，分布不均匀。其中，D2K254+461～+431段位于风分层中，风化砂层厚度约10～14m，呈上宽下窄的沟槽桩分布，主要位于隧道洞身范围及拱部（拱顶以上1～8m范围），隧道边墙范围分部<6>粉质粘土，隧道基底位于<10>块石土（其下部为风化槽底，分布<8-1>地层）或者<12>基岩内，如下图1所示。
图1 D2K254+461～+431段纵断面示意图
1.3、地质探查
1.3.1 超前水平钻
通过1#横通道反向施工后，分别于D2K254+486上台阶隧道中线（1#）、D2K254+484下台阶左线（2#）进行水平钻孔取芯，1#孔芯样见图2，2#孔芯样见图3。
图2 D2K254+486上台阶隧道中心线（1#）芯样
图3 D2K254+484下台阶左线芯样（2#）（长45m）
1#取芯钻孔长45m，2#取芯钻孔长45m，1#、2#取芯钻孔在20～25m以后芯样采取率低，局部有突进现象，孔内有少量水流出，推测可能遇全风化砂层芯样无法采取。
1.3.2 地质雷达分析结果
根据第三方开展的地质雷达检测，结合超前钻孔情况分析D2K254+430～+461段以风化砂层为主，其间局部夹碎块石，局部含水。
1.3.3 掌子面揭示情况
隧道施工至D2K254+470附近时，上台阶逐步揭示含砂地层，砂层分布不均，呈散状，对砂样进行筛分试验，成分以中、细砂为主。
图4 D2K254+470.5上台阶 图5 D2K254+466上台阶
2 方案比选
2.1 常规方法
根据工程的环境特点和地质条件，以及砂层施工时不稳定性差，加之水的影响，所以常规过砂层主要采用全断面帷幕注浆+分部法开挖；
一般帷幕注浆分上、下两部分，先施做上台阶止浆墙，施做上半部孔进行打孔施做超前注浆，上部分注浆完成后，分左、右侧施做下半部止浆墙及超前注浆；固结一段，开挖一段，注浆量大、施工周期长、窝工现象严重；
图6 一般帷幕注浆纵剖面图
2.2 优化方案
根据超前地质预报和掌子面揭示情况得知，该段为砂岩风化形成的风化砂为主，局部夹碎块石层，分析施工风险主要为开挖后轮廓线周边的稳定问题可能导致的涌沙突泥及塌方等，通过重点加固开挖轮廓线周边围岩，增强轮廓线周边围岩自稳能力来达到保证施工和后期运营安全的目的。
原设计该段采用全断面开挖进行超前周边注浆，注浆范围为开挖轮廓线外5m。主要设计参数：施做2m厚C25砼止浆墙；注浆段落长度30m；注浆采用普通水泥浆或硫铝酸盐水泥浆，外圈孔以硫铝酸盐水泥浆液为主，其余孔采用普通水泥浆液，水泥浆水灰比0.8～1：1；注浆开孔不小于108mm，终孔直径不小于90mm；注浆终压为1.5～4MPa；共设置5环注浆孔，共116孔，孔长2774m。
图7 原设计全断面开挖注浆纵剖面图
通过对布孔方案进行分析，采用调整孔位和开孔角度，可以达到只通过上断面开孔，能达到对开挖轮廓线周边全覆盖注浆的目的，超前注浆纵向长30m，即D2K254+461～+431，施钻采用上台阶开孔，钻孔角度如图8所示：
图8 上半断面开孔超前周边注浆纵剖面图
3、施工流程
3.1施工准备
3.1.1作业人员安全技术培训
根据作业内容和特点，项目部工程部、安质部分别对作业人员和管理人员进行施工技术和作业安全要点培训，并组织考核，考核合格方可上岗作业；
3.1.2测量放线
技术人员根据已联测过的控制点在现场将需进行超前注浆起点位置在现场测量出来，并用红油漆在初支面上标识清楚；
3.1.3 浆液配合比调试，选出最适合的配合比
按照外圈孔的采用快凝硫铝酸盐水泥浆，内圈孔采用普通硅酸盐水泥浆的要求，试验室通过试拌，通过对浆液的初凝时间和终凝后的强度性能等指标，确定最终的浆液配比；
3.2 施工工艺
3.2.1 工艺流程
图9 施工工艺流程图
3.2.2.1 止浆墙施工
止浆墙采用C35混凝土浇筑，厚2m，周边采用2排环向间距1.5m，排距1.0 m，长2m的Φ25mm砂浆锚杆，嵌入围岩1m。止浆墙浇筑前采用足够的Φ108mm钢管并焊接好法兰盘对掌子面股状水进行集中引排，并将基岩面虚渣清理干净，以便于径向注浆施工结束后对掌子面涌水进行顶水注浆。周边预埋3m长的Φ42mm导管，止浆墙浇注完成后，通过导管进行注浆对止浆墙与初支护间的裂隙进行封闭。
3.2.2.2 场地硬化处理
为了满足钻机施工作业要求，必须在止浆墙后方预留9m长的作业平台。将止浆墙后方9m范围内整平压实，之后浇筑25cm厚C20砼做为钻机施做平台，便于钻机移动定位，提高工效。
3.2.2.3 钻孔、清孔
超前周边注浆加固止浆墙前方30m范围内的围岩。通过止浆墙布置Φ127mm钻孔，孔深7～30m，之后顶入Φ108mm无缝钢管，外露20cm。如图10所示孔位布置图：
图10 止浆墙开孔孔位布置图
3.2.2.4 注浆
（1）注浆工艺
注浆钻孔过程中每次钻深3～10m后安设注浆堵头进行注浆施工，当该段注浆达到设计结束标准后，拆除注浆堵头在原孔深基础上再钻进3～10m，注浆到设计标准，再钻孔，如此循环直到钻注到设计深度，施工中根据地质情况运态调整钻注分段长。
表1 注浆设计主要参数表
（2）注浆顺序
先在掌子面选择4个孔作为超前地质探孔，对前方地质情况进行判释，超前探孔采用掌子面平均布孔原则。
注浆顺序按“由外到内、由下到上、间隔跳孔”的原则进行，以达到控域注浆，加固围岩的目的。
（3）注浆材料
注浆材料采用普通硅酸盐水泥为主，早强硫铝酸盐水泥单液浆为辅。施工过程中根据涌水情况及地层吸浆情况进行材料种类及配比选择调整，如表2所示。
原材料：外圈孔以硫铝酸盐水泥浆为主，其余孔采用普通水泥单液浆；
表2 浆液配比参数表
（4）注浆结束标准
1）单孔注浆结束标准
注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到设计压力并稳压10min不下降，且注浆速度小于20L/min，即可结束该孔注浆。
2）全段结束标准
①设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。
②按总注浆孔的3～5%设计检查孔，检查孔满足设计要求。
3）效果检查及评定
注浆效果评定是决策开挖施工方案的依据。
①根据现场钻孔所揭示的地质状况，注浆结束后，可采取分析法即结合注浆过程中P-Q-t曲线分析及反算注浆后地层的浆液填充率判断注浆效果。
若达不到注浆效果应进行补孔注浆。
3.2.2 施工过程
根据注浆方案要求，我部自2015年5月4日开始试验孔施工，试验共选取15个孔，分别为E13、D1、E21、E2、D11、D3、A14、E9、E20、D12、E14、A4、D9、D10、E19，到2015年5月9日试验孔施工完成。
3.2.2.1 试验孔施工情况
试验孔共完成钻孔229m，注浆压力1.5～4Mpa，注浆量180.9m3；每延米孔注浆量为0.78m3。
其中情况如下：
E13孔位置于右侧拱脚，终孔断面22m；孔深25m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量3.2m3），第二级长6m（注浆量5.022m3），第三级长6m（注浆量4.278m3），第四级长7m（注浆量5.580m3）；
D1孔位置于右侧拱脚，终孔断面12m；孔深13.5m，采用分级钻进，第一级长8m（注浆量5.104m3），第二级长5.5m（注浆量3.696m3）；
E21孔位置于右侧拱脚，终孔断面22m；孔深25m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量2.678m3），第二级长6m（注浆量2.931m3），第三级长6m（注浆量2.933m3），第四级长7m（注浆量4.208m3）；
E2孔位置于左拱腰，终孔断面22m；孔深23m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量7.525m3），第二级长6m（ 注浆量18.275m3），第三级长6m（注浆量13.437m3），第四级长5m（注浆量14.513m3）；
D11孔位置于右拱腰，终孔断面12m；孔深13.5m，采用分级钻进，第一级长8m（注浆量2.784m3），第二级长5.5m（ 注浆量2.016m3）；
D3孔位置于左拱腰，终孔断面12m；孔深13.5m，采用分级钻进，第一级长8m（注浆量3.249m3），第二级长5.5m（ 注浆量2.451m3）；
A14孔位置于右拱脚，终孔断面30m；孔深32.5m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量2.984m3），第二级长6m（ 注浆量3.686m3），第三级长6m（注浆量3.684m3），第四级长6m（注浆量3.686m3），第五级长8.5m（注浆量3.51m3）；
E9孔位置于右拱腰，终孔断面22m；孔深23m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量3.852m3），第二级长6m（ 注浆量3.852m3），第三级长6m（注浆量4.333m3），第四级长5m（注浆量4.013m3）；
E20孔位置于左拱脚，终孔断面22m；孔深25m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量1.584m3），第二级长6m（ 注浆量1.518m3），第三级长6m（注浆量1.584m3），第四级长7m（注浆量1.914m3）；
D12孔位置于右拱脚，终孔断面12m；孔深13.5m，采用分级钻进，第一级长8m（注浆量1.008m3），第二级长5.5m（ 注浆量0.792m3）；
E14孔位置于右中部，终孔断面22m；孔深25m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量0.864m3），第二级长6m（ 注浆量0.936m3），第三级长6m（注浆量0.972m3），第四级长7m（注浆量0.827m3）；
A4孔位置于左拱腰，终孔断面30m；孔深31.5m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量2.538m3），第二级长6m（ 注浆量2.901m3），第三级长6m（注浆量2.538m3），第四级长6m（注浆量2.82m3），第五级长7.5m（注浆量3.243m3）；
D9孔位置于右拱腰，终孔断面12m；孔深13.5m，采用分级钻进，第一级长8m（注浆量6.612m3），第二级长5.5m（ 注浆量4.788m3）；
D10孔位置于右拱腰，终孔断面12m；孔深13.5m，采用分级钻进，第一级长8m（注浆量13.862m3），第二级长5.5m（ 注浆量10.038m3）；
E19孔位置于左中部，终孔断面22m；孔深25m，采用分级钻进，第一级长6m（注浆量9m3），第二级长6m（ 注浆量16.312m3），第三级长6m（注浆量18m3），第四级长7m（注浆量12.938m3）；
根据试验孔的注浆情况分析，该段地质复杂，注浆量分布不均；
3.2.2.2 序列孔施工
注浆施工开始于2015年5月9日正式开始，到2015年5月26日，全部完成。完成钻孔99个，累计钻孔长度2325m，注浆孔数99个，完成普通硅酸盐水泥注浆1087.645m³，硫铝酸盐水泥注浆294.841m³，合计1382.486m³（折合每延米0.59m3）。
A序列孔（A1～A21，每孔设计长度30m），注浆量396.4m³，注浆深度633m，每延米注浆量0.626m3；
B序列孔（B1 ～ B15，每孔设计长度30m），注浆量183.5m³，注浆深度450m，每延米注浆量0.408m3；
C序列孔（C1 ～ C14，每孔设计长度30m），注浆量209.9m³，注浆深度420m，每延米注浆量0.5m3；
D序列孔（D1 ～ D21，每孔设计长度12m），注浆量188.7m³，注浆深度296m，每延米注浆量0.637m3
E序列孔（E1 ～ E21，每孔设计长度21m），注浆量372.1m³，注浆深度484m，每延米注浆量0.769m3；
F序列孔（F1 ～ F6，每孔设计长度6m），注浆量31.9m³，注浆深度42m，每延米注浆量0.760m3；
图11 止浆墙开孔 图12 钻孔
图13 钻孔
2015年4月24日正式开始超前周边注浆施工；到2015年5月26日全部完成，共完成钻孔99个，累计钻孔长度2325m，累计注浆完成普通硅酸盐水泥浆1087.645m3，硫铝酸盐水泥注浆294，841m3，合计1382.486m3；2015年6月8日完成该段注浆效果评定。
四、资源配置
为确保注浆效果，选用专业注浆队伍实施注浆加固工程。
4.1设备配置
表3机械设备配置表
4.2劳动力配置
表4 劳动力配置表
五、注浆效果及开挖情况
5.1 注浆效果评定
注浆结束后，按照注浆设计、与参建各方沟通，采用注浆P-Q-T曲线和检查孔孔内成像两种手段进行了综合效果评定，评定结果达到要求。
（1）施工过程中实时记录各时间段对应的注浆压力P、注浆速度Q，并根据所记录的数据绘制P-Q-T曲线。根据绘制的P-Q-T曲线显示，注浆施工中的P-T曲线呈上升趋势，Q-T曲线呈下降趋势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压（1.5～4Mpa）时，注浆速度达到设计注浆速度（小于20L/min），注浆效果满足设计要求。
图14 A-17孔注浆P-Q-T曲线图 图15 B-7孔注浆P-Q-T曲线图
（2）洞内超前预注浆施工完成后，进行钻孔孔内成像法检查注浆效果，共4个检查孔，孔壁光滑无塌孔现象，孔壁可见浆液填充饱满，由此判断该段加固良好。
图16 J1钻孔孔内成像检查（11.8m处） 图17 J1钻孔孔内成像检查（23.6m处）
图18 J1钻孔孔内成像检查（25.6m处） 图19 J2钻孔孔内成像检查（9.3m处）
图20 J2钻孔孔内成像检查（13.7m处） 图21 J2钻孔孔内成像检查（25.4m处）
图22 J3钻孔孔内成像检查（13m处） 图23 J3钻孔孔内成像检查（28.4m处）
图24 J4钻孔孔内成像检查（3.6m处） 图25 J4钻孔孔内成像检查（19.8m处）
图26 J4钻孔孔内成像检查（28.7m处）
5.2 开挖情况
2015年6月8日，D2K254+463～+433段注浆效果评定合格后，我部即组织人员对该段进行开挖掘进作业，该段通过P-Q-T曲线分析和孔内成像效果评价，该段注浆固结效果较好，经建设单位和设计单位同意，具备台阶法开挖的条件，开挖时该段工法由CRD变更为台阶法；根据开挖揭示情况显示：该段注浆后，围岩固结密实，自稳性较好，无水。
图27 D2K254+453上台阶掌子面 图28 D2K254+445上台阶掌子面
上台阶开挖揭示，隧道注浆后，掌子面自稳性增强，无掉块、溜坍现象；
图29 D2K254+455开挖揭示掌子面 图30 D2K254+432段上台阶掌子面
六、质量安全保证措施
1）注浆压力从低到高逐渐加压，但注浆压力不易过高，达到设计注浆压力即可停止注浆，避免过多的扰动地层；
2）施工时项目部应安设有一定排水能力的排水系统，施工中应做好排水准备工作，以防止施工中大量涌水形成危害；准备好抢险材料，做好抢险准备工作；
3）钻孔、注浆人员熟练掌握有关作业规程；禁止在不停机械的情况下进行任何修理；注浆泵及管路内压力未降至零时，不拆除管路或松开管路接头，以免浆液喷出伤人；钻机和注浆泵由专人负责操作，未经同意其他人不得操作；注浆人员在拆管路、操作注浆泵时戴防护眼镜，以防浆液溅入眼睛；
4）注意用电安全，高空作业应有防坠落措施，采用合格电线，并安装漏电保护装置，防止漏电，布线、接头时要做到安全无障；
5）在扫孔过程中，人员撤离到安全地带，防止由孔口吹出土石块伤人；
6）每一孔注浆完成后，先泄压，再拆管，防止注浆管内高压伤人；
7）在钻孔、注浆过程中加强洞洞内量测和检查，随时掌控围岩变形情况，如发现围岩变形异常，立即采取措施；
8）钻孔、注浆上下同时作业时，搭设支架必须牢固，同时支架上必须面铺木板，以满足支架上人员和机械设备的安全正常使用；
9）钻机、注浆泵应定期保养，修护，加油；
10）洞内掌子面后方30m范围内要加固，注浆期间洞内要加强监测。
11）掌子面应有安全警报系统和通信系统，并配备足够内力的排水系统和应急材料，防止涌水、突泥，一旦其它掌子面出现险情，立即报警，组织现场人员撤离。
七、结束语
通过对成贵铁路应山岩隧道采用上半断面开孔进行超前周边注浆施工来看，减少了设备的多次转运和人员窝工，速度快，工效高，且通过孔内成像技术，效果直观、准确，为后续隧道开挖工法的选择提供了直接的依据，为后续类似工程施工提供了参考和借鉴。
参考文献：
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［2］关宝树、赵勇 软弱围岩隧道施工技术.人民交通出版社. 2011年8月
［3］王继胜.帷幕注浆技术在水库除险加固工程中的应用［J］.黑龙江科技信息.2013（16）
论文作者:颜勇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：注浆论文; 钻孔论文; 断面论文; 隧道论文; 围岩论文; 超前论文; 作业论文; 《基层建设》2018年第6期论文;