罗发胜 闵娟
摘 要：通过合理计算地下涌水量、处理地表冲沟水、选择开挖方法及支护参数制定详细的隧道穿越浅埋段冲沟方案，提高施工效率，节约经济成本，保障隧道施工安全，确保博深高速公路按计划通车。
关键词：特长大断面隧道；冲沟；施工方案；涌水量计算
1 项目概述
1.1 工程简介
石鼓隧道为博深高速公路控制性工程，从银屏山自然保护区通过，双洞六车道设计，高度7.98m，宽度15.40m，为大断面隧道，左、右线隧道分离布设。左线起屹桩号ZK32+447～ZK36+458，长4011米，最大埋深534米；右线起屹桩号YK32+459～YK36+339，长3880米，最大埋深504米，是全线的控制工程。并且隧址区地质情况比较复杂，地下水丰富，浅埋段位于冲沟底下。因而，穿越浅埋段冲沟成为整座隧道施工的重点和难点。
1.2 浅埋段概况
石鼓隧道ZK33+140～ZK33+230以及YK33+060～YK33+160下穿保护区观光大道和山间谷地溪流，为浅埋段，浅埋段埋深较浅且地表有常流水。围岩主要由中-微风化熔结凝灰岩组成，岩质较硬，受F1断裂影响，节理发育，岩体破碎，地表水和地下水较发育，呈淋雨、渗流、涌流状，易发生坍塌冒顶、涌水问题。
此处浅埋段为石鼓隧道控制性工程，能否顺利通过直接决定博深高速公路的施工进度。
2 施工方案
2.1 施工流程
图1 施工流程图
2.2 地表水处理
YK33+210、ZK33+145洞身地表为一山谷溪流，并处于F1断裂影响带内，岩石破碎，节理较发育，洞身围岩较薄。该里程段安排在枯水季节期间施工。经现场察看发现，可在山谷溪流上游用浆砌片石筑坝蓄水，再用2根长150m公称外径1000mm的硬PVC管将溪流水引排至下游，从而最大程度地减少地表水对地下水的补给。
图2 地表水处理方案示意图
2.3 地下水涌水量计算
2.3.1 稳定流理论公式法
根据钻孔抽、注水试验成果，结合隧址区水文地质条件，隧道涌水量采用裘布依稳定流理论公式进行估算。
裘布依公式法：
式中：Q-单侧进水涌水量，m3/d；B-隧道穿过含水层中的长度，m；K-含水岩层的渗透系数，根据利用钻孔确定，m/d；H-隧道底面以上含水层平均厚度，m；h-水位下降曲线在隧道边墙上的高度，设为0；R-隧道排水影响宽度，m（利用《铁路工程地质手册》经验公式R=2S（HK）0.5计算；
需要指出的是，由于区内地下水动态受降水影响，变化较大，雨季以及现行施工的单洞其隧道涌水量将有一定的增大。
2.3.2 降水入渗法
降水入渗法隧道涌水量计算公式：
Q=2.74αWA
式中：Q-涌水量，m3/d；α-入渗系数；W-年降水量，mm；A-隧道通过含水体的地下集水面积，km2。
根据隧址区地形，隧道范围含水体地下集水面积范围划分原则左侧以山顶、山脊作为分水岭，右侧主要以山谷为界。年降水量采用当地多年年均降水量。
2.3.3 瞬变电磁仪法探测
在离前方富水或断层破碎带30～50m的位置探测，该探测手段对地下水较为敏感。
2.3.4 钻孔计算法
根据超前地质预报的结果推断前方富水或断层破碎带的位置，主要采用钻机进行水平钻探，提前5m钻孔，钻孔长度可取10～20m，然后在出口处安装水表。最后两次读取水表的读数W1，W2，并记录两次读数之间的时间T。由此可以得到：
钻孔计算法计算公式：
Q=W/T，W=W1-W2
式中：Q-涌水量，m3/h；W-在时间T内收集到地下水的总量，m3；T-时间，h。
2.4 开挖方法
ZK33+140～ZK33+230和YK33+060～YK33+160设计为IV级围岩，但是根据钻探资料及地调成果，本段围岩主要由中-微风化熔结凝灰岩组成，岩质较硬。实际施工时，根据地质预报结果和掌子面围岩揭露的实际情况，拟采用以下两种方法。
2.4.1 上下台阶留核心土开挖法
当岩体为散体状或碎裂状结构，且地下水丰富时，为保证隧道施工的安全，拟采用上下台阶留核心土的开挖方法，由于该浅埋段覆盖层在19～27m，为确保开挖安全，拟控制进尺在2m内。
上下台阶留核心土法施工顺序：
Ⅰ、拱部超前小导管注浆预支护或拱部钢插管超前支护→2.上半断面中导坑开挖→Ⅲ、上半断面中导坑初期支护（安装钢拱架、挂钢筋网、安装锚杆、喷混凝土）→4（6）、上半断面左（右）导坑开挖→Ⅴ（Ⅶ）、上半断面左（右）导坑支护→8、核心土开挖→9、下半断面左侧开挖→Ⅹ、下半断面左侧初期支护（安装工字钢、挂钢筋网、安装锚杆、喷混凝土）→11、下半断面右侧开挖→Ⅻ、下半断面左侧初期支护（安装工字钢、挂钢筋网、安装锚杆、喷混凝土）→ⅩⅢ全断面模筑二次衬砌混凝土。
2.4.2 半断面开挖法
当岩体为层状、块状结构，地下水较丰富时，采用半断面开挖法，由于该浅埋段覆盖层在19～27m，为确保开挖安全，拟控制进尺在2m内。
半断面开挖法施工步序（见图4，图中阿拉伯数字代表开挖步序，罗马数字代表支护施工顺序）。
图4 半断面开挖法步序示意图
隧道用半断面法进行开挖时，需注意以下几点：
（1）需严格控制开挖进尺，每次开挖进尺以设计的两榀钢架间距为限，并及时施作支护，以达到短开挖，强支护的目的。（2）加强围岩监控量测，及时分析处理量测数据，以利进行下一阶段施工预控制，对隧道施工实行动态技术指导，确保施工的安全和隧道稳定。（3）根据随时掌握的围岩动态和和掘进所提示的工程地质情况，对地质发生变化的特殊不良地段可进一步采取加强支护措施，如：加密钢支撑，用喷射混凝土封闭掌子面等方法加以综合治理。
2.5 支护参数
（1）全断面采用系统锚杆支护，采用长度3.5mΦ22药卷锚杆，间距100cm×75cm。（2）采用I18工字钢拱架进行支护，间距0.75m。C20喷射混凝土厚度24cm，单层Φ8钢筋网，间距20cm×20cm。（3）小导管超前支护，管长450cm，Φ42壁厚4mm，拱顶部130°范围均布49根，间距40cm。（4）注浆参数根据地下水涌水量的大小进行选择，具体见涌水地段处理方法。
2.6 涌水地段处理方法
根据计算出来的涌水量大小分三种情况进行处理。
2.6.1 出水量Q≥2m3/h
对于厚度较大或岩质较差的断层破碎带且地下水较大（任一探水孔出水量Q≥2m3/h）时应采用深孔周边预注浆。
施工要点：
（1）超前地质预报：从F1切过隧道位置起算，提前100m进行（在ZK33+281、YK33+355处与洞身相交），应较准确的查出围岩级别、F破碎带的起点、终点位置、含水量等指标，可用TSP203仪等设备进行测试。（2）超前探孔：根据超前地质预报资料，主要采用水平钻探测涌水量，钻进中要详细记录涌水量情况；一次未发现含水段重复5m再探，直至确定出水带起点为止。探水过程中，如果出现特大水量，使其后续工作不好开展时，采用单孔双液灌注止水，设备可用双液浆机。（3）止浆岩盘设置：注浆加固范围为开挖轮廓线外8m，止浆岩盘位于出水段前5～8m，要求尽量将掌子面修理平整，大的裂隙要进行封堵，继后先喷4～6cmC20砼，再结合锚桩布设φ8钢筋网@20×20cm，再复喷砼至20cm厚。如果止浆岩盘在注浆过程中严重漏浆、跑浆，无法正常注浆时，应在原止浆岩盘上加做C20砼1.5～2m的止浆墙亦或在破碎掌子面设网后，直接现浇1.5～2m的止浆墙。（4）放线定位设孔口管：孔口管长3m，直径φ127×4mm，要求外露20cm，且呈伞状辐射状，共计5圈。由外向内编号I～V，其中I～III环均为28孔，第IV环22孔，第V环16孔，全断面122孔。各环孔位尽量做到梅花形排列。孔口管的管口应有法兰盘或外丝口变径接头，以利于注管和止浆塞的安装。孔口管的孔洞钻凿应使用φ150钻头，周边用麻絮塞紧，固定时应压双液浆。（5）钻孔注浆：钻孔时利用能升降的万能台架进行，本着先外圈后内圈，先下部后上部，隔孔钻注的原则，钻一孔注一孔，严禁成批齐注。注浆形式有全孔一次灌注和分段两种。钻孔过程中，如果遇到水量特大，造成管涌、射流时，可立即采用双液浆机对出水孔进行注浆止水，达到终注标准结束。剩余段重新洗孔注浆，直至合格为止。每一注浆段长设计为40m。当含水量超过40m时，注浆后开挖必须留出5m作为下一段的止浆岩盘。整个浅埋段含水段注完后，必须保证注浆段超过含水带5～10m，确保地下水封堵效果。（6）洞身及仰拱开挖。（7）洞身及仰拱初期支护。（8）二次衬砌。
2.6.2 出水量0.024m3/h≤Q<2m3/h
对于地下水涌水量0.024m3/h≤Q<2m3/h的地段采用全断面注浆止水的方法。
图7 全断面注浆止水
施工要点：
（1）超前地质预报：从F1切过隧道位置起算，提前100m进行（左线ZK33+330，右线YK33+384开始），应较准确的查出围岩级别、F破碎带的起点、终点位置、含水量等指标，可用TSP203仪和瞬变电磁仪等设备进行测试。（2）洞身及仰拱开挖。（3）洞身及仰拱初期支护。（4）测量出注浆段涌水量。（5）加固范围：注浆加固范围为全断面。钻孔直径为50cm，孔深L=500cm，孔间距为@150×150cm。（6）注浆段确定及注浆：确定了出水量和出水位置后，按照实测出水量及位置提前5～10m进行划段及打孔注浆。全断面止水注浆在初期支护之后进行，一般先注仰拱后注拱墙。仰拱部止水注浆时，初支砼强度应达到75%，拱墙部应达到90%以上。注浆管与注浆孔直径应有10～20mm的差值。注浆管尾与注浆孔之间应用棉絮塞死。注浆管设置应尽量垂直初支环面。管口必须具备止浆塞。全断层止水注浆必须分段进行。（7）二次衬砌。
2.6.3 出水量Q<0.024m3/h
对于地下水涌水量Q≤0.024m3/h的地段，不要求进行专门止水注浆，但应注意以下几点问题：（1）应按设计做好防水混凝土、防水隔离层、施工缝、变形缝、盲沟、排水管（沟）排水通畅。（2）加密布设14×3排水盲沟。
2.7 注意事项
（1）浅埋段通过F1断层，为保护银屏山自然保护区的地下水资源，通过超前地质预报等措施予以核实之后，应进行超前深孔预注浆处理。对地下水进行封堵处理，减少地下水排放量。（2）通过浅埋区时，应施作小导管超前支护。待超前支护完成之后，方可进行开挖工作。（3）加强浅埋区隧道监控量测工作。密切把握隧道围岩变形及衬砌受力情况，根据监控量测结果及时调整加强隧道支护。（4）考虑浅埋段埋深较浅且地表有常流水，为防止爆破震裂地表围岩导致地表水流入隧道洞内，隧道通过浅埋段时尽量采用人工挖孔。爆破时应采用微震爆破，严格控制装药量及爆破震动速度。
3 质量标准
3.1 预注浆液配比
水泥浆水灰比为1：1，水玻璃浓度35Be，水泥浆与水玻璃体积比1：0.6，缓凝剂掺量按水泥用量2%。
3.2 注浆检查标准
3.2.1 深孔预注浆
检查孔涌水量Q≤0.024m3/h，个别涌水量Q≤0.6m3/h，或在1MPa压力下进行压水试验，进水量Q<0.12m3/h时，可不补充注浆，否则应打孔补注。
3.2.2 全断面止水注浆
注浆前应实测被注浆段涌水量Q1，注浆后再次实测涌水量Q2，若Q2<0.2×Q1，可不补注浆，否则应补孔重注。
3.3 注浆压力及终注标准
3.3.1 深孔预注浆
初压取孔中静水压力（实测）的1.5～2倍，终压1～2MPa保持10分钟；或者达到单孔注浆量，亦或孔口冒浆，邻孔串浆可终止注浆。
3.3.2 全断面止水注浆
初始压力0.5MPa，终压1MPa，达到单孔注浆量；或孔口冒浆、邻孔串浆、初支面跑浆，可终止注浆。
3.4 单孔注浆量计算
计算公式：
Q=π×R×L×n×α×β
R-注浆孔有效扩散半径（m）：深孔预注浆取2m。全断面止水注浆取1m；L-注浆段长（m）：深孔注浆全孔一次注浆第I环取15m，第II环取27m，第III～V环取40m。全断面止水注浆，取5m。如果分段注浆，按实际取值；n-围岩孔隙率：取60%；α-填充系数：取80%；β-消耗系数：取1.1（包括洒、漏、跑浆）。
参考文献
[1]JTG F60-2009.公路隧道施工技术规范[S].
[2]JTG/T F60-2009.公路隧道施工技术规范[S].
[3]JTG F80/1-2004.公路工程质量检验评定标准[S].
[4]于书翰，杜漠远.隧道施工[M].北京：人民交通出版社，1999.
