实例分析铁路隧道施工止水技术

摘要：本文作者结合工程实例，介绍了高压富水铁路隧道的开挖止水与防水技术，供同行参考。

关键词：实例分析；铁路隧道；施工止水技术

中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：

高水压富水区铁路隧道的开挖，止水与防水通常决定隧道施工的成败，采用综合超前地质预报体系，及时了解隧道掌子面前方隧道地质状况和富水情况，便于采取相应的有效措施，确保了隧道止水与防水效果：通过对径向注浆、帷幂注浆等注浆堵水施工工艺、参数的研究，解决在不同水文地质情况下的注浆堵水施工技术。通过对高压富水铁路隧道施工技术的研究，探索出一套先进的施工技术，科学、快速、有效地解决高水压、富水隧道施工的技术难题。

1 工程概况

某隧道位于高水压富水区，按钻爆法方案设计，平行导坑全长贯通辅助正线施工，并结合运营、养护及防灾要求设计为永久性结构。平导长13540m，位于正线左侧，与隧道中线线间距30m。在施工阶段平导超前正洞施工，预先探明隧道地质状况的同时，平导通过横通道担负正洞施工任务，缩短隧道工期。在运营阶段作为排水、救援、防灾通道。

2 制定方案

防水、止水是该隧道施工的核心，制约着该隧道的施工进度和施工安全。如何控制地下水下降、保护好地表的水资源，以维持生态环境平衡；如何控制地下水在开挖、支护和衬砌阶段的工作面处于无水或少量渗漏状态，以确保隧道安全施工和隧道衬砌结构的稳定，是本工程攻关的重要课题。本隧道施工前，查阅了类似相关资料，参考和借鉴了国内外公路、铁路类似工程的施工经验，根据该隧道的工程地质和水文情况，以及所处的地理和周边环境，采取了以下综合施工技术。

2.1 综合地质超前预报

在平导超前三次涌水前，对各段均采用了TSP203、超前水平钻探、红外探水、水压量测等手段的综合超前地质预报。根据互相印证结果分析，准确地预报隧道掌子面前方围岩构造及富水情况。平导掌子面DzKll4+780出现突泥(砂)、涌水后，为进一步探明掌子面前方施工条件，在掌子面分别采用了TSP203、超前水平(径向)探孔、水压量测综合超前地质预报等手段，根据补勘资料进行结果分析。

2.2 注浆堵水、开挖防水及支护

对于隧道高压富水地段的突、涌水的处理，根据不同的地质条件、水压、涌水量采用相应的注浆技术、参数，采用小导洞超前、钻爆法扩大、小导管超前支护、多种方法联合强支护等开挖支护方法。

对于高压泥(水)断层段采取泄水减压、拱墙双层密排长管棚超前注浆支护、开挖面长钢管注浆锚固、环形钢架等联合强支护的新技术，有效地防止了突泥(水)，成功地通过了高压富水断层破碎带。对于断层过渡带采用先开挖软岩部分、支护并临时回填，再开挖硬岩部分的施工方法，成功地解决了隧道断面内岩土软硬不均的施工难题。

3 综合超前地质预测预报技术

3.1 TSP203声波探测仪探测

该系统从数据采集、处理和成果评估高度智能化，相对于其他地质超前预报手段具有适用范围广、预报距离长、对施工干扰小、提交资料及时、预报费用隧道延长米较低等优点。它主要用于开挖隧道工作面(掌子面)前方不良地质体、断裂破碎带、含水带等，进行探测和超前地质预报。

3.2 地质雷达探测超前地质预报方法

它是近年来发展非常迅速的一项新技术，在隧道施工中的应用较多，因其具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好。

3.3 掌子面地质素描法

地质素描是一种结合了中长距离超前地质预报成果，通报对揭示掌子面的地质编录，所实施的非常直观、简捷的短距离预报方法(也称短期预报)。因此，其预报结果准确度较高，是指导隧道施工的必备工作。地质素描主要内容包括地层岩性及产状、断层、节理、不良地质情况等。

3.4 HY-303型红外线探测仪探水

HY-303型红外线探测仪是利用红外遥感技术探测隧道掌子面前方含水构造的主要测试手段，即采用红外测温仪跟踪测量开挖面的岩石温度，连续地获取岩石的温度信息，从温度异常点判断含水构造。

3.5 超前水平地质钻探

为更进一步掌握掌子面前方的隐伏含水构造的地质资料和涌水情况，采用超前水平地质钻探的方法加以验证。通过超前水平岩芯钻孔探测，对钻探岩芯的分析，进一步探明掌子面前方的隧道围岩地质状况与水文地质的具体情况，根据探孔钻进的时间、速度、压力、成分以及卡钻力、钻芯和岩性构造性质及地下水情况，掌握其地质条件。

4 开挖止水与防水技术

4.1 径向注浆设计

径向注浆设计参数主要根据地层特点进行确定，并经现场试验后不断完善。在现场施工过程中，施工单位综合考虑超前地质预测预报成果、作业台架状况、止浆墙实际厚度等因素，本着满足设计参数要求、方便施工等原则进行完善，并将完善后的设计图纳入专项《施工组织设计》。

4.2 超前预注浆

当不能满足径向注浆等堵水加固条件时，实施超前预注浆加固方案。中天山隧道超前预注浆主要采用全断面帷幕注浆的注浆堵水方式。为防止钻孔过程中出现坍孔，中天山隧道的超前帷幕注浆均采取前进式分段注浆钻孔注浆施工模式。

4.2.1 止浆墙施工

止浆墙施工是在注浆时为满足抵抗注浆施工过程中注浆压力的要求采取的止浆模式，同时，采用止浆墙也可以将孔口管预埋、固定，减少在钻孔注浆过程中因安设孔口管而影响钻孔注浆的施工进度，因此，在进行超前预注浆前必须设置一定厚度的混凝土止浆墙。在多环帷幕注浆时，可预留一定长度的止浆岩盘作为止浆墙。

4.2.2 孔口管安装

孔口管安装主要分为预埋法和后装法两种，这两种方法各有优缺点。预埋法密封性好，注浆过程中不易漏浆，但存在不易定位、钻机施钻难度大的弊端，同时在混凝土浇筑过程中可能出现孔口管移位；后装法钻机容易定位，可以根据需要进行开孔，但孔口不易锚固，注浆过程中容易出现漏浆，影响注浆效果或无法进行注浆。

4.2.3 注浆方法

注浆方法一般分为前进式分段注浆、后退式分段注浆、全孔一次性注浆三种方法。由于北天山隧道地质情况复杂，难以一次性成孔，在施工中采取分段前进式的注浆方法，即采取钻、注交替作业的一种注浆方式，在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。

4.2.4 注浆分段长度

钻孔注浆分段长度3～5m，对于软断层、软弱破碎带分段长度更小。对于断层影响带由于孔壁、围岩相对较完整，水量较大时分段长度可采用5m或5m以上注浆(此时是裂隙充填注浆模式)，断层前影响带分段注浆长度为长度8～10m，进入断层带与基岩面的分界处时，钻注分段长度采用2m。

4.2.5 钻注顺序

采用约束型的多次钻注顺序施工，先注入凝结时间较短的浆液，充填大裂隙、空洞，后注入充填剩余的小孔隙。选择合适的注浆顺序就是从外部达到“围、堵、截”的目的和内部达到“填、压、挤”的目的，从而使注浆取得更好的效果。根据施工现场情况，中天山隧道采用先下部后上部、同一部位为先外圈后内圈、同一圈按隔孔钻注的钻注顺序。

4.2.6 注浆结束标准及效果检查

注浆结束后，检查比较注浆前后的涌水量，观察裂隙浆液充填情况，利用钻孔、注浆记录，分析注浆是否达到要求，综合评价注浆效果。若达到设计要求，可进行开挖；反之，应进行补孔注浆。

4.3 管棚施工技术

4.3.1 管棚安装方法一般分为引孔顶入法和跟管钻进法。在中天山隧道断层段施工中，根据两种施工方法的对比研究和断层带特殊的地质构造及现场的操作试验，跟管钻进法很难施工，因此使用引孔顶入法。

4.3.2 钻孔。采用钻、注相结合的方式进行钻孔，即钻孔至卡钻、不能钻进的位置退钻进行注浆，注浆主要采用双液浆，待浆液凝固后继续钻进，如此反复，直至达到深度要求。钻孔时采用隔孔方式进行钻孔，减少注浆时发生串浆。

4.3.3 管棚管的加工和安装。钻孔完成后，立即进行管棚管的安装，避免时间过长产生塌孔。管棚管采用φ108mm无缝钢管，壁厚δ=8mm，单节长度3～4.5m，各节之间采用丝扣进行连接，管棚管安装时，相邻管棚之间一定要减少同一截面的出现，避免出现薄弱断面。为方便安装，每根管棚的第一节加工成圆锥形，同时每节管棚按间距25cm×25cm梅花形布设花孔作为注浆的溢浆孔。

4.3.4 注浆。①注浆材料的选择。注浆材料的选择是注浆施工的一项重要内容，关系到注浆工艺、工期、成本及效果。通过注浆材料本身性能的分析与比选，结合中天山隧道断层的特点，超前管棚注浆选用水泥单液浆。②注浆参数。由于断层带内部压力较大，注浆终压确定8～10MPa并通过现场试验确定；水泥浆浓度1：1～1：0.6；水泥使用42.5早强水泥。为确保管棚注浆效果，管棚注浆采用ZJB／BP200全频变压注浆机。

4.4 超前小导管施工

当拱部存在漏砂、泥可能时，设置密排超前小导管。参数：钢管采用外径~42mm，壁厚3.5mm，热轧无缝钢管。长度4.0m，间距20cm，纵向搭接长度1.5～2m，外插角10。。小导管注双液浆。

4.4.1 施工工艺

小导管制作时一端做成20～30cm长的圆锥状，在距另一端100cm处焊接φ6～12mm钢筋箍。距钢筋箍一端100cm不开孔，剩余部分每隔15cm梅花型布设φ10mm的溢浆孔(或泄水孔)。小导管末端应牢固焊接在钢架上。需要注浆的小导管应严格注浆，保证质量，注浆终压0.5～1.0MPa。为确保注浆效果，注浆应在喷射混凝土有效封闭下进行。

4.4.2 泄水孔

(1)纵向超前泄水钢花管。为减少隧道上部、正面涌水量和水压力，确保开挖安全，开挖前沿隧道外轮廓安设5根纵向泄水孔，将水集中引流。参数：泄水钢花管采用热轧无缝钢管，外径108mm，壁厚δ=8mm。孔深47m，钢花管管端设在水量突然增大的位置。外插角1°～2°。泄水孔间距30cm，孔径20mm，梅花形布设。

(2)径向泄水钢花管。为减少隧道上部涌水量和水压力，确保开挖安全，开挖前沿隧道外轮廓安设φ42mm径向泄水钢花管，将水集中引流。由于通过帷幕注浆，把水全部挤到了开挖轮廓线外的位置，通过适当的设置泄压排水管，对前方及已开挖地段进行排水减压，可有效减小初期支护所受的压力，保证施工及结构安全。

5 结论

通过对该高压富水段隧道的止水与防水施工，笔者认为超前地质预报是施工成败的前提，超前探水孔是一种最直接有效的探水方法，它可以根据探水孔水量、水压之间的联系，来判断整体涌水量、水流方向等，从而对开挖施工可能产生的危害进行评估，对处理措施进行决策；注浆止水施工是关键，在施工的不同阶段、不同地质情况，根据现场出现的不同状况，要及时、灵活的选用不同注浆材料，才能达到理想的止水效果；施工中采用“多种浆材结合，排水泄压开放式注浆”的方式，具有一定的有效性和经济性，实践证明是可行的。

参考文献：

[1] 铁路隧道施工规范(TB10204-2002).

[2] 孟凡军.复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究[D].西南交通大学，2009，（10）.