達(dá)陜高速金竹山隧道涌水塌方的綜合處治研究

李永江，江勇順，，王琪，李曉洪，孟陸波

（1.四川達(dá)陜高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3.中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024；4.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041）

達(dá)陜高速金竹山隧道涌水塌方的綜合處治研究

李永江1，江勇順1，2，王琪3，李曉洪4，孟陸波2

（1.四川達(dá)陜高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3.中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024；4.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041）

在調(diào)查隧道K64＋664～K64＋674段涌水塌方特征的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層巖性分析其成因。相應(yīng)地，建立綜合工作程序，采用"超前雙排長(zhǎng)管棚＋小導(dǎo)管＋注漿＋三臺(tái)階法施工＋瓦斯監(jiān)測(cè)"的綜合方案，對(duì)災(zāi)害進(jìn)行處治，效果明顯。

金竹山隧道；涌水塌方；復(fù)雜地質(zhì)；綜合處治

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，交通工程特別是高速公路項(xiàng)目的順利建設(shè)與安全運(yùn)營(yíng)關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速、健康發(fā)展和地區(qū)穩(wěn)定，具有十分重要的意義。目前，四川高速公路正在往山巒起伏的盆周山區(qū)和高原地區(qū)迅速發(fā)展，受地形條件的制約，在高速公路選線(xiàn)過(guò)程中常采用隧道方案穿越山嶺。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，高速公路隧道建設(shè)將面臨更大的挑戰(zhàn)，特別是斷層、褶皺、巖溶、高地應(yīng)力、煤層瓦斯等不良地質(zhì)發(fā)育時(shí)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，涌水、塌方、大變形、巖爆等施工地質(zhì)災(zāi)害控制難度大，若處治不當(dāng)不僅將造成安全質(zhì)量事故、增大投資、影響工期，而且還會(huì)惡化生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致隧道施工災(zāi)害“蝴蝶效應(yīng)”［1～4］。因此，在隧道建設(shè)過(guò)程中應(yīng)把對(duì)災(zāi)害的控制放在首要地位，加大對(duì)災(zāi)害綜合處治技術(shù)的研究。本文以達(dá)陜高速公路金竹山隧道為例，探討復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道涌水塌方地質(zhì)災(zāi)害綜合處治技術(shù)和方法。

1 工程概況

達(dá)陜高速公路是國(guó)家“十五”規(guī)劃的高速公路網(wǎng)包頭至茂明的重要路段，起于大巴山（陜西境）北麓，止于達(dá)州徐家壩，全長(zhǎng)143.244km。金竹山隧道是達(dá)陜高速公路的控制性工程之一，隧道左線(xiàn)長(zhǎng)2 712 m，右線(xiàn)長(zhǎng)2 687m。

隧址區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，測(cè)區(qū)位于NW向大巴山陷褶束南西側(cè)的固軍壩復(fù)背斜與NE向川北臺(tái)陷川東陷褶束的黃金口背斜交匯處，發(fā)育固軍壩復(fù)式背斜、黃金口背斜、梧桐坪背斜和付家灣向斜，隧道穿越F1～F6共6條大斷層和多條次級(jí)斷層。穿越地層巖性包括三疊系中統(tǒng)巴東組（T2b）灰?guī)r、泥灰?guī)r、鹽溶角礫巖，三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、礫巖、泥巖夾薄煤層及煤透鏡體，侏羅系下統(tǒng)白田壩組（J1b）砂巖、泥巖、礫巖、炭質(zhì)泥巖夾夾薄煤層及煤透鏡體，以及構(gòu)造角礫巖和第四系（Q4）堆積層。隧址區(qū)地下水發(fā)育，主要有孔隙水、裂隙水和巖溶水，設(shè)計(jì)最大涌水量達(dá)18 000m3/d，局部段落存在突涌水的可能。經(jīng)對(duì)煤層采樣作瓦斯含量測(cè)定，噸煤瓦斯含量為4.53～6.79m3/t，含量低于10 m3/t，為低瓦斯隧道。該隧道不良地質(zhì)主要有巖溶、涌水、礦洞、煤層、瓦斯、小煤窯等，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2 K64＋664～K64＋674段涌水塌方災(zāi)害特征及成因分析

2.1 涌水塌方災(zāi)害特征

2010年3月13日，金竹山隧道出口右洞K64＋664上臺(tái)階掌子面頂部出現(xiàn)掉塊并不斷加劇，拱頂逐漸出現(xiàn)滴水、線(xiàn)狀流水與股狀涌水，幾分鐘后發(fā)生塌方。塌方體將K64＋664～K64＋674上臺(tái)階掩埋呈倒三角狀，塌體為碎屑塑流狀?yuàn)A巨礫，以破碎炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)膠結(jié)松散礫巖為主，巨礫為鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，最大達(dá)1.5m×1.2m×1.8m，重約8t。K64＋664處一榀拱架被折斷（圖1），拱架發(fā)生明顯變形，拱頂被巨大的鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖卡住。通過(guò)對(duì)塌體涌水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最大涌水量達(dá)11 000m3/d，正常涌水量7 000～8 000m3/d（圖2）。松動(dòng)塌體最高47m，縱向最深43m，橫向最寬51m，頂部形成最大5m高空腔，塌體及拱頂最高瓦斯?jié)舛?.25%，瓦斯?jié)舛仁芸亍?/p>

圖1 K64＋664掌子面塌方Fig.1 Collapse at the workface of K64＋664

圖2 K64＋664掌子面涌水Fig.2 Water gush at the workface of K64＋664

2.2 成因分析

從地質(zhì)構(gòu)造上分析，該段隧道受固軍壩復(fù)式背斜、梧桐坪背斜以及于家灣向斜構(gòu)造、F4斷層影響，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，并且F4斷層帶導(dǎo)水性較好，且地表有一深約60m的沖溝，受地表水補(bǔ)給，地下水十分發(fā)育。

從地層巖性上分析，該段圍巖以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)礫巖為主，屬泥巖與礫巖接觸擠壓破碎帶，圍巖軟弱，受水浸泡后，容易軟化，強(qiáng)度急劇降低。

由此可見(jiàn)，該段圍巖受F4斷層影響強(qiáng)烈，次生斷層、褶曲發(fā)育，圍巖極其破碎，層間結(jié)合性差，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，裂隙為張開(kāi)狀，內(nèi)有粘滑充填物。由于F4斷層導(dǎo)水，地下水十分發(fā)育，破碎圍巖在地下水的侵蝕作用下，巖層逐漸剝落，最終導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

3 涌水塌方災(zāi)害綜合處治工作程序

在發(fā)生涌水塌方隧道施工地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，各方應(yīng)迅速反應(yīng)，沉著冷靜，按既定程序及要求開(kāi)展災(zāi)害處治工作。

（1）施工單位應(yīng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案（包括：綜合應(yīng)急預(yù)案、專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)緊急處治方案），撤離施工人員與設(shè)備，對(duì)掌子面進(jìn)行封閉，采取臨時(shí)加固措施加固圍巖與初期支護(hù)等，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免發(fā)生次生災(zāi)害而導(dǎo)致?lián)p失進(jìn)一步加大。

（2）立即成立以監(jiān)理牽頭，施工、設(shè)計(jì)、業(yè)主、物探等參與的綜合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)小組，對(duì)災(zāi)害情況及原因進(jìn)行調(diào)查分析，形成調(diào)查分析報(bào)告，并提出初步處理方案。

（3）按“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工”的原則，設(shè)計(jì)單位應(yīng)及時(shí)完善處治設(shè)計(jì)文件，必要情況下由專(zhuān)家把關(guān)，以確保處治方案合理可靠，經(jīng)濟(jì)安全；施工單位應(yīng)同步加強(qiáng)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)及瓦斯?jié)舛?、涌水監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)通風(fēng)管理，及時(shí)整理反饋設(shè)計(jì)以修改完善處治設(shè)計(jì)參數(shù)，嚴(yán)格按處治要求組織施工。

4 K64＋664～K64＋674段涌水塌方綜合處治

4.1 臨時(shí)加固措施

（1）封閉掌子面并進(jìn)行反壓回填

為防止松散塌體在涌水作用下不斷掏空而使拱頂渣體繼續(xù)下塌，立即對(duì)塌渣進(jìn)行噴錨加固，并拉運(yùn)棄渣對(duì)K64＋664～K64＋674段反壓回填，既起到臨時(shí)加固的作用，又為后續(xù)管棚施工提供操作平臺(tái)。

（2）對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行臨時(shí)加固

K64＋664初期支護(hù)鋼架被折斷，且K64＋664～K64＋674噴射混凝土多處出現(xiàn)開(kāi)裂，拱頂下沉最大達(dá)18cm。為確保初支穩(wěn)定性，避免塌方進(jìn)一步加大，對(duì)K64＋664～K64＋684初期支護(hù)進(jìn)行臨時(shí)加固處理（圖3），在原初期支護(hù)下采用I18工字鋼拱架加強(qiáng)，間距40cm/榀，拱架采用φ22鋼筋連接，環(huán)向間距100cm；K64＋664～K64＋674打設(shè)徑向450cm長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管注漿，間距100cm×100cm，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，以快速固結(jié)圍巖，控制圍巖及初支變形。

圖3 塌方體處初期支護(hù)臨時(shí)加固和管棚施工Fig.3 Temporary reinforcing the initial prop and pipeshed construction

圖4 雙排長(zhǎng)管棚Fig.4 Long pipe－shed in two rows

4.2 坍塌體圍巖支護(hù)與襯砌設(shè)計(jì)

（1）采用超前大管棚穿越塌體

根據(jù)礦井地質(zhì)雷達(dá)掃描結(jié)果，塌體長(zhǎng)度約42 m，采用兩排φ108長(zhǎng)管棚（圖4），第一排仰角按20°～30°考慮，施工長(zhǎng)度20m。環(huán)向間距30cm，范圍150°。起鉆部位在已完成的初期支護(hù)上，并施工鋼架混凝土套拱。管棚施工采用跟管鉆進(jìn)形式，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿。第一排管棚施工段落內(nèi)，提前擴(kuò)挖出施工第二排管棚的工作室。

第二排管棚施工前要進(jìn)行超前鉆探以確定管棚施工長(zhǎng)度。兩排管棚搭接長(zhǎng)度不小于5m，管棚錨入基巖不得少于5m，仰角1°～2°，環(huán)向間距30cm，范圍150°，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿。

由于塌體為碎屑塑流狀?yuàn)A巨礫，在開(kāi)挖前為了防止松散碴體滑落，采用φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，導(dǎo)管長(zhǎng)450cm，環(huán)向間距30cm，與大管棚間隔布置。

（2）初期支護(hù)設(shè)計(jì)

由于前期松散壓力大，其主要由初期支護(hù)承受，本著塌方段加強(qiáng)支護(hù)的原則，采用雙層I20b工字鋼拱架作初期支護(hù)，間距40cm/榀，每側(cè)施作6根450 cm長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管作為鎖腳錨管，以增加初支整體剛度及強(qiáng)度。同時(shí)，為使松散圍巖與初期支護(hù)共同作為支護(hù)結(jié)構(gòu)重要的一環(huán)，減小初支背后的松散壓力，外層拱架支護(hù)好后，采用環(huán)向450cm長(zhǎng)φ42注漿小導(dǎo)管對(duì)松散圍巖進(jìn)行徑向注漿加固（圖5），小導(dǎo)管長(zhǎng)450cm，間距150cm×150cm，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿。仰拱設(shè)單層I20b工字鋼拱架，并與拱墻外層拱架閉合成環(huán)，間距40cm/榀。

圖5 管棚和小導(dǎo)管注漿Fig.5 Pipe－shed and small pipe grouting

（3）襯砌及排水設(shè)計(jì)

仰拱及二次襯砌采用80cm厚C30防水氣密性鋼筋混凝土，初支背后間隔10m設(shè)置一道環(huán)向排水管并與縱向排水管接通，二襯背后及仰拱底部滿(mǎn)鋪?zhàn)哉呈椒浪?，滿(mǎn)足瓦斯段落設(shè)計(jì)與施工要求。

4.3 涌水處治措施

坍體開(kāi)挖后巖體呈大面積滲水、淋水狀，開(kāi)挖后立即掛網(wǎng)噴漿、立拱架進(jìn)行隧道初支施工，隨后沿初支面鉆孔進(jìn)行小導(dǎo)管開(kāi)挖后注漿堵水。金竹山隧道涌水處治和松散圍巖加固一并實(shí)施。

（1）孔眼布置

開(kāi)挖后周邊注漿加固范圍為隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)4.5m，注漿孔孔口環(huán)向間距1.5m，縱向間距1.5 m，梅花形布置。

（2）注漿材料及方法

漿液采用水泥漿與水玻璃液雙液漿，漿液參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)確定，盡量縮短凝結(jié)時(shí)間。金竹山隧道小導(dǎo)管壓注雙液漿水泥漿與水玻璃體積比1∶1，水泥漿水灰比0.8∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥；水玻璃采用模數(shù)2.8，濃度20～25Be。兩種液體混合后的凝固時(shí)間20～25s，如涌水較大時(shí)可適當(dāng)提高水玻璃的模數(shù)和濃度。右洞K64＋780～740段注漿效果來(lái)看單孔量≥2m3/h，掌子面段總涌水量140～160m3/h左右時(shí)周邊開(kāi)挖后注漿效果還是可行。

注漿采用防爆雙液注漿泵，從兩邊到中間，分兩序隔排施作，對(duì)于同排孔按照由上到下的順序進(jìn)行，注漿壓力控制在1.0MPa左右。

（4）注漿效果檢查

注漿效果應(yīng)在注漿7d后檢查，采用單點(diǎn)壓水試驗(yàn)，檢查孔數(shù)不少于注漿孔數(shù)的2%，透水率不小于2Lu，孔段合格率應(yīng)在80%以上，不合格孔段的透水率值不超過(guò)設(shè)計(jì)的50%，且不集中，注漿質(zhì)量合格，否則應(yīng)加密鉆孔注漿。

4.4 施工技術(shù)要求

處治過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原則。開(kāi)挖采用短三臺(tái)階預(yù)留核心土法（圖6），進(jìn)尺為一榀拱架間距，預(yù)留沉降量按20cm控制。拱架必須單側(cè)落底并及時(shí)施工初期支護(hù)，兩側(cè)不得同時(shí)落底；中臺(tái)階采用臨時(shí)I18工字鋼拱架封閉，并與初期支護(hù)拱架連接，以便于初期支護(hù)及早閉合成環(huán)；下臺(tái)階及仰拱初期支護(hù)完成后，采用環(huán)向450cm長(zhǎng)φ42注漿小導(dǎo)管注漿加固圍巖，以便于初期支護(hù)能承受巨大的松散壓力。此外，由于日均涌水量保持6 000～7 000m3/d，按照“堵排結(jié)合，限量排放”的原則，在每個(gè)臺(tái)階處預(yù)留泄水管，以適量排放裂隙水。

圖6 三臺(tái)階的上臺(tái)階掏槽預(yù)留核心土Fig.6 Reserving core soil at the upper step among the three steps

施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行瓦斯隧道進(jìn)出洞、爆破、瓦檢、通風(fēng)、動(dòng)火作業(yè)、電器設(shè)備等管理制度，加強(qiáng)地質(zhì)綜合分析，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)與涌水監(jiān)測(cè)，及時(shí)整理反饋設(shè)計(jì)以動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。

5 結(jié)論

（1）K64＋664～K64＋674段涌水塌方災(zāi)害形成主要原因是粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)礫巖接觸擠壓破碎帶，圍巖破碎、軟弱，并受導(dǎo)水F4斷層影響，地下水十分發(fā)育，圍巖在浸泡軟化后，強(qiáng)度急劇降低，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。

（2）建立了較完善的涌水塌方施工地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案，當(dāng)發(fā)生施工地質(zhì)災(zāi)害時(shí)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，施工、設(shè)計(jì)、業(yè)主等各方應(yīng)迅速反應(yīng)，沉著冷靜，按既定程序及要求開(kāi)展災(zāi)害處治工作，避免造成次生災(zāi)害而使損失加劇。

（3）針對(duì)瓦斯隧道中出現(xiàn)涌水塌方地質(zhì)災(zāi)害特征，采用臨時(shí)加固和永久襯砌兩種措施，提出了“超前雙排長(zhǎng)管棚＋小導(dǎo)管＋注漿＋三臺(tái)階法施工＋瓦斯監(jiān)測(cè)”的綜合處治方案，經(jīng)過(guò)K64＋664～K64＋674段涌水塌方災(zāi)害治理應(yīng)用，證明其是有效的。

［1］關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］黃成光.公路隧道施工［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］王建宇.隧道工程監(jiān)測(cè)和信息化設(shè)計(jì)原理［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1990.

［4］徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

TREATING THE GUSH AND COLLAPSE COMPREHENSIVELY IN THE JINZHUSHAN TUNNEL ON DA－SHAN EXPRESSWAY

Li Yong－jiang1，Jiang Yong－shun1，2，Wang Qi3，Li Xiao－h(huán)ong4，Meng Lu－bo2
（1.Sichuan Da－shan Expressway Company Ltd.，Chengdu 610041，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention ＆ Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3.12th Bureau of China Railway Group Ltd.，Taiyuan 030024，China；4.Highway Planning，Survey，Design ＆Research Institute，Sichuan Provincial Communications Department，Chengdu 610041，China.）

Based on the investigation of the features of the gush and collapse at Segment K64＋664～ K64＋674，its causes were analyzed in terms of the geological structure and stratum lithology.Accordingly，with a comprehensive work program established，the treatment method was defined as an integration of lead long double pipe－shed，small pipe，grouting，three－step construction and gas monitoring.The final effect has been obvious.

Jinzhushan tunnel；gush and collapse；complicated geology；integrated treatment

U459.2；P642.21

A

1006－4362（2011）04－0025－04

2011－04－06 改回日期：2011－09－16

李永江（1965－ ），男，高級(jí)工程師，從事公路隧道工程建設(shè)與管理。