深埋富水充填性溶洞施工技術(shù)探討

朱文民

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

某隧道全長11 068 m，是該鐵路線最長的單線電化鐵路隧道。隧道主要穿越向斜核部、背斜核部淺埋段。在背斜和向斜分布了5個深埋充填型溶洞，其形態(tài)各異，充填介質(zhì)不同，有粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘性土和粘土等多種。施工中受高壓、富水、巖溶等因素的影響，突發(fā)了很多次大規(guī)模的突水、突泥等工程災(zāi)害，給工程的安全、順利施工造成了非常嚴(yán)重的影響。其中2號溶洞為高壓富水深埋充填粉細(xì)砂層溶洞，施工難度極大。經(jīng)多次專家會議論證，該隧道被譽(yù)為“國內(nèi)外隧道設(shè)計與施工禁區(qū)工程”。隧道縱斷面示意圖見圖1。

圖1 隧道縱斷面示意圖

2 工程地質(zhì)及水文情況

根據(jù)各種超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報結(jié)果，結(jié)合地勘資料，可以判定2號溶洞段為一粉細(xì)砂層充填性大型溶洞，地質(zhì)情況如圖2所示，地層含高壓水且水量較大。由工程地質(zhì)資料圖計算出溶洞段埋深為563 m，按鉆機(jī)的鉆桿被推出現(xiàn)象估算當(dāng)時突涌水時涌水壓力為 3.6 MPa。

圖2 溶洞區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)圖

3 施工理念

對于深埋富水粉細(xì)砂層充填性溶洞，在整個地下工程界也是少有的，施工難度很大。因此施工主要面臨以下兩個問題:

1)高靜水壓、動水壓，水源豐富，水力聯(lián)系通道錯綜復(fù)雜。2)粉細(xì)砂層自穩(wěn)能力差，極易在動水情況下形成流砂，且地層的改良性差。

要保證安全、順利地通過該段，必須解決以上面臨的兩大問題，即“堵水、固砂”，針對這些特殊情況，必須在開挖范圍周圍建立很強(qiáng)的、完整的、封閉的超前加固體系，如圖3所示。該加固體系主要包括以下兩方面:

1)根據(jù)設(shè)計原則及現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，將水力聯(lián)系通道封堵在開挖輪廓線外8 m，地層在開挖輪廓線外8 m范圍內(nèi)均勻加固。2)在開挖范圍周圍建立超前剛性支護(hù)體系，保證砂體的穩(wěn)定性。為了減少水壓對地層和剛性支護(hù)體的影響，采取一定的卸壓措施。采用全斷面超前預(yù)注漿封堵水力通道及加固地層;超前大管棚與管棚注漿體實(shí)現(xiàn)超前剛性支護(hù)體系;設(shè)置泄水通道，減小水壓對整個體系作用。

圖3 通過溶洞區(qū)設(shè)計思路圖

4 施工方案

1)總體施工方案。為了加快施工進(jìn)度，在正向與反向同時施作，最終形成了40 m溶洞施工區(qū)。根據(jù)探測的地質(zhì)及水文情況對正、反向的施工重點(diǎn)做了不同的布置，以正向?yàn)橹?，反向補(bǔ)強(qiáng)。施工現(xiàn)場的重點(diǎn)在頂部，而施工難度最大的卻在底部，因此反向施工方案主要考慮在頂部及底部。為了正、反向施工的不干擾，正向的上部與反向的底部同時進(jìn)行施工，然后再施工各自余下部。

2)超前預(yù)注漿方案。由于該施工斷面太大，考慮分上、下兩部分施工，先上后下。設(shè)計圖見圖4。

3)大管棚方案。超前大管棚是整個方案關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，關(guān)系此施工方案的成敗，為了能夠在溶洞區(qū)建立超前剛性支護(hù)體系，超前大管棚要一次性穿越溶洞區(qū)，管棚分正、反雙向施作，通過雙向搭接保證一次性穿越溶洞區(qū)。以正向?yàn)橹?，反向補(bǔ)強(qiáng)，并結(jié)合地質(zhì)情況，但管棚施工必須在相應(yīng)位置的超前預(yù)注漿完成后，方可施工。

正向施工方案:正向管棚施工，主要是建立封閉的超前剛性支護(hù)體系，因此整體施作管棚，管棚布置如圖5所示。

圖4 正、反向注漿設(shè)計圖

圖5 全斷面管棚設(shè)計圖

4)泄水洞方案。泄水洞施工方案的確定，主要根據(jù)前期探測的地質(zhì)及水文情況并結(jié)合注漿和管棚施工過程中所遇情況，布置圖見圖6。

圖6 泄水洞位置設(shè)計圖

5 施工情況及效果評定

隧道溶洞段施工，自開始至結(jié)束，歷經(jīng)172 d。此施工主要分為三個階段，具體如下:1)前期主要通過注漿封堵出水點(diǎn)，形成一個封閉體，便于后期注漿工作大面展開。2)中期主要是全面注漿，對地層進(jìn)行加固，加強(qiáng)對水力通道的封堵。3)后期主要是管棚施工，對地層的檢查及局部補(bǔ)強(qiáng)，同時進(jìn)行泄水洞的施工。地層經(jīng)全斷面超前“長短結(jié)合復(fù)合式”注漿后，掌子面出水點(diǎn)均被封堵，無明顯滲漏現(xiàn)象，后期檢孔均無涌水涌砂情況，堵水效果很明顯;正、反向管棚順利搭接并且經(jīng)過高壓注漿后形成了超前剛性支護(hù)體系;泄水洞成功地將大部分封堵后的水流排出，達(dá)到了卸水降壓。開挖過程中仍遇到局部范圍突水涌砂現(xiàn)象，其主要原因有以下兩點(diǎn):1)粉細(xì)砂層的改良性差，在砂層中堵水，很難將全部水力通道完全封住。2)注漿中全部采用顆粒性材料，因此注漿機(jī)理以劈裂、擠壓為主，無法達(dá)到以滲透為主，以致注漿難以形成完整、連續(xù)、致密的注漿體。由于建立了超前剛性支護(hù)體系，泄水洞成功泄水降壓，沒有較大的涌水涌砂，未造成垮塌，該溶洞段得以順利通過。

6 施工技術(shù)探討

6.1 施工技術(shù)問題

在高壓富水充填性粉細(xì)砂層溶洞施工過程中遇到以下幾個主要問題:1)高壓富水充填性溶洞的堵、排水結(jié)合問題。2)高壓富水充填性溶洞的封堵，穿越。3)富水粉細(xì)砂層注漿材料，注漿體強(qiáng)度，注漿加固體的均勻性。

6.2 問題探討

通過此次溶洞段注漿施工及以往成功經(jīng)驗(yàn)，就以上問題筆者認(rèn)為有以下幾點(diǎn)應(yīng)引起重視:

1)眾所周知，發(fā)育的溶洞是隧道施工中的難點(diǎn)，特別是溶洞處于高壓富水區(qū)。施工不僅面臨高壓水的威脅，同時還伴隨涌出的充填物及其涌出后所形成的較大空洞和松散區(qū)域，這對施工存在極大的危害。但是強(qiáng)堵會改變原來的水流體系，造成水流對薄弱環(huán)節(jié)突擊水壓，繼而極有可能發(fā)生大的突水涌泥，并且強(qiáng)堵對施工來說難度很大。首先是溶洞探測，無論是什么樣的施工方案，它必須要有針對性，因此溶洞探測是首要問題。在探明地質(zhì)情況的前提下，其次是對溶洞進(jìn)行有目的、有限制的泄放，究其原因有兩點(diǎn):a.充填型溶洞是在地殼運(yùn)動下經(jīng)過長期水力搬運(yùn)作用形成的，溶洞積蓄了長期以來的地應(yīng)力，因此對這長期積蓄的地應(yīng)力應(yīng)讓其釋放，減小危害。b.通過溶洞的泄放，對涌水、涌出物的判斷分析可進(jìn)一步了解水文情況和填充物情況，這對后續(xù)施工方案提供了必要的依據(jù)。然后對溶洞進(jìn)行封堵，若存在較高的靜水壓，在封堵的同時可進(jìn)行適量排放，以減小水壓的危害?？傊?，“探測→泄放→封堵→排放”對高壓富水充填性溶洞是一種較穩(wěn)妥的辦法。

2)對高壓富水充填性溶洞的封堵，無論是什么樣的方案，都盡可能保證一次性、全斷面施工處理。目前對溶洞的封堵最常用的就是超前預(yù)注漿，注漿施工一般情況下都是全斷面，一次性處理，在本例施工處理中，為了達(dá)到注漿施工的一次性完成，采用了正、反兩向夾擊。在高壓富水充填性溶洞中的注漿施工，根據(jù)注漿段長，將其分成幾段，注漿工作與開挖工作交替進(jìn)行是不可取的，由于注漿未能一次性貫穿溶洞，溶洞內(nèi)的充填物質(zhì)未完全均勻加固，水力通道未封住，在開挖中非常危險，極可能出現(xiàn)突水涌泥現(xiàn)象。在注漿封堵施工中常結(jié)合大管棚。在對溶洞的施工處理中，大管棚剛性超前支護(hù)已是一項較成熟的施工技術(shù)，在溶洞及破碎圍巖中廣泛使用。無論是在溶洞還是在破碎圍巖中，超前大管棚都必須一次性穿越施工段，在本例施工處理中，為了保證大管棚一次性穿越施工段，在正、反兩向同時施作大管棚，通過管棚搭接來實(shí)現(xiàn)。

3)富含水粉細(xì)砂層注漿施工一直是一個很棘手的問題，尤其注漿材料、注漿體強(qiáng)度、注漿均勻性。本例注漿中，采用顆粒性注漿材料，注漿材料決定了漿液在粉細(xì)砂層中只能以劈裂、擠壓的形式來改良地層，因此地層中主要還是以粉細(xì)砂為主，注漿體只是少量摻雜在其中。由于漿液凝固后的均勻性不高，砂體擠壓后，雖有一定的自穩(wěn)性，但強(qiáng)度極低，因此漿砂固結(jié)體的強(qiáng)度很低。注漿中漿液的推進(jìn)方式是由弱及強(qiáng)，由于砂層的分層性及同層均勻性，漿液首先是將注漿孔填滿，然后再向地層中劈裂、擠壓，極易在砂層分層交接面形成劈裂面，往往劈裂開一、兩條注漿

7 結(jié)語

由于本人的理論水平和現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)有限，觀點(diǎn)可能有不妥之處，請諒解。