泥巴山隧道高壓涌突水快速處治技術(shù)研究

張學(xué)武 (中鐵十二局第三工程公司，山西 太原 030024)

泥巴山隧道高壓涌突水快速處治技術(shù)研究

張學(xué)武 (中鐵十二局第三工程公司，山西 太原 030024)

泥巴山隧道全長10007m，是雅西高速公路線上最長的隧道，單口掘進(jìn)5130m，為全國單口掘進(jìn)之最，最大埋深1648m，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，在施工過程中，受高壓、富水、巖溶等誘導(dǎo)因素影響，多次突發(fā)了大規(guī)模的涌水、涌砂和涌泥等工程地質(zhì)災(zāi)害，給工程的安全順利施工造成了極其嚴(yán)重的影響。對快速通過泥巴山隧道左線K61+773高壓涌突水地段處治技術(shù)作了詳細(xì)敘述。該技術(shù)保證了結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，節(jié)約了工期，對同類地質(zhì)災(zāi)害處理將具有一定的借鑒意義。

泥巴山隧道；高壓涌突水；處治技術(shù)

2009年10月11日，掌子面上臺(tái)階左側(cè)拱腳(進(jìn)洞方向)和掌子面中線位置出現(xiàn)股狀涌水，涌水量達(dá)17000m3/d，且水壓較大；10月12日凌晨對掌子面進(jìn)行了超前地質(zhì)鉆探，在鉆孔過程中，由掌子面噴出的水柱水平距離最遠(yuǎn)達(dá)8m，且涌水量急劇增加，已完成初期支護(hù)表面有滲水現(xiàn)象。項(xiàng)目部隨即采取了應(yīng)急處理措施，至10月13日，對后方K62+773～K61+788段Ⅳ1級(jí)圍巖進(jìn)行了臨時(shí)支護(hù)加強(qiáng)，確保已完成初期支護(hù)穩(wěn)定，經(jīng)連續(xù)3d高頻率監(jiān)控量測，該段初期支護(hù)穩(wěn)定。下面，筆者對快速通過泥巴山隧道左線K61+773高壓涌突水地段處治技術(shù)作了詳細(xì)敘述。

1 前方地質(zhì)情況預(yù)測

1.1通過物探分析前方地質(zhì)情況

圖1 K63+773掌子面鉆孔平面圖

為盡快探明前方地質(zhì)及涌水情況，盡快恢復(fù)施工，2009年10月13日項(xiàng)目部采用地質(zhì)雷達(dá)對前方地質(zhì)進(jìn)行了探測，探測結(jié)果為掌子面前方16m范圍圍巖極破碎，圍巖含有強(qiáng)壓力水，于當(dāng)天再次進(jìn)行了超前鉆孔探測:一是通過探孔釋放水量，減小水壓；二是對前方地質(zhì)有一個(gè)直觀的了解，以合理的確定施工方案。鉆孔孔位布置如圖1所示。鉆孔情況統(tǒng)計(jì)及分析如下：

1)①號(hào)孔(17m) 0～5m巖屑為紫紅色流紋巖，卡鉆2次；鉆進(jìn)到5m左右，巖屑出現(xiàn)斷層泥、石英，涌水渾濁呈乳白色，至6.5m左右涌水變化為淺紅色，巖屑為紫紅色流紋巖，鉆至8～17m范圍卡鉆嚴(yán)重，停止鉆進(jìn)。

2)②號(hào)孔(19m) 0～4m巖屑為紫紅色流紋巖，至4m左右開始出現(xiàn)股狀涌水，鉆進(jìn)至約6m位置巖屑變成石英，含斷層泥，涌水為乳白色，鉆進(jìn)深度至7.5m出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，巖屑為紫紅色流紋巖，至12m左右時(shí)涌水突變?yōu)閲姵鰻?，噴出距離達(dá)8m，巖屑為流紋巖。

3)③號(hào)孔(6m) 0～4m巖屑為紫紅色流紋巖，4m左右出現(xiàn)斷層泥，鉆進(jìn)至5～6m范圍巖屑為紫紅色流紋巖，卡鉆嚴(yán)重，停止鉆進(jìn)。

4)④號(hào)孔(16m) 0～5m巖屑為紫紅色流紋巖，至5m時(shí)涌水量變大并有卡鉆現(xiàn)象。

5)⑤號(hào)孔(8m) 0～6m巖屑為紫紅色流紋巖，至6m時(shí)涌水量變大，7m處出現(xiàn)斷層泥和白色石英，鉆進(jìn)到8m左右時(shí)巖屑變化為紫紅色流紋巖，并且卡鉆嚴(yán)重，停止鉆進(jìn)。

6)⑥號(hào)孔(9m) 3.5m時(shí)出現(xiàn)小股涌水，卡鉆嚴(yán)重，巖屑與掌子面一樣，為紫紅色流紋巖。

7)⑦號(hào)孔(30m) 0～3.5m巖屑為紫紅色流紋巖，3.5m左右出現(xiàn)斷層泥，至4m處出現(xiàn)股狀涌水，巖屑變成紫紅色流紋巖，至12m涌水由股狀變?yōu)閲姵鰻钋覈娭料屡_(tái)階，噴出水平距離長達(dá)15m，巖屑為紫紅色流紋巖，此后鉆進(jìn)速度緩慢，巖屑為紫紅色流紋巖，巖性無大的變化。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)及鉆孔資料對前方地質(zhì)預(yù)判如下：掌子面前方3～5m為小型破碎帶，成分主要有流紋巖、石英、夾雜有粘質(zhì)泥，含水量一般，呈股狀；5～7m巖石完整性相對較好；8～12m巖石極破碎，裂隙極發(fā)育且貫通，寬度較大，可能有大量水囊，主要成分為流紋巖、糜棱巖、少量石英，該區(qū)富含地下水，水頭壓力大；12～16m為過渡段，16m后圍巖整體性相對較好，含水量一般。

1.2通過地質(zhì)素描分析前方地質(zhì)情況

掌子面圍巖為紫紅色流紋巖，隱晶質(zhì)斑狀結(jié)構(gòu)，礦物成分為角閃石、石英、黑云母等，局部可見石英條帶。整體強(qiáng)度情況較差，產(chǎn)狀傾角145～165°，傾向40～60°。

1)掌子面右側(cè)(進(jìn)洞方向) 巖體有少數(shù)節(jié)理發(fā)育，節(jié)理間距均在30cm左右，且間隙小、密實(shí)、裂隙發(fā)育少、整體性較強(qiáng)。拱頂上方發(fā)育一條近水平的節(jié)理面，傾斜向下方向，間隙較大，中間填充白色粘質(zhì)泥土，手捏明顯有泥感，易發(fā)生整體滑動(dòng)，現(xiàn)場可見上方巖體在爆破后即下滑到上臺(tái)階。

2)掌子面左側(cè)(進(jìn)洞方向) 巖體節(jié)理發(fā)育極發(fā)育，間距小至5cm左右，且節(jié)理裂隙貫通，局部巖石破碎產(chǎn)狀不明。從右向左，巖體整體性由好變壞、由較完整變破碎、由鑲嵌-塊狀結(jié)構(gòu)到破碎-松散結(jié)構(gòu)。在拱腳處，巖體大部分呈碎塊狀和粉末狀。

1.3總體推斷前方地質(zhì)情況

圖2 K63+773掌子面涌水量變化趨勢圖

由于巖體產(chǎn)狀與隧道中線成60°左右交角，且破碎帶先在中下臺(tái)階出露，可見前方會(huì)出露斷層破碎帶，由下臺(tái)階開始破碎帶長度約18m。從整體看，破碎帶寬度較小，兩側(cè)均為相對隔水層，地下水埋深大，水力梯度大，因此開始涌水壓力大，流量大，5d后明顯減小；從鉆進(jìn)碎屑物顯示，前方30m軟弱夾層、粘土和泥較少，主要為破碎巖塊和碎屑；破碎帶參考延伸長度18m，對應(yīng)圍巖產(chǎn)狀傾角160°，傾向45°。

2 涌水量變化情況

涌水量變化情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示。對涌水量變化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，隨著鉆孔數(shù)量的增加涌水量逐步增大，然后隨著時(shí)間的推移水量又有變小的趨勢，說明掌子面前方地下水為無地表水補(bǔ)充的死水，有存在水囊的可能，發(fā)生突水的可能性較高，因此，必須首先對前方地下水進(jìn)行合理的引排，減小水壓對掌子面的影響，方可根據(jù)出露圍巖確定初期支護(hù)的參數(shù)。

3 處治方案比選及處治施工工藝流程

3.1處治方案比選

根據(jù)以上地質(zhì)資料分析，掌子面前方為一斷層破碎帶，斷層延伸方向與隧道相交角度較小，影響長度較長，且含強(qiáng)壓力水，為確保安全，預(yù)防涌突水及塌方的發(fā)生，采用以下方案處理。

1)方案1：采用周邊深孔預(yù)注漿及強(qiáng)初期支護(hù) 方法：①進(jìn)行周邊深孔預(yù)注漿。②注漿結(jié)束后，采用V加強(qiáng)型襯砌支護(hù)參數(shù)施工，超前支護(hù)采用單層小導(dǎo)管，初期支護(hù)采用I20b工字鋼，間距50cm/榀，噴砼厚度24cm，錨桿間距50×90cm，初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)。優(yōu)缺點(diǎn)：如果通過深孔注漿能起到注漿堵水的效果[1]，將對下一步安全施工起到很大的作用，但是如果效果不好，將耽誤大量的時(shí)間，且耗資巨大。

2)方案2：采用超前大管棚及強(qiáng)初期支護(hù)通過 方法：①施作超前大管棚。②注漿結(jié)束后，采用V加強(qiáng)型襯砌支護(hù)參數(shù)施工，超前支護(hù)采用單層小導(dǎo)管，初期支護(hù)采用I20b工字鋼，間距50cm/榀，噴砼厚度24cm，錨桿間距50×90cm，初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)。優(yōu)缺點(diǎn)：如果通過施作超前大管棚并注一定的漿液起到對前方預(yù)支護(hù)效果[2]，將對下一步安全施工起到很大的作用，但是如果注漿效果不好，但大管棚本身就能起到對前方超前支護(hù)的作用，如采用強(qiáng)支護(hù)通過可基本防止塌方的發(fā)生，但本方案需要在洞內(nèi)提供作業(yè)平臺(tái)和空間，需對洞身輪廓進(jìn)行擴(kuò)挖，也將耽誤一定的時(shí)間，但應(yīng)能安全通過。

3)方案3：采用超前小導(dǎo)坑及強(qiáng)初期支護(hù)通過 方法：①在上臺(tái)階掌子面開挖1.5×1.5m的小導(dǎo)坑，小導(dǎo)坑超前掌子面5m，確保掌子面有4m以上的止水墻，為確保安全可對導(dǎo)坑進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，小導(dǎo)坑將起到直觀探測前方圍巖和引水孔的作用[3]，在探明前方地質(zhì)后再對后方掌子面進(jìn)行擴(kuò)挖。②后方掌子面擴(kuò)挖，采用?42雙層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，內(nèi)層小導(dǎo)管長度4.5m，外插角為10～15°，外層小導(dǎo)管長度6m，外插角為30～40°，拱部120°設(shè)置，注漿管搭接長度1.5m，確保注漿承壓拱厚度達(dá)到4m以上。初期支護(hù)采用V加強(qiáng)型襯砌支護(hù)參數(shù)施工[4]，采用I20b工字鋼，間距50cm/榀，噴砼厚度24cm，錨桿間距50×90cm，初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)。③如前方出現(xiàn)大的破碎帶和水囊，再采用CD法施工。小導(dǎo)坑超前能起到探測前方地質(zhì)情況和引水孔的作用，由于斷面較小且超前掌子面5m以上，如前方出現(xiàn)大的涌水和涌泥對后方掌子面影響較小，能避免塌方的發(fā)生。掌子面在擴(kuò)挖時(shí)首先進(jìn)行超前支護(hù)和注漿，再采用強(qiáng)支護(hù)通過。

通過以上3種方案比選，由于方案3在能保證施工安全的情況下，施工時(shí)間短，相比前2種方案投資小，因此，擬采用方案3。

3.2處治施工工藝流程

總體施工工序?yàn)椋赫谱用嫔吓_(tái)階小導(dǎo)坑開挖——掌子面超前支護(hù)——掌子面上臺(tái)階擴(kuò)挖——上臺(tái)階鋼拱架支護(hù)——下臺(tái)階開挖——下臺(tái)階初期支護(hù)——通過涌水段。

4 結(jié) 語

長、大、深埋隧道的不可預(yù)見性及地質(zhì)不確定性給施工造成了很大的影響，但只要精心做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，通過各種超前預(yù)報(bào)手段準(zhǔn)確掌握前方地質(zhì)資料[5]，采用合理的施工方案，就能在投資和工期方面取得雙豐收。

[1]楊兵.馬鹿箐隧道高壓富水大體量充填性溶腔處治技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010(2):42-50.

[2]姜云,王蘭生.深埋長大公路隧道高地應(yīng)力巖爆和巖溶涌突水問題及對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(9):1319-1323.

[3] 張祉道，白繼承.家竹箐隧道高瓦斯、大變形、大涌水的整治與對策[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),1998(1):1-10.

[4] 中交第一公路工程局有限公司. 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范(JTG F60-2009)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5] 鐵道部第二工程局.鐵路隧道施工規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.042

U455.49

A

1673-1409(2012)03-N127-03

2012-01-26

張學(xué)武(1971-)，男，1995年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事隧道施工、技術(shù)管理等方面的研究工作。