寒嶺界隧道突水原因及處治措施

方建華

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州分公司，浙江杭州 310058)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

寒嶺界隧道為分離式特長隧道，左線進(jìn)、出口里程分別為ZK87+580，ZK90+400，右線進(jìn)出口里程分別為 YK87+580，YK90+400，隧道寬10.50 m，全長2 820 m，最大埋深200多米。隧道洞身地段Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖;Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖;Ⅴ級圍巖及進(jìn)口段采用側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。

1.2 地形地貌

路段屬構(gòu)造侵蝕溶蝕低山丘陵地貌區(qū)，地形切割深淺不一，海拔標(biāo)高300 m～700 m，山勢多呈南北或北北東—南南西走向，個別地段有孤峰或峰叢挺立，地形形態(tài)復(fù)雜。

1.3 工程地質(zhì)

寒嶺界隧道穿越2個斷層(F1，F(xiàn)2)。F1斷層于隧道洞身K88+ 270～K88+610處與路線呈40°左右相交，破碎帶寬約300 m～400 m，構(gòu)造角砂巖夾煤層填充。F2斷層位于K88+815～K88+ 840段，為小斷層。

該地段地表為第四系的沖、洪積層，其下伏基巖為白堊系下統(tǒng)礫巖、砂巖、二疊系灰?guī)r、礫巖碳質(zhì)頁巖。二疊系碎屑巖，石碳系白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，泥盆系錫礦山組下段、余田橋組以及棋子橋組的白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r和錫礦山組上段和跳馬澗組砂巖、粉砂巖、頁巖。

1.4 水文地質(zhì)

線路所經(jīng)地域水系屬于湘江水系的漚江、淇江范圍，地表水主要來源于大氣降水，洪水位受季節(jié)性影響，降雨量主要集中在4月～8月，雨季山洪易爆發(fā)。

隧道區(qū)域地表水系較小，但溝谷縱橫交錯，分水嶺位于K89+ 000處左右，其兩側(cè)主要發(fā)育2條切深較大的Ⅴ形沖溝。沖溝斜穿路線，交匯于K88+880及K89+280處。谷底常年有水，流向北西，主要由大氣降水、孔隙潛水及部分基巖裂隙水補(bǔ)給，流量分別為15 m3/h～25 m3/h和5 m3/h～10 m3/h［1］。

地下水主要類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水?？紫端饕植加诟采w層的碎石土層中，透水性及含水性較差，水量很小;基巖裂隙水水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要分布在侏羅系長石石英砂巖、斷層破碎帶和泥盆系灰?guī)r中。

2 突水基本情況

2.1 突水過程

2012年7月14日晚9點(diǎn)10分左右，寒嶺界隧道進(jìn)口左洞上臺階開挖至K88+597位置。在出碴過程中，掌子面正拱頂位置發(fā)生突水，水壓非常大，呈瀑布狀噴涌而出，涌水呈黃色，并攜帶有泥狀物流出，圖1為突水發(fā)生瞬間。涌水20 min左右已淹至K88+297處。至15日早上8點(diǎn)10分涌水發(fā)生11 h，涌水淹至ZK88+040處，淹蓋長度總計(jì)557 m，涌水總量約為3.6×104m3，涌水量約為30 m3/min。16日凌晨0點(diǎn)左右，涌水淹至左洞ZK87+ 900處，由于水壓極大，K88+121處的封堵的人行橫道被沖開，2 h后右洞全部被淹沒。此時涌水量為680 m3/h，下午3點(diǎn)衰減為600 m3/h，17日下午3點(diǎn)衰減為490 m3/h，18號下午3點(diǎn)衰減為380 m3/h，至23日涌水一直保持在200 m3/h長達(dá)1個月左右。表1為隧道涌水量記錄表。

圖1 突水發(fā)生瞬間

表1 隧道涌水量記錄表

2.2 突水部位基本情況

隧道工程中突水必須具備的兩個基本條件是:有充足的水源;水源和隧道之間有順暢的、足夠大的通道。一些富水的斷裂本身就是含水層，此時，它不僅是導(dǎo)水通道，還是斷裂含水層［2，3］。

1)地質(zhì)情況。

進(jìn)入F1斷層破碎帶實(shí)際施工開挖揭露圍巖情況為:ZK88+ 260～ZK88+330段圍巖為碎石土狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖及粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)松散，開挖后無自穩(wěn)能力;ZK88+330～ZK88+340圍巖巖質(zhì)為碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖;ZK88+340處拱部開始出現(xiàn)煤矸石、洞身圍巖泥質(zhì)粉砂巖夾強(qiáng)風(fēng)化片狀砂巖。ZK88+341～ZK88+450段圍巖為中～強(qiáng)風(fēng)化砂巖，構(gòu)造角礫和煤層，拱腰部位巖體破碎夾泥質(zhì)填充物。ZK88+450～ZK88+550圍巖為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖夾黑色煤矸石，結(jié)構(gòu)較為破碎。ZK88+550～ZK88+595圍巖為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖夾黑色煤矸石，局部有花崗巖斑狀閃長巖，結(jié)構(gòu)較為破碎。ZK88+594處右側(cè)拱腰位置出現(xiàn)了小型水囊空腔。突水掌子面ZK88+597實(shí)際開挖揭露圍巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖局部全風(fēng)化夾碎石狀以及花崗斑狀結(jié)構(gòu)的閃長巖侵入體，巖質(zhì)軟硬不均，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎，巖石自穩(wěn)能力較差，地下裂隙水發(fā)育。

2)掌子面對應(yīng)地表情況。

左線隧道中線與106國道部分交叉，掌子面隧道頂?shù)乇砦挥谏桔隂_溝處，地表植被茂盛，匯水面積較大。

3)初期支護(hù)情況。

掌子面設(shè)計(jì)為S5a襯砌類型，采用Ⅰ18工字鋼80 cm間距，25 cm厚C20噴射混凝土，單層Φ8鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸20×20，D25中空注漿錨桿L=3.5 m，縱環(huán)間距80×100梅花形布置，45 cm厚鋼筋混凝土。突水發(fā)生后初期支護(hù)被沖刷開裂(見圖2)。

3 突水處理措施

突水段地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生突水后涌水量逐漸減少，在使用地質(zhì)雷達(dá)探明前方地質(zhì)情況后，對富水段采取注漿加固，支護(hù)增強(qiáng)等措施進(jìn)行綜合處理，以保證后續(xù)施工安全［4-6］。

3.1 抽水、清除洞內(nèi)淤泥

突水發(fā)生后立即啟動應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行抽水，至7月26日，右洞積水抽排完成，左洞積水抽至ZK88+350位置開始出現(xiàn)大量淤泥堆積，至ZK88+500位置開始淤泥下方出現(xiàn)泥結(jié)碎石狀堆積物。自7月14日突水發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際抽排、清淤記錄，截止9月17日，由左洞突水引起抽水?dāng)?shù)量達(dá)29.2萬m3，清除淤泥數(shù)量約6 850 m3，清理泥結(jié)碎石坍碴數(shù)量約3 000 m3(見圖3)。

圖2 初期支護(hù)沖刷開裂

圖3 抽排積水

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為探明前方突水段地質(zhì)情況，在對ZK88+585處坍錐面進(jìn)行平整，在滲水較大位置處埋設(shè)排水管進(jìn)行引排。并噴射C20混凝土進(jìn)行封閉，噴射厚度10 cm，為后續(xù)地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)提供了工作基面。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)掃描及地質(zhì)預(yù)報(bào)初步判別塌方段長度為16 m，即ZK88+584～ZK88+600段，塌腔形狀為斜向上，具體情況如圖4所示。

3.3 支護(hù)措施

1)為了保證后續(xù)施工的安全，對坍方后方20 m即ZK88+584～ZK88+564段進(jìn)行徑向注漿加固，采用φ42小導(dǎo)管，L=6 m，縱環(huán)間距80 cm×100 cm。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探明前方地質(zhì)

2)鑒于塌方段涌出大量的泥渣，斷面內(nèi)全部為松散堆積物，裂隙水發(fā)育，無自穩(wěn)能力，同時為保證ZK88+584有2 m的注漿擴(kuò)散高度，填渣反壓并修葺作業(yè)平臺從ZK88+580起采用3環(huán)全斷面注漿方式通過塌方段及富水破碎段，3環(huán)后根據(jù)實(shí)際圍巖情況另行處理，帷幕注漿見圖5。

圖5 全斷面注漿

3)塌方及富水破碎帶超前支護(hù)采取每環(huán)12 m φ89長管棚(跟管施工)+φ42超前小導(dǎo)管L=4.5 m組合方案，超前導(dǎo)管每3 m設(shè)置一環(huán)，長管棚9 m設(shè)置一環(huán)，從ZK88+583起架立兩榀Ⅰ18工字鋼護(hù)拱作為導(dǎo)向墻，暫定3環(huán)穿過斷層分界面后，根據(jù)現(xiàn)場情況再行處理。

4)塌方富水破碎帶支護(hù)參數(shù)采用27 cm厚C20噴射混凝土，Ⅰ20工字鋼鋼拱架50 cm間距，Φ8單層鋼筋網(wǎng)(20×20)，徑向鉆設(shè)L=6 m，φ42鋼花管注雙液漿固結(jié)周圍巖體，50×100梅花形布置，60 cm后C30鋼筋混凝土(S8)，上下臺階開挖，每個臺階拱腳增設(shè)2根L=4.5 m鎖腳小導(dǎo)管，每榀8根。

5)開挖過程中若遇到空腔，在6 m以內(nèi)的空腔泵送C20混凝土填充;6 m以上的空腔，泵送1 m～1.5 m厚C20混凝土墊層后進(jìn)行吹沙回填。

6)ZK88+564～ZK88+650段二襯排水系統(tǒng)，將環(huán)向盲管加密為2 m一環(huán)，對局部滲水點(diǎn)預(yù)埋引水管引入縱向排水管。

圖6 ZK88+880位置拱頂下沉圖

圖7 ZK88+880位置周邊收斂圖

3.4 處理效果

對左線ZK88+550～ZK88+590段選取四個斷面進(jìn)行監(jiān)測，以分析處理效果，Z88+880拱頂下沉及周邊收斂如圖6，圖7所示，拱頂下沉最大值為64.00 mm，周邊收斂值為59.17 mm。拱頂下沉速率由3 mm/d(10月29日)降至0.27 mm/d(11月17日);周邊收斂速率由4.23 mm/d(10月29日)降至0.42 mm/d(11月17日)，圍巖變形基本趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

針對寒嶺界隧道突水情況，在探明突水原因及突水段地質(zhì)情況后，采用全斷面帷幕預(yù)注漿、大管棚、超前小導(dǎo)管注漿等方法對突水進(jìn)行綜合處理?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，采取整治措施后，圍巖變形得到有效的控制，逐漸趨于穩(wěn)定，保證了施工安全。

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