中天山隧道超高水壓富水破碎帶施工方法研究

魏文杰

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

中天山隧道超高水壓富水破碎帶施工方法研究

魏文杰

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009)

為解決南疆吐庫(kù)二線中天山隧道出口鉆爆法反坡施工中突遇的超高壓涌水施工難題，采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和隧道涌水量、水壓及連通性測(cè)試，預(yù)測(cè)前方地質(zhì)情況以及涌水變化規(guī)律。針對(duì)掌子面前方超高水壓富水破碎圍巖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)超前注漿堵水、涌水掌子面直接排水、隧道進(jìn)口施工降壓泄水洞等方案進(jìn)行比選，最終確定了超前注漿堵水施工方案，成功突破了中天山隧道6.3 MPa超高壓富水破碎段施工，確保了隧道的施工安全。

中天山隧道；反坡；超高水壓；富水破碎帶；超前注漿

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，隨著高速公路、鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，隧道工程數(shù)量也在大量增加。為滿足山嶺長(zhǎng)大隧道修建的需求，隧道施工技術(shù)越來(lái)越多地呈現(xiàn)出應(yīng)用新技術(shù)、新方法、新工藝等趨勢(shì)。在高壓富水區(qū)修建長(zhǎng)大隧道，國(guó)內(nèi)外都不同程度地遇到了突泥、涌水現(xiàn)象，給施工和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了巨大的影響。近年來(lái)在不斷地探索中，防涌、防突技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

對(duì)于長(zhǎng)大隧道高水壓富水破碎帶施工，渝懷鐵路圓梁山隧道巖溶水壓力高達(dá)4.2～4.6 MPa，曾發(fā)生多次大規(guī)模突泥、涌水，施工相當(dāng)困難。李治國(guó)等[1]、鄒翀等[2]對(duì)高壓富水區(qū)溶洞的注漿和超前支護(hù)方案、注漿材料、注漿工藝等進(jìn)行了研究，通過(guò)采取注漿技術(shù)順利完成開(kāi)挖。龍廈鐵路象山隧道施工過(guò)程中遇到斷層破碎帶，超前探孔測(cè)試涌水壓力為2.0～3.0 MPa，施工中存在突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。魏志昌[3]、張健儒[4]根據(jù)斷層破碎帶地質(zhì)特征采取超前預(yù)注漿堵水技術(shù)加固地層，有效地防止了施工中突發(fā)涌水等地質(zhì)問(wèn)題。文獻(xiàn)[5-7]分別研究了帷幕注漿技術(shù)、預(yù)注漿堵水技術(shù)等在不同隧道高壓富水區(qū)中的應(yīng)用，其富水區(qū)水壓均未超過(guò)4 MPa。對(duì)于在山嶺隧道建設(shè)中遇到靜水壓力達(dá)到6.0 MPa以上的超高壓富水破碎帶施工，國(guó)內(nèi)尚未有直接采取注漿堵水技術(shù)的施工先例，采取何種施工方案可以安全順利通過(guò)，需要進(jìn)行詳細(xì)研究論證。

本文以南疆鐵路吐庫(kù)二線中天山隧道6.3 MPa超高水壓富水破碎帶施工為例，通過(guò)對(duì)施工方案進(jìn)行多方比選，確定了采取超前注漿堵水的施工方案，同時(shí)通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證了超前注漿堵水技術(shù)在超高水壓條件下的可行性。

1 工程概況

中天山特長(zhǎng)隧道為南疆鐵路吐魯番至庫(kù)爾勒段二線的重點(diǎn)工程，隧道最大埋深達(dá)1 700 m 以上，隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線式，其中左線全長(zhǎng)22 449 m，右線全長(zhǎng)22 467 m，左右線相距36 m，隧道進(jìn)口段采用TBM掘進(jìn)，出口段采用鉆爆法施工，鉆爆法為反坡排水，其中在左線設(shè)置1座長(zhǎng)2 547.14 m的斜井(1#斜井，DK158+400處)輔助正洞施工，右線設(shè)置1座長(zhǎng)2 545.89 m的斜井(2#斜井，DyK158+526處)輔助正洞施工。

2011年10月6日，隧道右線出口鉆爆段掌子面施工至DyK154+901時(shí)，在實(shí)施超前探孔的過(guò)程中出現(xiàn)高壓涌水，出水量約為5 000 m3/d，現(xiàn)場(chǎng)施工被迫停止。2012年5月3日，左線掌子面施工至DK154+856處，實(shí)施超前地質(zhì)鉆孔時(shí)也出現(xiàn)高壓涌水。

2 高壓富水段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.1 洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2011年12月7日、2012年5月31日采用TSP分別對(duì)隧道右線DyK154+901～+733段(長(zhǎng)168 m)、左線DK154+856～+706段(共150 m)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測(cè)，同時(shí)在右線掌子面布置4個(gè)(左線3個(gè))超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行更準(zhǔn)確的地質(zhì)、水量等探測(cè)。其中最深探孔達(dá)到38.3 m，此孔在鉆進(jìn)到12 m處有水流出，水很清澈，水量為200 m3/h；鉆進(jìn)到13.5 m時(shí)水量增加，為252 m3/h，有一定壓力；在13.5～38.3 m鉆進(jìn)過(guò)程中涌水量、水壓持續(xù)增加。最終對(duì)隧道左、右線超前地質(zhì)探測(cè)資料進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)隧道高壓富水段長(zhǎng)度為73～106 m，高壓富水段圍巖為Ⅲ級(jí)至Ⅳ級(jí)，其他地段為Ⅱ級(jí)。

2.2 突涌水水壓、水量觀測(cè)及連通試驗(yàn)

為了解隧道涌水特性，對(duì)左右線隧道涌水進(jìn)行了水壓、水量、水溫及掌子面涌水的連通試驗(yàn)。

1)涌水量量測(cè)。右線掌子面涌水里程為DyK154+901，涌水量為8 064 m3/d。左線掌子面涌水里程為DK154+856，涌水量為6 524 m3/d。

2)涌水水壓、連通性測(cè)試。對(duì)隧道左線、右線各安裝了壓力表及閥門(mén)的3個(gè)探孔進(jìn)行測(cè)試。在左線掌子面一個(gè)排水孔漏水的情況下進(jìn)行連通性測(cè)試，從水壓測(cè)試情況分析，突水段巖層裂隙發(fā)育，連通性好，水源補(bǔ)給快。關(guān)閉左、右線掌子面其他孔閘閥后，專門(mén)對(duì)隧道右線掌子面剩余的2個(gè)排水孔進(jìn)行水壓測(cè)試，水壓前期上升較快，在前50 min內(nèi)達(dá)到5.8 MPa，隨后上升緩慢，200 min后測(cè)得最大靜水壓力為6.3 MPa。

經(jīng)過(guò)對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)及相關(guān)試驗(yàn)分析，掌子面前方約300 m處為f7斷層，斷層下盤(pán)為志留系片巖夾砂巖，上盤(pán)為閃長(zhǎng)巖。根據(jù)突涌水水量大、壓力高的特點(diǎn)，分析地下水類型主要為斷層接觸帶層間水。同時(shí)根據(jù)掌子面超前地質(zhì)鉆孔、水量及水壓測(cè)量試驗(yàn)，采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式、水壓力法及單長(zhǎng)水量進(jìn)行估算，預(yù)測(cè)隧道高壓富水段正常涌水量為1.6萬(wàn)m3/d，最大涌水量可達(dá)到3.2萬(wàn)m3/d[8]。

3 高壓富水段施工方案研究

3.1 方案1：超前注漿堵水方案

隧道出口鉆爆段高壓富水破碎帶采取超前注漿堵水技術(shù)通過(guò)，進(jìn)口段采取TBM繼續(xù)正常掘進(jìn)。受出口涌水段水壓高達(dá)6.3 MPa影響，為確保注漿效果，采取超前注漿的同時(shí)進(jìn)行泄水降壓。隧道左、右線2作業(yè)面可同時(shí)開(kāi)展施工，互不干擾。

3.1.1 泄水孔降壓

在掌子面上布設(shè)泄水孔，開(kāi)孔里程設(shè)置在掌子面后方5～10 m，終孔位于加固圈范圍外2 m，分別在掌子面四角各設(shè)1個(gè)(右上泄水孔、右下泄水孔、左上泄水孔和左下泄水孔)，泄水孔內(nèi)設(shè)有泄水管，泄水管上設(shè)有閥門(mén)，注漿時(shí)打開(kāi)水閥降低水壓。

3.1.2 超前注漿堵水

注漿時(shí)，采用注漿局域劃分，對(duì)角泄水引導(dǎo)注漿方式，加大注漿、泄水孔空間距離。當(dāng)泄水孔出現(xiàn)串漿時(shí)，若注漿壓力低于普通水泥水玻璃雙液漿(C-S漿)凝結(jié)強(qiáng)度時(shí)，采用C-S漿封堵串漿。注漿壓力高于C-S漿凝結(jié)強(qiáng)度后，且串漿量超過(guò)注入量的50%時(shí)，關(guān)閉泄水孔進(jìn)行頂水注漿。注漿結(jié)束后，立即打開(kāi)泄水孔，如出現(xiàn)泄水孔被注漿封堵，立即重掃，再進(jìn)行下步注漿施工。注漿工序完成后，再進(jìn)行鉆孔排水降壓，然后實(shí)施隧道開(kāi)挖。

該方案中，進(jìn)口TBM正常施工，出口采用泄水降壓超前注漿處理涌水段，其中每循環(huán)注漿作業(yè)+開(kāi)挖需1.4個(gè)月，TBM按230 m/月考慮，拆卸洞(60 m)按4個(gè)月考慮。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展及剩余段落施工組織分析，左線隧道貫通需要11.7個(gè)月，右線隧道貫通需要11.2個(gè)月。

3.2 方案2：出口涌水掌子面直接排水方案

根據(jù)掌子面前方物探、超前鉆探結(jié)果綜合分析，富水段圍巖為Ⅲ級(jí)至Ⅳ級(jí)圍巖，左線、右線掌子面涌水為6 524 m3/d和8 064 m3/d。在該種地質(zhì)條件下，考慮采用超前小導(dǎo)管或超前管棚預(yù)加固圍巖，提高施工安全性。由于隧道出口為反坡施工，現(xiàn)有排水系統(tǒng)排水能力太低，需提高排水能力。

該方案進(jìn)口TBM正常施工，出口富水段采取超前預(yù)支護(hù)措施施工，進(jìn)度指標(biāo)為30 m/月，TBM掘進(jìn)指標(biāo)按230 m/月考慮，正常段120 m/月，拆卸洞(60 m)按4個(gè)月考慮。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展及剩余段落施工組織分析，左線隧道貫通需10.7個(gè)月，右線隧道貫通需7.8個(gè)月。

3.3 方案3：進(jìn)口施工降壓泄水洞方案

出口掌子面封堵暫停施工，進(jìn)口TBM施工靠近富水段時(shí)停止掘進(jìn)，然后采用鉆爆法施工迂回導(dǎo)洞對(duì)前方富水段進(jìn)行泄水降壓，降壓后采用拱部超前支護(hù)等措施施工富水段。

1)右線TBM掘進(jìn)至DyK154+672時(shí)，停止掘進(jìn)，在設(shè)備尾部對(duì)應(yīng)里程DyK154+597處采用鉆爆法施工迂回導(dǎo)洞至DyK154+682，轉(zhuǎn)換為泄水洞斷面施工至DyK154+901，為出口端泄水降壓；進(jìn)口端再迂回至TBM前方用鉆爆法施工正洞。

2)左線、右線施工泄水洞之后，出口端可開(kāi)始施工。進(jìn)口施工降壓泄水洞平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 進(jìn)口施工降壓泄水洞平面布置圖(單位：m)Fig.1 Plan layout of water releasing tunnel in entrance section of Zhongtianshan tunnel (m)

該方案工法轉(zhuǎn)換考慮1個(gè)月，TBM掘進(jìn)指標(biāo)按230 m/月考慮，正常段120 m/月，拆卸洞(60 m)按4個(gè)月考慮。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展及剩余段落施工組織分析，左線隧道貫通需14.9個(gè)月，右線隧道貫通需13.6個(gè)月。

3.4 方案對(duì)比

見(jiàn)表1。

表1 3種施工方案比選表Table 1 Comparison and contrast among three different options

經(jīng)過(guò)對(duì)上述3種方案進(jìn)行充分對(duì)比分析，采用超前注漿堵水施工方案能夠確保施工安全，施工工期可控，為推薦采用方案。

4 高壓富水段超前注漿方案實(shí)施

結(jié)合隧道高壓富水段圍巖狀況及隧道排水能力等，高壓富水段施工處理原則確定為“注漿減排、排水降壓”[9]，同時(shí)通過(guò)注漿試驗(yàn)確定注漿方式、注漿設(shè)備、注漿參數(shù)和注漿材料，保證在6.3 MPa超高水壓條件下實(shí)施全斷面超前注漿方案的可行。超前注漿方案具體實(shí)施過(guò)程如下。

4.1 止?jié){墻施工

開(kāi)挖接近預(yù)定位置時(shí)，根據(jù)超前炮孔和開(kāi)挖面的情況，選擇止?jié){墻施作位置，止?jié){墻設(shè)置厚度為3 m。為穩(wěn)定止?jié){墻，將止?jié){墻下部擴(kuò)挖50 cm，將止?jié){墻嵌入基巖，同時(shí)在止?jié){墻周邊安裝接茬筋。止?jié){墻施工示意見(jiàn)圖2。

圖2 止?jié){墻施工示意圖(單位：cm)Fig.2 Sketch of construction of grout stopping wall(cm)

4.2 分區(qū)定位

通過(guò)超前探孔，對(duì)掌子面進(jìn)行“分區(qū)定位”，將掌子面布孔范圍劃分為弱水區(qū)、一般區(qū)和強(qiáng)水區(qū)(弱水區(qū)水量Q≤10 m3/h，一般區(qū)水量1030 m3/h)；然后根據(jù)分區(qū)涌水量及地質(zhì)情況，有針對(duì)性地確定合理的注漿加固范圍及鉆孔間距。

4.3 鉆設(shè)泄水孔

注漿前，在掌子面四角各設(shè)有1個(gè)泄水孔，分別為右上泄水孔、右下泄水孔、左上泄水孔和左下泄水孔。泄水孔開(kāi)孔位置設(shè)置在掌子面后方約10 m處，終孔設(shè)置于加固圈范圍外2 m。泄水孔布置見(jiàn)圖3。

4.4 注漿加固范圍及開(kāi)挖長(zhǎng)度

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料分析，Ⅱ級(jí)至Ⅲ級(jí)圍巖采用周邊注漿，注漿范圍為開(kāi)挖輪廓線外5 m。每循環(huán)預(yù)留止?jié){巖盤(pán)長(zhǎng)度可根據(jù)開(kāi)挖揭示地質(zhì)情況及注漿效果預(yù)留2～4 m；開(kāi)孔位置和終孔位置均按環(huán)形布孔方式；Ⅳ級(jí)至Ⅴ級(jí)圍巖采用全斷面注漿，注漿范圍為開(kāi)挖輪廓線外8 m；每循環(huán)預(yù)留止?jié){巖盤(pán)長(zhǎng)度，可根據(jù)開(kāi)挖揭示地質(zhì)情況及注漿效果預(yù)留4～6 m。

X代表泄水孔；A代表注漿孔。

圖3注漿泄水孔布置圖
Fig.3 Layout of water releasing holes

4.5 注漿方式、參數(shù)及材料選擇

注漿方式采用前進(jìn)式分段注漿與孔底注漿相結(jié)合的方式。每循環(huán)縱向加固長(zhǎng)度確定為30 m，終孔間距不大于3.75 m，注漿終壓控制在6～8 MPa，漿液擴(kuò)散半徑為2.5 m。注漿材料主要采用普通水泥單液漿(W∶C為0.6∶1～1∶1)。當(dāng)出現(xiàn)串漿時(shí)，采用普通水泥-水玻璃雙液漿(W∶C為0.8∶1～1∶1，水泥、水玻璃體積比=1∶(1～0.3)，水玻璃濃度為30～35 Be′)?？紤]注漿后允許部分巖體滲水以及材料成本，本方案注漿材料不考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿。

4.6 分區(qū)域?qū)嵤┳{

采用“劃分注漿局域，對(duì)角泄水降壓”的原則，對(duì)左上區(qū)域注漿時(shí)，開(kāi)啟右下泄水孔進(jìn)行泄水；對(duì)左下區(qū)域位注漿時(shí)，開(kāi)啟右上泄水孔進(jìn)行泄水；對(duì)右上區(qū)域注漿時(shí)，開(kāi)啟左下泄水孔進(jìn)行泄水；對(duì)右下區(qū)域注漿時(shí)，開(kāi)啟左上泄水孔進(jìn)行泄水，如此交替進(jìn)行。

注漿過(guò)程中出現(xiàn)串漿時(shí)，當(dāng)注漿壓力低于雙液漿凝結(jié)強(qiáng)度時(shí)，采用雙液漿封堵串漿；注漿壓力高于雙液漿凝結(jié)強(qiáng)度后，通過(guò)關(guān)閉泄水孔進(jìn)行頂水注漿，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后結(jié)束注漿。

4.7 注漿效果檢查及評(píng)定

針對(duì)隧道高壓富水節(jié)理密集帶施工特點(diǎn)，結(jié)合長(zhǎng)大隧道反坡排水能力，確定了檢查孔允許出水量標(biāo)準(zhǔn)：一般情況下不大于2.5 L/(min·m)；在圍巖完整段，最大不超過(guò)5 L/(min·m)?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)一個(gè)循環(huán)注漿后檢查孔出水量進(jìn)行測(cè)量，各檢查孔終孔出水量都小于5 L/(min·m)(見(jiàn)表2)，滿足開(kāi)挖要求，且在檢查孔鉆設(shè)過(guò)程中鉆速快，無(wú)卡鉆現(xiàn)象，達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2檢查孔各段出水情況
Table 2 Water seepage of inspection holes

孔號(hào)孔深/m開(kāi)始出水位置/m22m處出水量/(L/(min·m))終孔出水量/(L/(min·m))檢128．6180．210．27檢229．0220．020．35檢329．800檢429．4150．51．72檢528．8141．63．17檢628．1180．71．68檢728．1190．92．85檢828．3210．030．21

4.8 注漿結(jié)束后鉆孔泄水降壓

注漿完成后，在掌子面后方10 m鉆設(shè)2個(gè)泄水孔排水泄壓(左、右側(cè)各設(shè)1個(gè))，降低圍巖背后水壓力，保障隧道開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)安全。

5 開(kāi)挖支護(hù)

對(duì)隧道高壓富水段實(shí)施超前注漿后，采用上、下臺(tái)階法實(shí)施開(kāi)挖，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖不超過(guò)2 m，Ⅳ級(jí)圍巖不大于1 m?？紤]高水壓對(duì)圍巖的影響，初期支護(hù)采取加強(qiáng)支護(hù)，在Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖地段初期支護(hù)噴射23 cm厚C25混凝土，拱部120°范圍設(shè)φ25 mm中空錨桿，邊墻設(shè)φ22 mm砂漿錨桿，間距為1.2 m×1 m，長(zhǎng)度為2 m，隧道全環(huán)安設(shè)I16型鋼拱架，間距為1m；在Ⅳ級(jí)圍巖地段初期支護(hù)噴射30 cm厚C25混凝土，拱部120°范圍設(shè)φ25 mm中空錨桿，邊墻設(shè)φ22 mm砂漿錨桿，間距為1.0 m×0.8 m，長(zhǎng)度為2.5 m，隧道全環(huán)安設(shè)I22b型鋼拱架，間距為0.8 m；在噴混凝土?xí)r安設(shè)盲管，將滲漏水集中經(jīng)排水溝引排。

6 結(jié)論與討論

1)通過(guò)對(duì)隧道高壓富水段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及施工實(shí)際情況分析，采用超前預(yù)注漿施工方案是切實(shí)可行的。

2)在注漿開(kāi)始前，為保證注漿施工安全，需要先施作泄水降壓孔；在注漿完成后，為保證開(kāi)挖工作在低壓狀態(tài)下進(jìn)行，在開(kāi)挖前需在注漿加固圈以外施作降壓孔排水降低圍巖承受的壓力，以保障隧道開(kāi)挖安全。

3)隧道開(kāi)挖后，對(duì)掌子面圍巖裂隙處擴(kuò)散漿液進(jìn)行分析，破碎巖層內(nèi)的滲水裂隙均通過(guò)注漿得到填充，掌子面僅有局部裂隙水滲漏現(xiàn)象，總涌水量約為13 m3/h，比注漿前明顯減小，達(dá)到了預(yù)期效果。

中天山隧道高壓富水段施工為反坡排水，隧道排水系統(tǒng)能力有限，繼續(xù)加大排水設(shè)施投入不經(jīng)濟(jì)，必須采取注漿堵水措施控制隧道總涌水量。今后類似工程若為順坡排水，或者隧道排水能力配置充足富余，則可考慮采用掌子面直接排水的方案通過(guò)，施工投入費(fèi)用和工期均可得到較大節(jié)省。本工程具體實(shí)施效果有待日后類似工程驗(yàn)證。

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TunnelingthroughWater-richFracturedZonewithSuper-highWaterPressureCaseStudyonZhongtianshanTunnel

WEI Wenjie

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Water gushing with super-high pressure occurs in the down-slope construction of the exit section of Zhongtianshan tunnel on the second Turpan-Korla railway in Xinjiang,China.Advance geology prediction and tests on the water inflow rate,water pressure and water conductivity are made to forecast the geological conditions ahead of the tunnel face and the variation pattern of the water inflow.Three options,i.e.,advance grouting option,direct water releasing option and option of installing water releasing tunnel from the entrance section of Zhongtianshan tunnel,are proposed to cope with the super-high pressure water-rich fracture zone.In the end,the advance grouting option is adopted and the water-rich fractured zone with 6.3 MPa water pressure has been successfully tunneled through.

Zhongtianshan tunnel; down-slope tunneling; super-high water pressure; water-rich fracture zone; advance grouting

2014-02-12;

2014-03-25

魏文杰(1972—)，男，河南鞏義人，1995年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院,隧道及地下工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.014

U 45

A

1672-741X(2014)05-0484-05