大涌水、大變形的極軟巖隧洞施工技術(shù)

謝天智

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆伊寧835000）

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大涌水、大變形的極軟巖隧洞施工技術(shù)

謝天智

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆伊寧835000）

摘要：常規(guī)鉆爆施工是隧洞工程施工較為成熟的施工方法，但在施工過程中針對(duì)大變形、大涌水等地質(zhì)問題所采用的處理措施不盡相同，取決于邊界條件、施工經(jīng)驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)成本等因素。本文就隧洞施工所面臨的問題，開展了有針對(duì)性的研究，應(yīng)用于施工實(shí)踐，特別是圍巖大變形的支護(hù)措施和排、堵水措施取得明顯效果，科學(xué)可靠的施工技術(shù)使施工安全、施工質(zhì)量和工程進(jìn)度得到了保障。

關(guān)鍵詞：軟巖隧洞；大涌水、大變形；鉆爆施工；分析

1　工程地質(zhì)條件

某隧洞工程穿越的地層為上第三系泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及砂礫巖，其中泥巖、砂質(zhì)泥巖具有弱膨脹性，部分砂巖具有弱膨脹性。砂礫巖、含礫砂巖屬非崩解性；泥巖的耐崩解性指數(shù)的差異性較大，大部分泥巖、砂巖屬中等的耐久性，少部分件屬極低的耐久性。洞段地應(yīng)力值為4.5～9.3MPa，圍巖強(qiáng)度與應(yīng)力的比值為0.04～0.11。鉆孔揭露到部分泥巖呈可塑狀，砂巖和砂礫巖呈松散狀，鉆探過程中在孔深140m以下多次出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。泥巖、砂質(zhì)泥巖透水性較弱，透水率多小于0.5Lu，砂巖、砂礫巖的透水性較強(qiáng)，透水率多大于1Lu，兩種透水性具有差異性的巖層相間分布。有多個(gè)鉆孔揭露，相對(duì)富水的砂巖、砂礫巖段存在承壓水，其中JDZK28鉆孔揭露的承壓水水位達(dá)1532.9m，高出地面110m，高出隧洞270m。

2　軟巖隧洞大變形、大涌水特點(diǎn)與施工難點(diǎn)

2.1 隧洞大變形特點(diǎn)與施工難點(diǎn)

2.1.1 軟巖大變形的特點(diǎn)和形成機(jī)理

軟巖大變形問題常見于低強(qiáng)度圍巖中，如變質(zhì)巖、煤系地層等。大變形的發(fā)生形勢(shì)較為迅速，且較難抑制，危害較大，嚴(yán)重影響了鉆爆法的施工。如果施工技術(shù)人員不能對(duì)施工環(huán)境變化做出正確的判斷，可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故［1］。大變形的形成機(jī)理主要分為下列三種。

（1）擠壓變形，隧洞開挖后形成的圍巖應(yīng)力重新分布，使得軟巖自身強(qiáng)度降低。

（2）地下水會(huì)對(duì)隧洞造成影響，地下水在運(yùn)動(dòng)過程中將對(duì)巖體顆粒形成動(dòng)力作用，對(duì)巖體造成一定程度的損壞，降低了巖體強(qiáng)度，提高了巖體孔隙率，利用鉆爆法開挖施工時(shí)，圍巖的自穩(wěn)能力將變差，同時(shí)頁巖和泥巖在水的作用下發(fā)生軟化，圍巖工程力學(xué)強(qiáng)度降低［2］。

（3）膨脹變形，巖石中的粘土礦物與水發(fā)生反應(yīng)，體積逐漸膨脹，產(chǎn)生軟巖變形，在鹽類礦物中較為常見。

2.1.2 軟巖大變形施工難點(diǎn)

根據(jù)大變形洞段巖石力學(xué)特征，設(shè)計(jì)提出變形量，最大變形沉降值為30cm，而且不同洞段變形值不同，同時(shí)受地下水影響，所揭露出的地質(zhì)條件與勘測(cè)階段所提供的地質(zhì)資料差異性比較大，這給工程施工過程造成了十分巨大的困難。主要表現(xiàn)在：預(yù)留變形值的設(shè)置、采用臺(tái)階的長(zhǎng)度和核心土挖除時(shí)間控制、鋼支撐尺寸選擇和輔助超前支護(hù)系統(tǒng)的配合及施作位置等，同時(shí)施工人員經(jīng)驗(yàn)和對(duì)施工措施的掌握和領(lǐng)悟也是主要控制對(duì)象。

2.2 隧洞大突涌水特點(diǎn)與施工難點(diǎn)

2.2.1 大涌水的特點(diǎn)

隧洞洞軸線處在地下水位線以下，主要為承壓水、斷層裂隙水、不整合面承壓水和水囊，由于受地層的成因的影響，富水位置難以準(zhǔn)確判斷，施工過程中突涌水最大值達(dá)到了7500m3/d。隨著施工的進(jìn)行，地下水對(duì)圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成影響，圍巖的地質(zhì)條件惡化，對(duì)工程施工帶來了極大的影響，延長(zhǎng)了施工周期［3］。鉆爆法施工過程中，機(jī)械擾動(dòng)會(huì)給圍巖結(jié)構(gòu)造成一定的影響，必然會(huì)不同程度地破壞含水圍巖的力學(xué)性質(zhì)，暴露出部分導(dǎo)水通道，最終形成涌水、突水災(zāi)害。

2.2.2 大涌水施工難點(diǎn)

（1）隧洞工程施工中，涌水現(xiàn)象難以避免，不同的隧洞工程，涌水程度的大小也不同，軟巖洞段涌水現(xiàn)象一旦發(fā)生，將以較高的壓力噴出，嚴(yán)重破壞了圍巖的穩(wěn)定性，甚至淹沒隧洞，造成塌方，威脅著施工人員和施工設(shè)備的安全［4］。

（2）受到水壓的影響，隧洞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，隧洞工作面可能發(fā)生變形甚至塌方，威脅施工人員和施工設(shè)備的安全。

（3）大涌水導(dǎo)致施工強(qiáng)度降低，延長(zhǎng)了施工周期。涌水現(xiàn)象一旦發(fā)生，可能在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無法繼續(xù)進(jìn)行爆破施工，必須先針對(duì)涌水災(zāi)害進(jìn)行分析，制定合理的解決方案，采取合理的手段堵水防水［5］。

3　軟巖隧洞大變形、大涌水的主要施工技術(shù)

3.1 大變形洞段施工技術(shù)

施工過程中，大變形與突涌水常常相伴出現(xiàn)。針對(duì)軟巖洞段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，采取了一系列有針對(duì)性的措施。每一具體開挖及支護(hù)措施依照設(shè)計(jì)圖紙和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料進(jìn)行。施工過程中采用TRT6000地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)報(bào)顯示出的前方地質(zhì)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的施工措施。

3.1.1 預(yù)留變形量

對(duì)軟巖洞段周邊進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，在隧洞開挖過程中，主要監(jiān)測(cè)隧洞內(nèi)壁兩點(diǎn)連線方向的相對(duì)位移或監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移量［6］。隧洞周邊位移是圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的最直觀反映，周邊位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以分析圍巖變形規(guī)律及判斷隧洞空間穩(wěn)定性提供可靠信息；根據(jù)變形加速度、變形速度來判斷隧洞圍巖的穩(wěn)定程度，為襯砌支護(hù)的合理支護(hù)時(shí)機(jī)提供依據(jù)，判斷初期支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方法選取的合理性；采用統(tǒng)計(jì)分析和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)穿越軟巖等復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)留變形量的選取進(jìn)行研究，并結(jié)合上述數(shù)值模擬提出合理的隧洞預(yù)留變形量，為后續(xù)工程提供參考。

3.1.2 短臺(tái)階法施工

在對(duì)圍巖進(jìn)行合理支護(hù)后，選擇合適的短臺(tái)階法，循環(huán)進(jìn)尺為0.6m，分上、下臺(tái)階預(yù)留“核心土”的方法進(jìn)行開挖，上臺(tái)階與下臺(tái)階的距離在5m左右，下臺(tái)階與仰拱的距離在15m以下，下臺(tái)階掌子面與二次襯砌的施工距離在50m以下，在仰拱的作用下，圍巖變形將得到抑制，與相應(yīng)的支護(hù)方式結(jié)合后可控制軟巖大變形。

3.1.3 施工過程中降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)

施工過程中嚴(yán)格控爆破參數(shù)，降低鉆爆對(duì)圍巖的擾動(dòng)，優(yōu)化爆破技術(shù)，對(duì)循環(huán)尺寸進(jìn)行合理控制，采用預(yù)支護(hù)的輔助方式對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制，對(duì)破碎的圍巖及時(shí)加固［7］。

3.1.4 局部采用了管棚附加小導(dǎo)管超前支護(hù)技術(shù)

（1）超前支護(hù)管棚采用Φ108mm，長(zhǎng)度30m，外插角3°，間距35cm，管棚布設(shè)在上臺(tái)階開挖180°范圍。每環(huán)管棚之間搭接長(zhǎng)度5m，前方掌子面搭接長(zhǎng)度5m。管棚鉆孔直徑Φ150mm，管棚鋼管采用直徑Φ108mm的無縫鋼管，管棚內(nèi)安裝3φ25，長(zhǎng)度25m（鋼筋采用圓鋼）的錨筋束。錨筋束采用φ8的鋼筋，每隔2m焊接一組環(huán)形支架，并在錨筋束上安裝一根Φ15mm的PVG排氣管。排氣管長(zhǎng)度30m，并與錨筋束綁扎牢固。管棚孔單序孔時(shí)管棚前端26m為“花管”，尾部4m段為“死管”。鋼花管采用在鋼管壁鉆孔，其縱向、橫向間距為15cm，并保證同一截面的接頭數(shù)不得超過管數(shù)的50%。雙序孔時(shí)不設(shè)置“花管”，全部為“死管”。

（2）對(duì)已安裝完成的管棚進(jìn)行注漿，順序?yàn)閺膬蓚?cè)底板向頂拱方向進(jìn)行注漿，注漿采用HSG（含水細(xì)沙型）水泥漿，水灰比為0.8∶1，并摻加1‰的硼酸，灌漿壓力1.5～2Mpa，灌前采用1cm厚鋼板將管口封閉，并焊接1寸鋼管，作為灌漿管，灌漿管上設(shè)置1寸球閥。管棚注漿分為兩部分，首先進(jìn)行管棚內(nèi)部注漿，結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為排氣管返濃漿即可結(jié)束。排氣孔回濃漿后，封閉排氣孔，進(jìn)行管棚四周巖石注漿，結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為吸漿量不大于0.4L/min，持續(xù)灌漿10～15min，即可結(jié)束。灌漿的目的為加強(qiáng)管棚的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)前方巖體進(jìn)行補(bǔ)充固結(jié)。

（3）管棚施工完成后，在兩根管棚間布設(shè)Φ42mm，L =4.5m超前小導(dǎo)管，進(jìn)行超前補(bǔ)充支護(hù)，小導(dǎo)管環(huán)向間距35cm，外插角度為5°，其布置數(shù)量可根據(jù)灌漿效果進(jìn)行隨機(jī)加密，以保證兩根管棚之間巖體灌漿密實(shí)為原則。小導(dǎo)管前端2.5m為“花管”，尾部2m段為“死管”?；ü懿捎迷阡摴鼙阢@孔，其縱向、橫向間距為15cm，并保證同一截面的接頭數(shù)不得超過管數(shù)的50%。小導(dǎo)管注漿采用HSG（含水細(xì)沙型）水泥進(jìn)行灌漿，注漿壓力0.5MPa，水灰比0.8∶1，并摻加1‰的硼酸。結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為在設(shè)計(jì)壓力下，灌漿段的吸漿量不大于0.4L/min，持續(xù)灌漿10～15min，即可結(jié)束。

（4）超前支護(hù)完成后進(jìn)行短進(jìn)尺開挖支護(hù)施工，支護(hù)采用HW150鋼支撐，間距60cm、φ8、100mm×100mm的雙層鋼筋網(wǎng)片及噴G30混凝土10c～20cm進(jìn)行封閉，兩榀鋼支撐之間采用10#槽鋼進(jìn)行連接，槽鋼間距50cm，局部根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況增加隨機(jī)錨桿，并采用3排Φ25，L =3.5m鎖腳錨桿對(duì)鋼支撐進(jìn)行鎖定，每排鎖腳錨桿2根，鋼支撐左右各布置1根，鎖定錨桿無法施工的部位，可采用水平鋼支撐進(jìn)行對(duì)撐，對(duì)鋼支撐底部噴G30混凝土進(jìn)行加固，鋼支撐底部設(shè)置底“靴”，局部采用長(zhǎng)度3m的Φ22自鉆式錨桿或采用Φ28的預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)鋼支撐進(jìn)行鎖定。

（5）對(duì)于掌子面及邊墻突發(fā)掉塊、出水量增大或掌子面發(fā)生“鼓肚”現(xiàn)象情況，采取預(yù)防處理措施。輕微的掉塊、滲水現(xiàn)象，采用濕噴臺(tái)車對(duì)掌子面進(jìn)行噴混凝土進(jìn)行封閉；如掉塊加劇、出水量加大、掌子面出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，及時(shí)采用方木、木板堆積掌子面，并使用砂袋將掌子面全部堵死壓實(shí)，然后在砂袋出露面上進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土施工，噴混凝土封閉前在砂袋內(nèi)預(yù)埋引水管排水。邊墻及掌子面根據(jù)巖石出露后的地質(zhì)情況采用小導(dǎo)管注漿進(jìn)行隨機(jī)支護(hù)，保證掌子面及邊墻圍巖穩(wěn)定［8］。

（6）施工過程中加強(qiáng)安全檢測(cè)。在支護(hù)鋼支撐上頂拱及兩側(cè)拱肩部位布置三個(gè)收斂觀測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成封閉三角形，采用收斂計(jì)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行觀測(cè)，觀察頂拱鋼支撐變化情況。

3.2 隧洞大突涌水施工技術(shù)

針對(duì)軟巖洞段大涌水災(zāi)害的治理，國(guó)內(nèi)外已形成了較為成熟的方法，即以引排和封堵為主要手段。

（1）前期采用地質(zhì)鉆機(jī)在掌子面布置5個(gè)超前地質(zhì)勘探孔，其中頂拱附近一個(gè)，腰線附近布置2個(gè)，底板附近布置2個(gè)，孔深50m，探明前方巖石的具體情況及出水量情況。后期根據(jù)前邊掌握的巖石及出水量情況，可采用TRT6000輔助紅外線探水儀進(jìn)行超前地質(zhì)勘探，預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖的富水情況。

（2）根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，如果前方有較大的裂隙水和水囊，通常采用堵水措施解決，對(duì)掌子面進(jìn)行預(yù)灌漿。采用100B鉆機(jī)鉆孔，鉆孔間距2m，鉆孔時(shí)設(shè)置孔口管及高壓閥門，鉆孔深度20m。灌漿壓力根據(jù)出水壓力和水量確定，灌漿材料采用油溶性聚氨酯灌漿材料、水溶性聚氨酯灌漿材料和普通水泥灌漿材料。

灌漿孔口涌水量大于50L/min時(shí)，采用SY-油溶性聚氨酯灌注；

灌漿孔口涌水量小于50L/min大于10L/min時(shí)，采用SY-水溶性聚氨酯灌注；

灌漿孔口涌水量小于10L/min時(shí)，采用HSG超細(xì)水泥灌漿。

（3）根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，掌子面前方有承壓水出現(xiàn)，則在腰線以下布置4～6個(gè)超前導(dǎo)水孔，超前導(dǎo)水孔鉆孔直徑Φ130mm，外插角度5°，孔深20m。根據(jù)掌子面出水的實(shí)際情況調(diào)整導(dǎo)水孔鉆孔位置及數(shù)量。導(dǎo)水孔采用管棚鉆機(jī)跟Φ110mm無縫鋼管進(jìn)行施工，單孔完成后在孔口位置設(shè)置高壓閥門，導(dǎo)水管前端16m為“花管”，尾部4m段為“死管”。

（4）灌漿完成后在設(shè)計(jì)輪廓線上布置檢查孔，進(jìn)行灌漿效果檢查，達(dá)到預(yù)期效果后進(jìn)行超前支護(hù)施工。

4　結(jié)語

在大變形、大涌水隧洞的施工過程中，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、針對(duì)性的施工方案研究和施工過程的執(zhí)行控制，隧洞工程順利完工。在方案研究中對(duì)可靠性和適用性方面做了大量的分析和對(duì)比，并經(jīng)過論證討論后予以實(shí)施。雖然大變形、大涌水隧道施工有很多成功案例，但不同的工程有不同的施工特點(diǎn)，希望本案例的成功經(jīng)驗(yàn)?zāi)転榻窈箢愃扑淼拦こ淌┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

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作者簡(jiǎn)介：謝天智（1983年—），男，工程師。

收稿日期：2015-08-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.035

中圖分類號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0094-04