成蘭鐵路茂縣隧道突涌水機理分析及治理措施

張振國

摘 要：針對成蘭鐵路茂縣隧道突涌水狀況，進行了災(zāi)害發(fā)生的機理分析，介紹了超前周邊注漿技術(shù)、可溶巖初支局部堵水技術(shù)，采用了“分段截流”的理念，運用了新穎的“引流封堵”布置方式，同時配合新型RSS堵水材料與水泥漿進行雙液堵水，取得了顯著的堵水效果，解決掉了工程中突涌水問題。

關(guān)鍵詞：隧道工程 突涌水 超前周邊注漿 初支局部堵水 治理措施

中圖分類號：U457 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0069-05

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通行業(yè)也隨之勃興，公路、鐵路大量興建，因此，遇到的隧道工程也越來越多。迄今為止中國已是世界上隧道最多、發(fā)展速度最快的國家；中國的隧道建設(shè)技術(shù)已經(jīng)在總體上處于全球較領(lǐng)先的水平，著名的隧道有：八達嶺隧道、南嶺隧道、昆侖山隧道、秦嶺隧道等。隧道工程往往修建于外部條件比較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，再加上隧道施工中施工方法與周圍的地質(zhì)環(huán)境不夠協(xié)調(diào)，經(jīng)常導致地質(zhì)災(zāi)害情況的發(fā)生。隧道突涌水就是隧道施工中顯著的地質(zhì)災(zāi)害之一。

1 工程概況

成蘭鐵路茂縣隧道隧址位于龍?zhí)淋囌九c茂縣之間，隧道全長9 913 m，最大埋深約為1 646 m，屬于構(gòu)造剝蝕深切割高中山地貌，地形溝谷縱橫，起伏較大，自然橫坡15°～65°，地表高程1 575～3 278 m，相對高差1 703 m，局部陡峭，突涌水災(zāi)害發(fā)生位置在隧道的出口段。隧道出口段長3 803 m，起訖里程D8K131+360～D8K135+163，隧道出口段為左、右分離式隧道，出口段位于半徑為7 000的右偏曲線上，為單面上坡線路設(shè)計。隧址不良地質(zhì)有活動斷裂、高地應(yīng)力、高地溫、巖溶、有害氣體、放射性、危巖落石、泥石流、順層等，局部可能存在斷層破碎帶、突泥涌水等，地質(zhì)災(zāi)害風險較大。

1.1 地質(zhì)特征

成蘭鐵路茂縣隧道隧址區(qū)域分布的巖體是極為軟弱破碎的板巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖，受構(gòu)造影響，多表現(xiàn)出強烈的揉皺變形和擠壓破碎，軟巖和破碎巖體巖性條件極差。受構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，可溶性巖段易沿裂隙發(fā)育形成巖溶化裂隙、小型巖溶洞穴等。段內(nèi)巖溶弱-中等發(fā)育。隧址內(nèi)茂縣群各組地層及寒武系地層均夾有灰?guī)r、泥巖，因千枚巖透水性差，一般巖溶弱發(fā)育。隧址區(qū)域內(nèi)地震平均場地峰值加速度為0.20 g，地震動反應(yīng)波普特征周期為0.35 s。

1.2 水文特征

地表水主要為岷江匯水、溝水，屬岷江水系，茂縣隧道出口地表水匯入核桃溝后，同其他各溝水最終匯入岷江，區(qū)域內(nèi)斜坡陡峻，大氣降水主要為地表的徑流排泄為主，有一小部分的大氣降水向下滲透沿著基巖的節(jié)理裂隙向下成為地下水的一部分。地下水主要以基巖裂隙水、巖溶水、構(gòu)造裂隙水、土層孔隙水為主。區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，基巖裂隙水較豐富。地下水主要接受大氣降水及河水補給，同時也向河流排泄。初步對隧道涌水量預(yù)測：茂縣隧道預(yù)計正常涌水量為2.8×104 m3/d，雨季最大涌水量4.2×104 m3/d隧道段以滴水、滲流為主，遇裂隙密集帶可能發(fā)生淋水及小股狀涌水。

2 隧道內(nèi)突涌水情況及應(yīng)急措施

2.1 隧道平導正洞右線突涌水情況及應(yīng)急措施

2016年7月15日晚18：30分左右茂縣隧道平導正洞右線小里程掌子面發(fā)生突水，突水里程為YD8K132+312，突水部位為隧道中線隧底部位，經(jīng)現(xiàn)場測算流量為310 m?/h。

突水發(fā)生后，第一時間暫停洞內(nèi)施工，組織現(xiàn)場工班和機械撤場，啟動突水應(yīng)急預(yù)案，一是安排專人全天候觀測水量變化；二是切斷掌子面臺架和仰拱附近電源；三是增加抽水設(shè)備，備足抽水設(shè)備和管路，抽水設(shè)備為2臺18.5 kW潛污泵和2臺15 kW潛污泵。

7月19日有管部門召開專題會，要求加強水量監(jiān)控，加大超前地質(zhì)預(yù)報工作，抽排水儲備能力要達到2萬m?/d。

7月22日上午，茂縣隧道平導正洞右線小里程積水已抽至掌子面附近，無大面積積水。當日，采用物探“WT-2”方式即“地震波反射法+地質(zhì)雷達探測法+紅外探測法”進行探測。

7月23日，根據(jù)關(guān)于茂縣隧道右線YD8K132+312超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)報告結(jié)果，準備施作超前水平鉆驗證掌子面前方是否存在富水情況，減小突水風險。

7月24日，組織地質(zhì)鉆機進洞施作超前水平鉆，開展鉆探工作，鉆探采用“ZT-5”方式即“超前鉆孔（3孔）+加深炮眼（10孔），其中1孔檢測水壓、水量，1孔取芯”。16：45分開始鉆進1#孔，20：20分鉆孔深度達5 m時，鉆機突然出現(xiàn)卡鉆隨即發(fā)生了突水，為驗證夾層深度及前方富水情況，鉆機繼續(xù)工作，由于突水壓力和水量較大不得暫停施工轉(zhuǎn)移地質(zhì)鉆機，鉆進深度為8 m，驗證突水夾層厚度為0.4 m，兩孔出水經(jīng)現(xiàn)場測算流量為420 m?/h，現(xiàn)場掌子面已有水泵暫不能滿足抽排水，導致掌子面再次受淹。

7月27日上午，茂縣隧道平導正洞右線小里程積水已再次抽至掌子面附近，無大面積積水。之后組織地質(zhì)鉆機對掌子面左側(cè)2#探孔進行鉆進，截至到7月28日上午11點，鉆進深度已達到30 m，掌子面前方主要巖性為大理巖，未發(fā)現(xiàn)有突水情況。

7月30日早上6：30分開始對3#探孔繼續(xù)鉆進，17：55分鉆進深度已達到30 m，掌子面前方主要巖性為大理巖，未發(fā)現(xiàn)有突水情況。19：25分開始對1#探孔繼續(xù)鉆進，截止到7月31日凌晨3點，鉆進深度已達到30 m，巖性主要為大理巖，未發(fā)現(xiàn)5.4～30 m有突水情況。

8月5日，茂縣隧道平導正洞右線小里程恢復(fù)施工。

2.2 隧道平導正洞左線突涌水情況

8月18日，茂縣隧道平導正洞左線小里程掌子面已施工至D8K132+320，掌子面圍巖主要為大理巖及灰黑色砂巖，在掌子面右側(cè)拱腰下1米處發(fā)現(xiàn)直徑為40 cm左右空洞，呈縱向斜向上發(fā)育，空洞內(nèi)伴有流水。之后組織地質(zhì)鉆機進洞施作超前水平鉆，開展鉆探工作，鉆探采用“ZT-5”方式即“超前鉆孔（3孔）+加深炮眼（10孔），其中1孔檢測水壓、水量，1孔取芯”。現(xiàn)場鉆探揭示6 m、8 m、16 m處均有出水，水壓力較小，三孔出水經(jīng)現(xiàn)場測算流量為100 m?/h，揭示前方0～30 m范圍內(nèi)為大理巖夾灰黑色砂巖。

8月20日，茂縣隧道平導正洞左線小里程掌子面已施工至D8K132+314，掌子面發(fā)現(xiàn)的直徑為40 cm的空洞已延伸至右側(cè)拱腰部位并伴隨有股狀水（壓力較?。┝鞒?，拱頂大面積淋水。對比右線未發(fā)現(xiàn)有突水現(xiàn)象發(fā)生（見圖1）。

茂縣隧道平導正洞左線小里程掌子面施工過程中，其中D8K132+314、D8K134+312、D8K132+304，拱部大面積淋水。

3 隧道突涌水原因

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，綜合分析巖層、水文等地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工情況，并對隧道出水部位進行以物探為主的地質(zhì)勘察，認為茂縣隧道產(chǎn)生突涌水的主要原因如下：（1）在施工過程中由于圍巖表面的出水量很小甚至不出水，未能引起重視，導致出水量估計不足；在開挖的后發(fā)現(xiàn)圍巖比較破碎，發(fā)育較差，但仍按原來的設(shè)計方案進行施工。（2）由于大量的地下水賦存在掌子面前方的構(gòu)造帶中，具有較大水壓，又由于巖層蓄水構(gòu)造形成的時間長，在施工的過程中破壞了隔水層的完整性，當構(gòu)造帶中的水壓大于隔水層的阻擋力時而形成較大的水壓力差失去原有的平衡而導致破壞，導致大量的地下水在水壓力差的作用下大量涌出或溢出形成災(zāi)害。

4 隧道突涌水治理措施

根據(jù)設(shè)計要求，針對成蘭鐵路茂縣突涌水狀況，遵循分流集中出水量、填充裂隙、堵塞圍巖徑流通道、減少滲水、滿足設(shè)計封堵限排的治理思想；按照以堵為主，限量排放、合理引流，避免出現(xiàn)“水簾洞”、排水溝排水管、排水井、排水站要求形成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)排水的治水原則，從堵、引、排3個方面著手，采取不同的方案進行治理。

4.1 超前周邊預(yù)注漿技術(shù)

4.1.1 加固原理

在隧道巖溶區(qū)進行超前鉆孔，灌注水泥漿，漿液在注漿壓力的作用下填滿圍巖中的裂隙，并將裂隙中的水分、氣體排出，水泥漿液與周圍的松散巖層固結(jié)，增強周邊巖層的強度，形成了高強度和抗?jié)B阻水能力加強的固結(jié)體，從而提高周圍巖層的抗?jié)B性能、整體穩(wěn)定性能；在固結(jié)體的保護下進行開挖支護施工。其加固機理主要有以下幾個方面。

（1）填滿加固巖溶區(qū)作用，在超前探孔的配合下，確定圍巖裂隙位置，施工注漿孔，其主要作用是漿液填滿巖裂隙排出裂隙中的水、氣體。

（2）加固周邊松散圍巖，巖溶區(qū)周邊為松散的圍巖，圍巖裂隙填滿后，漿液還能擴散加固周邊的圍巖，使其具有自穩(wěn)性，到達施工的條件。

4.1.2 施工工藝

（1）注漿參數(shù)的選擇：注漿孔布置，注漿鉆孔布置圖見圖2、圖3所示。

（2）注漿順序：先注外圈，后注內(nèi)圈，先稀后密，由下而上間隔施作，采用后進式注方式。

（3）注漿加固范圍：注漿范圍為開挖輪廓線外3～5 m；每一循環(huán)注漿長度為30 m，開挖25 m，預(yù)留4 m止?jié){巖盤；注漿孔漿液擴散半徑為2 m，孔底間距3 m布設(shè)，每一循環(huán)共設(shè)4環(huán)注漿孔。注漿孔開孔直徑不小于108 mm，終孔直徑不小于90 mm。

（4）漿液材料及制漿：漿液采用純水泥漿或水泥-水玻璃漿液；水泥漿的水灰比（重量比）為0.8∶1～1∶1，水玻璃濃度采用波美度Be'=40，模數(shù)為2.4～3.0；水泥漿：水玻璃漿液=1∶0.8；為了確定漿液配比，預(yù)估材料用量及漿液消耗量，進行壓水試驗，壓水試驗可以了解注漿孔各注漿段巖層的透水性，富水性。

（5）注漿：當注漿孔涌水量小于30 L/min，選用純水泥漿或水泥-水玻璃漿液；當注漿孔涌水量在30～200 L/min范圍內(nèi)，選用凝膠時間為4～6 min的漿液；當注漿孔涌水量大于200 L/min，選用凝膠時間為3～4 min的漿液。

（6）注漿時注漿壓力逐步升高到設(shè)計終壓大約為1.5～2MPa，當達到終壓后繼續(xù)注漿10 min以上；當注漿結(jié)束時的進漿量不應(yīng)小于設(shè)計注漿量的80%，進漿速度為開始進漿速度的1/4。

4.2 可溶巖初支局部堵水技術(shù)

（1）截水墻技術(shù)。

①截水墻種類和設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場的出水點水量及圍巖裂隙水發(fā)育情況可設(shè)置兩種形式的截水墻：單截面形式的截水墻和雙截面形式的截水墻。其選擇注漿半徑的參數(shù)均為2 m、3 m、5 m這3種情況（見圖4，圖5）。

②截水墻區(qū)間劃分及形式組合，截水墻的分區(qū)長度一般最大不應(yīng)超過30 m，可選擇的范圍大約是25～30 m，區(qū)間長度不應(yīng)該太長，越長注漿效果越后期越不明顯；截水墻的設(shè)置采用混個方式包括：單截面+雙界面、長半徑+小半徑，截水墻的施工選擇應(yīng)按照靈活多變的原則，可依據(jù)施工現(xiàn)場初支實際情況而定，總體要依據(jù)施工現(xiàn)場具體富水情況而定（見圖6）。

出水點在拱部：根據(jù)出水量的大小采取縱向挑頂注漿和短間距徑向注漿兩種注漿堵漏方式。短間距徑向注漿布孔參數(shù)為0.8×0.8 m。

（2）注漿孔布置方式及要求，注漿止水注漿孔布置方式及要求總體按照注漿止水的作用分為3種類型，分別為：截水墻注漿孔、局部出水注漿、整段富水區(qū)域注漿。

①注漿止水單孔擴散半徑孔位的確定，是通過考慮截水墻截水效果以及可溶巖中的圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況而定的，雙截面截水墻環(huán)向縱向間距為2.0 m×2.0 m，單截面截水墻環(huán)向間距為1.5 m。

可溶巖的巖性不同以及節(jié)理裂隙發(fā)育情況不同，可以根據(jù)實驗得出單孔擴散率，從而進一步調(diào)整截水墻的注漿孔布置。

②局部出水注漿孔布置方式是根據(jù)隧道突涌水的位置確定，一般為拱部、拱肩、邊墻區(qū)域，堵水注漿方式也應(yīng)該根據(jù)不同位置采取不同的堵漏方式。

出水點在拱肩：應(yīng)按照“先分流后關(guān)門”的注漿順序，引流方式亦可分為下行引流和上行引流兩種方式；目的在于將出水區(qū)域進行分流化小，逐個封堵。

上行引流眼布孔參數(shù)：環(huán)向間距0.8 m，縱向間距0.8 m。

注漿孔施工參數(shù)：環(huán)向間距0.8 m、縱向間距0.8 m。

下行引流眼布孔參數(shù)：環(huán)向間距1.2 m、縱向間距0.8 m。

注漿孔施工參數(shù)：環(huán)向間距1.2 m、縱向間距0.8 m。（見圖9）

在下行引流眼鉆孔時，鉆進的角度應(yīng)呈整體斜向上，目的在于把圍巖裂隙中出水部位進行截止分流，減小出水量。（見圖10）

Ⅲ：出水點在邊墻：為了合理分配注漿范圍，達到預(yù)期注漿效果按照出水量大小可采用以下兩種注漿堵漏方式：短間距徑向注漿和單孔封堵注漿。

短間距徑向注漿布孔參數(shù)：環(huán)向間距1.0 m、縱向間距0.8 m。（見圖11，圖12）

③整體區(qū)域或較大區(qū)域富水段注漿堵水布孔參數(shù)：排間距、孔間距均為2 m；裂隙帶單循環(huán)4～5個，1序孔、2序孔相互交叉布。注漿堵水可分為：第一階段1序孔采用水泥單、雙液漿；第二階段2序孔采用RSS化學堵水材料注入巖層裂隙中形成注漿隔水帷幕；第三階段為局部區(qū)域加密孔注漿及檢查孔補注。第一階段的目的在于充填壁后空洞及滲水較大裂縫及減小RSS用量，來降低工程成本。

（3）注漿材料及設(shè)備。

①為了達到治理目的，降低注漿治理成本費用，選用水泥和RSS-系列化學堵水材料交叉注漿。②注漿材料是根據(jù)突涌水的原因選取的，較大裂隙、空隙時選用水泥漿液，在孔隙較小的情況下選用RSS-系列堵水材料，水泥漿液采用P.O42.5#硅酸鹽水泥，水∶灰=1∶0.5～1∶2，RSS雙組份化學堵水材料的配比為1∶1。

4.3 隧道洞內(nèi)外引、排水技術(shù)

（1）對隧道洞內(nèi)地面流水，實施“分級、分段設(shè)倉，移動泵站抽排”的原則，最后抽排至輔助坑道配水溝或排水系統(tǒng)，排出洞外。（2）拌合站、隧道輔助坑道洞口均設(shè)置四級沉淀池，施工產(chǎn)生的污水經(jīng)沉淀池沉淀后循環(huán)利用，隧道洞內(nèi)鉆孔、施工道路灑水均使用沉淀池內(nèi)水源、隧道內(nèi)安裝兩條專用排水管道，實現(xiàn)清污分流，清水排入河道，污水排入沉淀池后循環(huán)利用。

5 結(jié)語

該文對茂縣隧道進行了突涌水機理分析，并給出了高效合理的治理措施。針對可溶巖中圍巖裂隙水采用了“分段截流”的理念，且在注漿堵水鉆孔布置方面采取了新穎的“引流封堵”布置方式，同時配合新型RSS堵水材料與水泥漿進行雙液堵水；針對整體出水段科學性地采用分段截水墻技術(shù)，將整化零，逐段進行封堵注漿堵水，效果顯著。在成蘭公司正確領(lǐng)導和持續(xù)推動下，通過一系列堵、引、排技術(shù)措施的實施，使得隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境整潔，開挖掌子面排水暢通無積水，仰拱基坑無浸泡混凝土強度有保障，初支成洞段干燥無滴水，抽排水泵站系統(tǒng)運轉(zhuǎn)有序、清水排放、污水沉淀處理有序進行，確保了建成后的隧道襯砌干燥無滲水、無濕漬。

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