西成客運專線隧道斜井涌水治理方案研究*

王 軒，王 政

(河南交通職業(yè)技術(shù)學院，橋梁智能監(jiān)測與風險預(yù)警河南省工程實驗室，河南 鄭州 450000)

0 引言

隧道涌水現(xiàn)象是隧道施工常見的最主要地質(zhì)災(zāi)害，直接影響圍巖穩(wěn)定性，預(yù)防和處理風險高、難度大，對生態(tài)環(huán)境也會帶來較大威脅。國內(nèi)隧道涌水有較多成功案例，李永江等［1］從地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層巖性分析其成因，采用“超前雙排長管棚+小導(dǎo)管+注漿+三臺階法施工+瓦斯監(jiān)測”的綜合方案進行處治，效果明顯;黎曉剛等［2］采用長管棚超前支護并結(jié)合小導(dǎo)管注漿加固措施，用有限元法數(shù)值模擬分析，驗證了塌方處治效果的安全性;劉柳奇等［3］對循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)進行了總結(jié)和剖析，效果明顯;高世軍等［4-5］提出洞身內(nèi)采用地表注漿，邊坡采用傾斜地表鋼管注漿預(yù)加固，結(jié)果表明：地表注漿預(yù)加固改善了圍巖物理力學性能，縮小了開挖變形產(chǎn)生的松弛區(qū)范圍。以西安至成都鐵路客運專線某隧道斜井涌水工程實踐，說明采用小導(dǎo)管注漿技術(shù)處理隧道高壓涌水地質(zhì)災(zāi)害的可靠性，為類似隧洞處理地下涌水災(zāi)害、加強生態(tài)環(huán)境治理提供參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

西安至成都鐵路客運專線西安至江油段位于陜西省南部和四川省中北部地區(qū)，連接關(guān)中平原、漢中盆地和成都平原。項目在鐵路網(wǎng)中區(qū)位條件優(yōu)越，主骨架特征明顯，開辟了陜西至川渝地區(qū)最便捷、快速的客運大通道。隧道2號斜井，交點里程DK150+700，長1897m，斜井斷面采用雙車道，斜井凈高6.5m，凈寬7.3m，綜合坡度i=10.37℅。根據(jù)指導(dǎo)性施工組織要求，該斜井需承擔正洞隧道DK150+000～DK152+500(長2500m)的施工任務(wù)。該斜井均處于華力西期閃長巖地段，屬于弱富水區(qū)，位于斷層帶、節(jié)理密集帶、長大節(jié)理及不同巖性接觸帶是地下水主要富集區(qū)，斜井開挖過程中可能產(chǎn)生一定涌水。限于目前勘察技術(shù)水平，很難對閃長巖地段的涌水點段及涌水量準確預(yù)測，因此在設(shè)計文件中編制了正常涌水量在2205m3/d左右，可能最大涌水量在11025m3/d左右。

1.2 工程地質(zhì)概況

1.2.1 地質(zhì)構(gòu)造

本段位于商丹斷裂帶和勉略—巴山弧形斷裂構(gòu)造帶夾持的南秦嶺構(gòu)造帶，是秦嶺造山帶的蜂腰部位，由于楊子板塊向北俯沖，引起地幔上隆，基底抬升，上覆蓋層沿剝離斷層由中心向四周發(fā)生滑脫，形成剝離構(gòu)造;燕山運動追蹤早期構(gòu)造繼而發(fā)生逆沖推覆、剪切走滑構(gòu)造變形，形成秧田壩—十畝地韌性—韌脆性剪切走滑構(gòu)造帶。隧道斜井范圍地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，無斷層分布，局部發(fā)育節(jié)理密集帶。

1.2.2 地層巖性和水文地質(zhì)

隧道斜井洞身(已施工段)均位于華力西期閃長巖，地層巖性特征如下：閃長巖(δ4)：淺灰色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要以斜長石、角閃石、石英等為主，含有少量黑云母等暗色礦物。巖體較完整，節(jié)理較發(fā)育，風化層厚5～10m，強風化，Ⅳ級軟石，σ0=600kPa;弱風化;V 級次堅石，σ0=1500kPa。

水文地質(zhì)節(jié)理裂隙發(fā)育且?guī)r體破碎地段，節(jié)理密集帶及不同巖性接觸帶是地下水主要富集區(qū)，設(shè)計預(yù)計隧道開挖過程中可能產(chǎn)生一定量涌水，最大涌水量為2746～4525m3/(d·㎞)。

2 隧道施工進展及涌水情況

2.1 隧道2號斜井施工進展情況

隧道2號斜井2013年4月22日開始進洞施工，8月22日掌子面開挖施工至斜9+70時出現(xiàn)突然涌水，需增加排水設(shè)備設(shè)施，加強超前支護措施后，10月7日恢復(fù)掌子面掘進，進展緩慢，掌子面里程斜10+70，出現(xiàn)涌水后截至2013年12月10日又掘進90m。

2.2 隧道2號斜井涌水過程

2.2.1 第一階段涌水過程

2013年8月22日掌子面開挖施工至斜9+70時出現(xiàn)底部及邊墻涌水，涌水量約1200m3/d。斜9+70掌子面圍巖左側(cè)拱腰處圍巖為黑色泥化層，圍巖級別由Ⅲ級變更為Ⅴ級，并將全斷面改為臺階法施工。8月25日，2號斜井掌子面施工至斜9+80時，掌子面后方斜0+978處初期支護拱部出現(xiàn)突涌水及初期支護變形，且出現(xiàn)環(huán)向裂縫，同時掌子面斜9+80處拱部及邊墻黑色泥化層分布范圍較斜9+70增大。根據(jù)現(xiàn)場情況量測涌水量大于3500 m3/d，且涌水顏色為煤黑色。掌子面停止施工，同時加大排水設(shè)備配置進行抽排。8月29日，2號斜井掌子面斜9+80拱部及兩側(cè)墻腳處涌水量繼續(xù)加大，根據(jù)現(xiàn)場情況量測涌水量約8000m3/d，同時繼續(xù)加大排水設(shè)備配置進行抽排。

2.2.2 第二階段涌水過程

2013年9月11日，先用水平鉆孔機在掌子面周邊鉆孔，將掌子面水量引排至后方，及時抽出洞外;在掌子面斜9+80施作φ89mm超前大管棚加超前小導(dǎo)管，大管棚長度暫按30m。9月20日開始管棚施作，10月7日管棚施作完成，同期掌子面恢復(fù)掘進施上。10月14～15日，施工地區(qū)降雨，斜井洞內(nèi)涌水量增加至9600m3/d，16日天晴水量減至9000m3/d。

2.2.3 第三階段涌水過程

2013年11月13日上午，2號斜井掌子面施工至斜10+47處左側(cè)拱部出現(xiàn)突涌水，根據(jù)現(xiàn)場情況監(jiān)測，斜9+60～斜10+47整個涌水段落涌水量約12000m3/d。

2.3 隧道2號斜井施工涌水現(xiàn)狀

斜9+70～斜9+85段、斜10+23～斜10+45段存在較多集中股狀涌水點;斜9+85～斜10+23段、斜10+45～斜10+70段落初期支護不同程度存在“淋雨狀”涌水(見圖1)。

為準確監(jiān)測2號斜井涌水量，在斜井口建立梯形堰動態(tài)監(jiān)測點，對排水量進行不間斷監(jiān)測，連續(xù)監(jiān)測2號斜井于8～12月平均每天涌水量(見圖2)，高度精確到mm。到目前為止，枯水季節(jié)本段總涌水量穩(wěn)定在12000m3/d。

2.4 超前地質(zhì)預(yù)報

2.4.1 超前預(yù)報及超前探孔

隧道2號斜井涌水以來除大范圍補充地質(zhì)調(diào)查和水文地質(zhì)分析評價工作以外，8月30～12月4日先后進行了1次掌子面TSP、3次地質(zhì)雷達超前預(yù)報及超前探孔工作(見表1)。

圖1 斜井涌水現(xiàn)狀分布

表1 斜10+70地質(zhì)雷達超前預(yù)報結(jié)論

圖2 斜井日涌水量統(tǒng)計

2.4.2 斜井圍巖變更情況

圍巖為華力西期閃長巖，夾有輝綠巖脈體，呈條帶狀，巖體受構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理裂隙呈密集發(fā)育帶，局部夾有泥化層及石英條帶、巖塊，泥化夾層為灰黑色，遇水軟化、泥化并染手，巖體穩(wěn)定性差，斜9+70～斜10+10段圍巖拱頂左側(cè)及拱腳出現(xiàn)涌水，水量8000～8500m3/d，拱部及左邊墻巖體變形，架設(shè)的鋼架出現(xiàn)扭曲變形，掌子面拱部出現(xiàn)較大空腔，圍巖級別由Ⅲ級變更為Ⅴ級，支護措施斜9+70～斜9+90由Ⅲ-SP變更為Ⅴ-SM，斜9+90～斜10+10由Ⅲ-SP變更為Ⅴ-SM。

斜10+10～斜10+30局部夾有石英條帶、巖塊，巖體穩(wěn)定性差，涌水量9900m3/d(總涌水量)，圍巖級別由Ⅲ級變更為Ⅴ級，支護措施由Ⅲ-SP變更為Ⅴ-SM。

斜10+30～斜10+70段圍巖為華力西期閃長巖，巖體受構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，可見3組節(jié)理，間距0.2～0.4m，巖體完整程度較差，拱部無支護可產(chǎn)生坍塌，斜10+47處右側(cè)拱部出現(xiàn)較大股狀及淋雨狀出水，斜井涌水量約12000m3/d(總涌水量)，圍巖級別由Ⅲ級變更為Ⅳ級，支護措施斜10+30～斜10+50由Ⅲ-SP變更為Ⅳ-SP、斜10+50～斜10+70由Ⅲ-SP變更為Ⅳ-SM。

3 注漿試驗段方案

自2013年8月22日發(fā)生涌水以來，涌水量衰減跡象不明顯，且本段涌水量在降雨期間有明顯增加，枯水季節(jié)斜井總涌水量19000m3/d。為降低地下水漏失，保護環(huán)境，同時為減小排水壓力，保證工程在雨季施工安全，根據(jù)專家意見，結(jié)合現(xiàn)場涌水狀況，參建各方共同研究決定，對2號斜井選取斜9+60～斜9+60(30m)、斜10+50～斜10+70(20m)段作為徑向注漿堵水的試驗段。實施注漿采用P-Q-t過程控制，注漿效果檢查配合TSP、檢查孔法進行綜合評價，如局部滲漏再進行補注漿，直至注漿滿足設(shè)計要求。

3.1 二次襯砌施作

為確保注漿堵水效果，應(yīng)先施作二次襯砌，然后再注漿封堵裂隙治理隧道涌水［6］，斜9+60～斜10+70段按設(shè)計要求組織二次襯砌的施作，二襯厚35cm，采用C30混凝土。

3.2 斜9+60～斜9+90注漿堵水試驗段方案

本段水量較大，出水點相對較為集中，遵循隧道塌方力學仿真效應(yīng)［7］，采取分兩階段注漿方案進行注漿堵水。注漿過程繪制P-t及Q-t曲線，通過P-Q-t曲線過程控制分析對注漿效果評判［8］。

3.2.1 第一階段注漿施工

打設(shè)徑向注漿孔，鉆孔深3m，鉆孔部位為拱墻，孔徑50mm，梅花形布置(見圖3，4)，注漿孔口管采用直徑42mm的熱軋無縫鋼管，長1m;注水泥-水玻璃雙液漿(見表2)，在隧道拱墻范圍外部形成止水圈，完成第一階段注漿。

圖3 第一階段徑向注漿

圖4 第一階段注漿終孔展開加固模式(單位：cm)

表2 第一階段徑向注漿參數(shù)(水泥水玻璃雙液漿)

3.2.2 第二階段注漿施工

實施第二階段注漿，打設(shè)徑向注漿深孔，鉆孔深6m，鉆孔部位為拱墻，孔徑 50mm，梅花形布置［9］，注漿孔口管采用φ42mm的熱軋無縫鋼花管，長6m(見圖5，6);注水泥單液漿，水泥材料采用硫鋁酸鹽水泥(見表3)，注漿采用全孔一次性注漿，在隧道拱墻范圍外部形成加固圈［10］。

圖5 第二階段徑向注漿設(shè)計

圖6 第二階段注漿終孔展開加固模式(單位：cm)

表3 第二階段徑向注漿(單液漿)參數(shù)

3.3 斜10+50～斜10+70注漿堵水施工方案

本段水量較小，出水呈“淋雨狀”分布，采取一次全孔注漿進行注漿堵水。注漿設(shè)計：徑向注漿鉆孔深4m，鉆孔部位為拱墻，孔徑50㎜，梅花形布置，注漿管采用φ42mm的熱軋無縫鋼花管，長4m(見圖7，8)，注漿采用全孔一次性注漿，漿液采用水泥單液漿(見表4)。隧道涌水量大小和水位高度、滲透系數(shù)都成正比，涌水量隨著注漿圈厚度增大而減小，且存在最優(yōu)厚度，盲目增大注漿圈厚度對隧道涌水量處理不合理、不經(jīng)濟。在Ⅴ級圍巖中，最小注漿圈的厚度為3～4m［11］。注漿材料水泥首先采用525號普通硅酸鹽水泥進行試驗，根據(jù)注漿達到的堵水效果，如果注漿整體效果達不到70%以上，再采用硫鋁酸鹽水泥進行試驗。

圖7 徑向注漿設(shè)計

圖8 注漿終孔開展加固模式(單位：cm)

表4 徑向注漿參數(shù)

3.4 注漿試驗施工效果

注漿結(jié)束后，對該段加強監(jiān)測，施工過程很好的采用P-Q-t過程控制，以定壓和定量為主控制注漿，終壓達到設(shè)計要求，注漿速度小于5L/min保持20min以上時結(jié)束注漿。注漿結(jié)束后，采用TPS方法對注漿后的加固堵水效果檢驗，注漿區(qū)域波速提高，密度、變形模量顯著增長，裂隙密實充填，圍巖整體性明顯加強。通過檢查孔來看，左側(cè)注漿密實無水，右側(cè)輕微少量滲水，有明顯的堵水效果，大量散水被封堵，各集中出水點應(yīng)有明顯衰竭，堵水整體效果良好，達到設(shè)計止水要求

4 結(jié)語

隧道發(fā)生涌水后，應(yīng)及時準確分析發(fā)生涌水原因，嚴格涌水地段監(jiān)測發(fā)展，注意涌水場對圍巖位移和支護結(jié)構(gòu)的變形影響。

在華力西期閃長巖，夾有灰黑色輝綠巖脈，巖體受構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理裂隙呈密集發(fā)育帶，圍巖破碎，基巖裂隙水涌水量大、衰減緩慢的情況下，采用小導(dǎo)管注漿技術(shù)，通過P-Q-t曲線過程控制，注漿效果十分明顯，可為同類工程施工提供參考。

加強注漿現(xiàn)場施工管理，做好注漿監(jiān)控、涌水監(jiān)測，對具體的注漿材料、參數(shù)和工藝應(yīng)結(jié)合具體條件進行優(yōu)化，先試驗、后實施，確保注漿效果和施工安全。

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