不良地質(zhì)隧道涌突水處理施工技術(shù)研究

張建國

摘要：本文通過對蠶豆田2號隧道右幅涌突水情況和發(fā)展過程分析，結(jié)合涌突水處巖性分析和水體分析，讓我們對不良地質(zhì)地段隧道施工有了新的體會和認(rèn)識，隧道不良地質(zhì)危害不是不可防、不可控，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用合理的技術(shù)手段等，危害是可以控制在一定范圍內(nèi)，實(shí)踐證明該方案制定較為妥當(dāng)，施工方法是可行的，為類似隧道工程施工中遭遇不良地質(zhì)地段，出現(xiàn)大量涌水，大塌腔等綜合處理提供參考。

Abstract： Based on the analysis of the right water inrush and development process of Tiandoutian No.2 Tunnel， combined with the lithology analysis and water body analysis of the water inrush， we have a new experience and understanding of tunnel construction in unfavorable geological sections. Unfavorable geological hazards are not uncontrollable. To carry out advance geological predictions and take reasonable technical means， the hazards can be controlled within a certain range. Practice has proved that the plan is more appropriate and the construction method is feasible and it can provide reference for the comprehensive treatments of the similar tunnel engineering.

關(guān)鍵詞：隧道;涌水;塌腔

Key words： tunnel;gushing water;collapse cavity

中圖分類號：U455.49 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0127-04

0 ?引言

在隧道施工過程中，經(jīng)常會經(jīng)過不良地質(zhì)地段，遇到大量涌水，圍巖坍塌形成塌腔，給隧道掘進(jìn)帶來了極大的困難和風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對蠶豆田2號隧道右幅涌突水處理施工技術(shù)總結(jié)、分析，提出處理措施，為類似隧道工程施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 ?工程概況

中鐵六局集團(tuán)承建的蠶豆田2號隧道右幅長997m，其中Ⅴ級圍巖224m，Ⅳ級圍巖773m，涌水處屬于IV級圍巖，設(shè)計(jì)圍巖巖性為淺灰、灰白色白云巖，理裂隙發(fā)育，巖體破碎，設(shè)計(jì)支護(hù)類型為SF4a。

2 ?涌水情況與發(fā)展過程

2016年12月8日晚，蠶豆田2號隧道右幅進(jìn)口K150+638上臺階準(zhǔn)備開挖，掌子面A單元右側(cè)拱腳及隧中出現(xiàn)了涌水，涌水處水頭最大一處直徑約有50cm，涌水壓力較大，不時有巖體掉塊、沖出大量泥石，短時間內(nèi)上臺階積水深度就達(dá)到了0.8m左右。工區(qū)緊急疏散施工人員后，調(diào)用挖掘機(jī)和抽水泵進(jìn)行排水，12月9日早晨排涌水基本趨于正常，經(jīng)測定日涌水最大流量達(dá)到35000m3/d，對掌子面噴射C25混凝土進(jìn)行封閉。

12月10日經(jīng)四方現(xiàn)場察看，為保證隧道施工安全，決定暫停隧道開挖，繼續(xù)對涌水情況進(jìn)行觀察，做好流水量記錄，對隧道周圍地表進(jìn)行勘察，由第三方檢測單位采用TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對隧道前方情況進(jìn)行探測。12月15日后涌水量基本穩(wěn)定在10.85m3/min，水量暫無減小趨勢，通過對地表勘察發(fā)現(xiàn)，隧道和山體擦沖溝平行而行，地表水和山體無明顯變化，TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)確定掌子面前方100m范圍內(nèi)無溶腔水。

3 ?涌水原因及地質(zhì)分析

3.1 隧道涌水處巖性分析

隧道涌水處巖性為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖或泥巖，薄層狀，節(jié)理發(fā)育，層間結(jié)合差，巖層擠壓扭曲嚴(yán)重，涌水沖刷出水點(diǎn)周圍軟弱圍巖，導(dǎo)致隧道右側(cè)邊墻處形成一個高度13m，平均寬度8m，長度38m的巨大塌腔，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場勘查，判定涌水段圍巖類別為Ⅴ級，在排水的同時加強(qiáng)支護(hù)，采取有效措施穩(wěn)定巖體。

3.2 隧道涌水?dāng)嗝媾c塌腔的位置關(guān)系

3.3 隧道涌水水體分析

隧道水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶地下水發(fā)育，涌水主要為基巖裂隙水和管涌水，水量變化受季節(jié)影響較小，出水點(diǎn)存在隨隧道掘進(jìn)轉(zhuǎn)移、改變流向的可能性，水的處理應(yīng)以排泄為主。出水點(diǎn)“1”流向是從洞頂?shù)淖髠?cè)流出，出水點(diǎn)“2”流向是從洞拱腰的正上方向流出，不排除隧道右幅出水點(diǎn)“1”和“2”管路和左幅隧道連通的可能，防止左幅掘進(jìn)面涌水。

4 ?涌水塌腔處理技術(shù)方案

①在隧道水文地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，涌水采用“以排為主、堵排結(jié)合、穩(wěn)固圍巖、確保安全”的處理原則。

②隧道右幅上臺階涌水集中引流，詳細(xì)測定隧道涌水量，為隧道永久排水方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測頻次和數(shù)據(jù)處理。

③掌子面向后30m已施工初支起拱線范圍內(nèi)，采用4m￠42mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固。

④隧道右幅涌水沖刷形成的塌腔，先在涌水點(diǎn)埋設(shè)管道進(jìn)行引流，再在涌水塌腔口子處設(shè)置止?jié){墻，然后對塌腔采用泵送C20混凝土進(jìn)行填充，加固部分軟弱圍巖。塌腔填充高度高于設(shè)計(jì)開挖拱頂2m，填充完成后在填充頂面吹沙2m。

⑤隧道右幅改為三臺階施工，掌子面向前20范圍內(nèi)圍巖支護(hù)，由原設(shè)計(jì)SF4a調(diào)整為SF5b型支護(hù)。

⑥隧道左幅掌子面打超前探水孔，探明前方地質(zhì)情況的同時進(jìn)行泄水。隧道圍巖支護(hù)調(diào)整為SF5a型支護(hù)形式。

⑦隧道左右幅仰拱二襯加快施工進(jìn)度，減小施工步距確保安全。

5 ?施工方法

5.1 洞內(nèi)清理及準(zhǔn)備

隧道右幅涌水點(diǎn)沖刷周邊軟弱圍巖形成塌腔，上臺階被垮塌泥石堆積，開挖平臺部分被掩埋，涌水散流。先在上臺階B單元右拱腳外1.5m處挖一條排水溝，對涌水進(jìn)行引流，仰拱預(yù)留排水溝和上臺階之間用適合長度的￠800mm鋼管斜搭形成排水通道，上臺階進(jìn)水口用防水材料和沙袋進(jìn)行堆碼，讓水全部從引水管道通過直接流向洞外，便于掌子面和后續(xù)仰拱施工。

引流工作結(jié)束后挖機(jī)清理?xiàng)夁\(yùn)堆積泥石，開挖平臺底部顯露出后用裝載機(jī)拖移平臺，使平臺離開掌子面，再次清理上臺階堆積泥石和掌子面危石，清理完畢后采用C25噴射混凝土對掌子面進(jìn)行封閉，噴射厚度不小于5cm，部分薄弱處用鋼支撐掛鋼筋網(wǎng)片加固。

施工要點(diǎn)：①排水溝在不影響下步施工的情況下，要盡可能離拱腳遠(yuǎn)些，防止水浸泡拱腳。②引水和清理工作要徹底，不能影響后續(xù)施工。③拖開挖平臺時要慢，隨時觀察掌子面變化，防止掌子面二次垮塌。

5.2 加固初支

利用開挖平臺對掌子面向后30m已施工初支起拱線范圍內(nèi)，采用4m￠42mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行徑向加固，注漿小導(dǎo)管間距按每榀拱架環(huán)向間距1m梅花型布置。注漿小導(dǎo)管加工成前端錐形，管體有梅花型溢漿孔的鋼花管，打入巖體后必須設(shè)置止?jié){閥。

注漿采用雙液漿，注漿壓力控制在0.3～1.0MPa，順序由下而上，注漿單管進(jìn)行，注漿完畢后立即關(guān)閉止?jié){閥，防止?jié){液外流。

施工要點(diǎn)：①注漿孔打設(shè)盡可能讓鉆桿垂直于巖面，保證注漿管的有效長度。②注漿孔要進(jìn)行編號，注漿時相鄰孔眼需間隔開，不能連續(xù)注漿。③根據(jù)注漿量或注漿終壓雙控注漿質(zhì)量，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量或設(shè)計(jì)終壓。

5.3 塌腔口處理

隧道右幅掌子面涌水處塌腔口子外沿尺寸狹小，松散堆積體較多，不便于引水管道和止?jié){墻施工，先采用挖掘機(jī)擴(kuò)挖塌腔口子外沿，對塌腔口和腔內(nèi)松散堆積體及危險(xiǎn)巖石進(jìn)行清理，塌腔口到出水點(diǎn)最窄處寬度能頂進(jìn)￠800mm的引水管道和便于施工止?jié){墻為宜。

塌腔口擴(kuò)挖后，在挖掘機(jī)斗子上加焊工作臂固定噴射頭，噴射厚度不小于3cm的C25混凝土對腔體內(nèi)和腔口巖體進(jìn)行封閉。

施工要點(diǎn)：①塌腔擴(kuò)挖寬度及深度要滿足引水管道和止?jié){墻施工。②挖掘機(jī)斗加焊工作臂長度要滿足施工需求。③塌腔口及腔內(nèi)的松散堆積體、危巖必須處理干凈并加固，過程中嚴(yán)禁施工人員進(jìn)入塌腔內(nèi)。

5.4 施工引水管道

經(jīng)過對涌水流量計(jì)算，塌腔內(nèi)涌水引水管采用￠100mm軟式透水管輔助￠800mm的鋼管進(jìn)行引水。引水管道施工以機(jī)械設(shè)備為主人工為輔，鋼管采用兩臺挖掘機(jī)配合吊裝、頂進(jìn)塌腔內(nèi)出水點(diǎn)，最大限度讓引水管道進(jìn)水端頭緊靠出水點(diǎn)最為宜，出水端靠近上臺階排水溝。

鋼管靠出水點(diǎn)一端采用土工布包裹多根軟式透水管堵塞端頭，防止巖石塌落或塌腔填充混凝土?xí)r堵塞主引水管道，軟式透水管要長一點(diǎn)，分散到主涌水點(diǎn)四周的散水點(diǎn)，收集較大的散水入主管道。

￠800mm引水管道吊裝就位后，工人從鋼管中爬入安裝軟式透水管，確保施工人員安全。

施工要點(diǎn)：①塌腔內(nèi)引水管道安裝是處理涌水的最主要環(huán)節(jié)，必須保證引水暢通。②安裝引水管道需要人工配合，有危險(xiǎn)性，需做好安全保護(hù)措施。

5.5 第一次施工止?jié){墻及塌腔填充

隧道右幅塌腔口K150+638處設(shè)置止?jié){墻，用于填充塌腔，堵塞涌水，加固軟弱圍巖。通過現(xiàn)場查勘計(jì)算，止?jié){墻寬度為上臺階隧中的右半幅，厚度不小于1m，采用C25噴射混凝土或C20混凝土模筑，止?jié){墻靠近邊墻一側(cè)嵌入基巖不小于0.5m，基礎(chǔ)置于基巖上或經(jīng)過夯實(shí)的地基上。

止?jié){墻分兩次施工，第一次施工高度高于塌腔出水點(diǎn)引水管進(jìn)水口0.3m，在止?jié){墻底部預(yù)留一個能滿足引水管外散流水量的孔洞，以便于施工止?jié){墻時排水。止?jié){墻強(qiáng)度達(dá)到80%時，采用混凝土輸送泵對塌腔進(jìn)行C20混凝土填充，混凝土填充高度達(dá)到止?jié){墻高度。

第一次塌腔混凝土填充完成后，檢查涌水是否全部從引水管道流出，如果引水不徹底，當(dāng)填充混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%的時候，機(jī)械輔助打通引水管道內(nèi)堵塞物。

施工要點(diǎn)：①止?jié){墻基礎(chǔ)必須穩(wěn)固，強(qiáng)度達(dá)到80%時方可進(jìn)行塌腔混凝土填充。②填充混凝土施工完畢后及時檢查引水情況，并疏通管路堵塞物。（圖2）

5.6 第二次施工止?jié){墻及塌腔填充

第二次施工止?jié){墻封閉塌腔之前，要在止?jié){墻墻體中預(yù)埋設(shè)混凝土輸送管道、吹沙管道、檢查孔管道和排氣孔管道?；炷凛斔凸艿啦捎谩?25mm鋼管，吹沙管道、檢查孔和排氣孔管道采用￠80mm鋼管。

混凝土輸送管道出口位置高于開挖拱頂2m，吹沙管道出口位置高于混凝土輸送管道出口2m，檢查孔管道埋設(shè)高度跟混凝土輸送管道平齊，并離混凝土輸送管道2m左右，排氣孔管道基本和吹沙管道平齊，預(yù)埋管道必須穩(wěn)固不易倒塌。

預(yù)埋管道安裝完畢后止?jié){墻完全封閉塌腔，止?jié){墻混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%時，使用混凝土輸送泵進(jìn)行C20混凝土填充，當(dāng)混凝土填充到設(shè)計(jì)高度，檢查孔有混凝土流出時停止填充。

混凝土填充完成后為形成緩沖層，確保結(jié)構(gòu)安全，用噴射混凝土機(jī)械，在填充頂面吹高度為2m的沙層，達(dá)到設(shè)計(jì)高度排氣孔有沙流出后封閉管口。

施工要點(diǎn)：①止?jié){墻中各種管道的埋設(shè)要合理、適用，安裝穩(wěn)固牢靠。②沙層材料要選用顆粒細(xì)、干燥的沙子。③泵送砼時不能太快，防止混凝土壓力過大導(dǎo)致止水墻爆裂。

5.7 涌水段洞身開挖

涌水及塌腔處理完畢后，掌子面運(yùn)渣進(jìn)行回填，洞身開挖采用三臺階預(yù)留核心土工法進(jìn)行開挖作業(yè)，掌子面向前20m范圍內(nèi)圍巖支護(hù)由原設(shè)計(jì)SF4a調(diào)整為SF5a型支護(hù)。施工中本著“弱爆破、短掘進(jìn)”的宗旨，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，并根據(jù)圍巖地質(zhì)情況的變化適時調(diào)整施工方案，減少對圍巖的影響。

施工中先開挖上臺階，以一榀為開挖長度并完成該部初期支護(hù)，施工完成的初期支護(hù)每榀（A單元）鋼架拱腳向上50cm，施工￠108mm鎖腳錨管進(jìn)行鎖腳加強(qiáng)，錨管采用長度9m的鋼花管，梅花形布置，注漿壓力按0.5～2MPa控制。

上臺階開挖達(dá)到8m以后，開挖中臺階，中臺階開挖同樣以一榀為開挖長度并及時完成該部初期支護(hù)，施工￠108mm鎖腳錨管并注漿，在涌水引水管道與該部拱腳交叉部位，先將B單元拱腳落于引水管道上，拱腳支墊混凝土塊和工字鋼，加固牢固。

中臺階開挖達(dá)到8m后，進(jìn)行下臺階開挖，并及時完成該部初期支護(hù)。在引水管道與該部B單元拱腳連接交叉部位，使用氣割配合切割機(jī)對鋼管進(jìn)行切割，用多根軟式透水管包裹土工布，將引水管道內(nèi)的涌水引至仰拱，仰拱內(nèi)挖設(shè)集水坑，坑內(nèi)安裝臨時抽水泵抽排水至洞內(nèi)兩側(cè)排水溝，保證仰拱內(nèi)無積水浸泡。在完成該部支護(hù)后，支護(hù)閉合成環(huán)，及時跟進(jìn)仰拱。

洞身開挖中加強(qiáng)監(jiān)控量測，用量測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)涌水段開挖施工。監(jiān)控量測點(diǎn)由原來的10m布置一環(huán)測點(diǎn)改為2m設(shè)置一環(huán)監(jiān)測點(diǎn)，測量頻率由原來的一天一次改為一天兩次，量測數(shù)據(jù)做到準(zhǔn)確、及時，根據(jù)預(yù)警情況隨時調(diào)整施工方法，確保初支穩(wěn)定。

施工要點(diǎn)：①運(yùn)渣回填掌子面的臺階高度、長度要滿足三臺階施工要求。②涌水段圍巖軟弱，開挖進(jìn)尺和爆破用藥量要嚴(yán)格控制。③按設(shè)計(jì)要求施工A、B單元拱架連接板處的￠108mm鎖腳錨管。④仰拱臨時抽排水泵要略大于涌水量，排水管切割注意不能擾動初支。⑤各個部位暗埋引排水管連接必須順暢、牢固。

5.8 涌水引排至清水溝

隧道處理涌水時，同時加快仰拱與二襯的施工，當(dāng)仰拱及二襯施工到出水點(diǎn)平行的位置時，在仰拱內(nèi)埋設(shè)管道，將水通過管道接引到仰拱填充面上排水溝位置，形成永久出水點(diǎn)，讓涌水自行排出隧道。

施工要點(diǎn)：①在施工仰拱時，注意引水管道的連接，防止管路堵塞。②仰拱暗埋引水管道大小要滿足涌水需要。

6 ?隧道涌水綜合處理施工方案

6.1 隧道左幅施工方案

隧道左洞掌子面按孔徑￠108mm，水平距離距開挖輪廓線1.5～3m，外插角3～5度，每孔探水段長30m，開挖25m，探水孔搭接5m打設(shè)超前探水孔，直至無水為止。超前探孔不僅可以探測前方圍巖狀況，同時也可起到排水作用。

目前隧道左幅掌子面有小股滲水，通過￠800mm的鋼管引排到二襯范圍內(nèi)。超前支護(hù)調(diào)整為雙層超前小導(dǎo)管（具體參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)通用圖），支護(hù)類型由SF4a型襯砌支護(hù)變更為SF5b型襯砌支護(hù)，洞身開挖工法采用預(yù)留核心土三臺階法開挖，同時加快仰拱及二襯施工，減小施工步距，確保施工安全。

6.2 隧道洞口排水系統(tǒng)

隧道洞口外為一段長180m的高邊坡填方路基，洞內(nèi)涌水流入路基影響填方施工，隧道左右幅大量涌水通過洞內(nèi)處理方案引至洞口，在洞口外施工一條1.0×1.5m貫通隧道左右幅的臨時排水溝，施工車行部位埋置直徑？準(zhǔn)1000mm的鋼筋混凝土排水管，將涌水引出路基外的棄土場。

6.3 洞內(nèi)涌水?dāng)?shù)量監(jiān)測

監(jiān)測隧道左右幅涌水量的變化，為隧道內(nèi)永久性排水系統(tǒng)設(shè)置提供數(shù)據(jù)支持，使隧道排水方案更加經(jīng)濟(jì)合理，在洞口主排水溝內(nèi)安裝一臺智能電磁流量計(jì)，對洞內(nèi)涌水量分左右幅，分時段、分雨旱季、較長時間的進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，做好數(shù)據(jù)記錄，供設(shè)計(jì)單位參考。

7 ?結(jié)束語

綜上所述，針對隧道出現(xiàn)涌水、塌腔的情況，建議在日常工作中提前采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，地質(zhì)水平鉆等多種方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)一定要快速、準(zhǔn)確，及時預(yù)警。根據(jù)預(yù)報(bào)及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提前科學(xué)的制定施工方案，及時改變工藝工法，方案制定要快速、要有效，現(xiàn)場可操作性要強(qiáng)，從而確保隧道安全通過。

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