明月山隧道塌方突水治理分析

宋建

摘要：文章以明月山隧道塌方突水治理為例，提出隧道經(jīng)過破碎斷層時(shí)塌方，遇高壓水，可采取以止?jié){墻全斷面封閉，然后注漿回填處理塌方，超前預(yù)注漿加固圍巖并堵水的處理措施穿過該斷層，為破碎且突水量和水壓大的隧道施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：破碎帶;突水;水壓高;塌方;止?jié){墻;帷幕注漿

0 引言

隨著全國高速公路里程的不斷增長，隧道數(shù)量與里程不斷增多，我國已步入交通強(qiáng)國時(shí)代。隧道施工會(huì)遇到各類復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，對(duì)施工質(zhì)量與安全產(chǎn)生不良影響，耗費(fèi)大量人力、物力以及財(cái)力。因此，需對(duì)各類復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道采取不同的處治措施，基于此，本文對(duì)斷層且突水隧道的塌方和圍巖加固進(jìn)行闡述。

1 工程概況

明月山隧道全長6 555 m，位于四川省鄰水縣和重慶市墊江縣兩縣交界處，是忠縣至墊江高速公路控制性工程。其地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水豐富，主要地質(zhì)問題有巖溶、突泥、突水、薄煤層低瓦斯、煤層采空區(qū)、老窯積水、斷層破碎等。隧道支護(hù)方式為超前小導(dǎo)管注漿+鋼筋網(wǎng)片+鋼拱架+噴射混凝土。當(dāng)施工到約900 m時(shí)，拱部發(fā)生坍塌，形成長10 m、寬6 m、最高11 m的塌腔，水質(zhì)渾濁，水流夾帶碎石流出，粒徑最大12 cm，單洞最大水流量達(dá)到14.8萬 m 3/d，從出現(xiàn)塌方涌水到制定方案開展施工，經(jīng)歷了半年多。

2 坍塌處治方案制定

明月山隧道2016年1月開始出現(xiàn)涌水、塌方現(xiàn)象，每天涌水量均達(dá)到10萬 m 3以上，水壓大且夾帶碎石流出，如何封堵涌水并固結(jié)圍巖成為關(guān)鍵問題。截至2016年7月涌水也未有變小的跡象，由于水壓大，在圍巖上直接鉆孔注漿會(huì)導(dǎo)致塌方，經(jīng)過專家的多次勘察研究，最終確定采用澆筑止?jié){墻封堵掌子面及塌方段，然后泵送混凝土回填塌腔的方案。為了確保安全，經(jīng)計(jì)算止?jié){墻厚度設(shè)計(jì)為6 m，在圍巖與止?jié){墻空隙之間預(yù)埋泵送混凝土導(dǎo)管，然后超前預(yù)注漿加固圍巖和封堵涌水。

3 止?jié){墻澆筑

3.1 止?jié){墻方案

經(jīng)過半年時(shí)間，塌腔已基本穩(wěn)定，為了確保安全，在距離塌方位置3 m處澆筑止?jié){墻。止?jié){墻采用C20混凝土，墻底厚6 m。在墻體預(yù)埋10根200 mm鋼管作為排水通道，在塌方段預(yù)埋泵管和壓漿管。

3.2 止?jié){墻澆筑

止?jié){墻澆筑分4次進(jìn)行，在墻身與圍巖、墻身與墻身連接處預(yù)埋鋼筋連接，澆筑順序與布設(shè)位置按照?qǐng)D1進(jìn)行。最下一層澆筑分左右幅，施工左幅時(shí)先將水全部引入右幅，使左側(cè)無水或者少水，然后安裝模板，預(yù)埋排水管后澆筑混凝土。待左幅混凝土澆筑5 d且混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上后將水全部引入左側(cè)，立模澆筑右幅混凝土，完成后依次澆筑3號(hào)、4號(hào)混凝土。在壓漿回填坍塌處時(shí)，為確保圍巖穩(wěn)定、安全，防止水從初期支護(hù)處涌出，待全部混凝土澆筑完成后對(duì)止?jié){墻后10 m范圍內(nèi)初期支護(hù)段進(jìn)行注漿加固，加固厚度為10 m。

3.3 坍塌處回填

止?jié){墻澆筑完成，對(duì)初期支護(hù)加固后，把預(yù)留排水管全部關(guān)閉，使掌子面和止?jié){墻之間流動(dòng)的水變?yōu)殪o止。原方案計(jì)劃泵送混凝土進(jìn)行回填，但靜水壓力達(dá)到0.8 MPa，混凝土無法泵入，改為壓力更大的注漿施工工藝進(jìn)行回填。由于空隙處充滿水，最終確定漿液為水泥+漿水玻璃+砂，確保漿液注入后短時(shí)間凝固且有一定強(qiáng)度，注漿終壓為1 MPa。

4 超前注漿預(yù)加固圍巖

4.1 鉆孔次數(shù)和長度

坍塌處壓漿回填后該處無滲漏水且充填密實(shí)，但向前開挖需對(duì)前方圍巖超前預(yù)加固，確保施工中不塌方和不涌水。鉆孔注漿分3次進(jìn)行，鉆孔注漿深度為30 m，最外一圈外插角度為9°，確保前方全斷面圍巖及開挖輪廓線10 m范圍內(nèi)填充密實(shí)漿液。第1次鉆孔注漿是為了孔口管安裝牢固密實(shí)，確保后續(xù)鉆孔注漿不滲水。第2次鉆孔注漿主要是加固掌子面附近不穩(wěn)定圍巖，確保后面鉆孔時(shí)圍巖不坍塌。第3次鉆孔注漿是對(duì)圍巖及周邊加固，確保注漿后圍巖不滲漏水，具有一定的自穩(wěn)能力，能為開挖提供安全的工作面。

4.2 注漿方案

4.2.1 漿液選擇

最初注漿方案考慮水泥+水玻璃，因?yàn)闈{液注入圍巖很快便會(huì)迅速固結(jié)封堵裂縫，起到立即止水和固結(jié)圍巖的效果，提高注漿效率。該方法不適合水壓較大的斷層裂隙水圍巖注漿，水泥加水玻璃雖然止水和固結(jié)圍巖的速度快，但漿液擴(kuò)散范圍小，迅速凝結(jié)不利于漿液沿裂隙慢慢擴(kuò)散，對(duì)圍巖的加固范圍有限，不能確保有效地加固。最后確定裂隙較大的采用水泥加砂，對(duì)裂隙較小的采用直接注水泥漿的方案。水泥漿液滲透性強(qiáng)，既能填充大空隙，也能滲透進(jìn)細(xì)小的裂縫，強(qiáng)度高，效果好，操作簡單容易。注漿結(jié)束再開挖后證明注漿效果理想，漿液擴(kuò)散范圍大，漿液完整填充圍巖裂隙，能很好地加固圍巖和堵水，防止塌方和涌水。

4.2.2 漿液配合比

由于該段處于斷層上，需根據(jù)圍巖裂隙大小確定配合比，使?jié){液更好地填充孔洞并和巖體良好結(jié)合，最終達(dá)到注漿止水的效果。最佳的漿液濃度需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和不斷的實(shí)踐來確定，配合比則取決于注漿孔的吸漿量和壓力。漿液太稠會(huì)過早地堵塞空隙，不利于漿液擴(kuò)散，水泥太少則起不到注漿效果。因而在配合比設(shè)計(jì)上，根據(jù)具體情況，及時(shí)調(diào)整，漿液濃度采用1∶1、1∶0.8、1∶0.5三個(gè)等級(jí)。

4.2.3 注漿壓力

為了使?jié){液能壓入圍巖并充分填充，注漿壓力需高于凈水壓力，且能密實(shí)填充注漿范圍，但壓力不宜過高，太高則注漿填充范圍過廣，造成不必要的浪費(fèi)，增加投資?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得凈水壓力為0.8 MPa，考慮注漿目的和范圍，確定注漿壓力為1.2 MPa。

4.2.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿效果依據(jù)注漿壓力、注漿量、注漿時(shí)間以及串漿情況進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且進(jìn)漿量在10 min內(nèi)基本無變化時(shí)停止壓漿，隔10 min后繼續(xù)往該孔壓漿，當(dāng)壓力再次達(dá)到設(shè)計(jì)且進(jìn)漿量≤5 L/min，穩(wěn)壓10 min后方可結(jié)束壓漿工作。

4.2.5 注漿設(shè)備

采用杭探SGIA型鉆機(jī)、杭探SGB9-12型灌漿泵、JJS-2B型漿液攪拌機(jī)、儲(chǔ)漿桶、清水桶、孔口法蘭、球閥和泄?jié){閥等。

4.3 第1次鉆孔注漿

第1次在止?jié){墻上鉆孔1 m，目的是安裝孔口管，使孔口管和止?jié){墻牢固結(jié)合在一起，便于后續(xù)鉆孔注漿。

孔口管長1 m，外徑為220 mm，間距為1 m左右，梅花形全斷面布置，達(dá)到注漿全覆蓋，不留死角。因鉆孔時(shí)在止?jié){墻內(nèi)，所以無滲漏水，便于安裝孔口管和法蘭盤，成孔后在孔口管四周綁扎麻繩，增加管壁和孔壁的摩擦力。放入孔口管后，注漿填筑管壁與孔壁之間的空隙，防止注漿時(shí)水從孔壁溢出。存在高壓水的隧道孔口管安裝是關(guān)鍵工序，后面第2次、第3次鉆孔和注漿都通過該孔，其安裝質(zhì)量的好壞直接決定著后續(xù)鉆孔注漿能否順利進(jìn)行。

4.4 第2次鉆孔注漿

第2次鉆孔在220 mm孔口管內(nèi)鉆進(jìn)，鉆頭為54 mm，鉆進(jìn)長度為15 m，扣除止?jié){墻和坍塌處注漿的長度，基本上深入巖層5 m。鉆孔太淺對(duì)鉆孔圍巖加固有限，鉆孔太長則因水壓太大容易造成涌水太大，不利于圍巖穩(wěn)定。此次鉆孔注漿的目的是加固前方3～5 m未塌圍巖，讓漿液緩慢進(jìn)入裂隙加固圍巖。

4.5 第3次鉆孔注漿

前2次鉆孔注漿都是為第3次注漿做準(zhǔn)備工作，確?？卓诠苤苓叢粷B水和圍巖薄弱地段不涌水塌方，達(dá)到注漿效果，以便后續(xù)開挖圍巖不塌方，不滲漏水。注漿范圍為止?jié){墻前方30 m及開挖外輪廓線外10 m和底板4 m范圍。對(duì)全斷面進(jìn)行注漿，注漿孔間距為1 m。本次鉆孔注漿的順序和一般注漿不同，采用先中間后外圈，由近到遠(yuǎn)，同一圈由下往上的間隔施作，讓漿液把水?dāng)D壓封堵到外面，起到徹底加固圍巖和堵水的效果。鉆進(jìn)深度根據(jù)水壓大小確定，采用分段式或者全孔一次性注漿，無突泥或水壓小則一次鉆孔到位注漿，水壓大則分段前進(jìn)式注漿，每段長度為5～7 m，直到終孔。

4.6 異常情況處理

在注漿過程中若突發(fā)異常，如發(fā)生突水或冒漿現(xiàn)象等，需要加強(qiáng)孔口管封堵，采用間歇性注漿，并輔以改變漿液配合比及加入或減少用砂量，對(duì)串漿的孔需重新打孔注漿。進(jìn)漿量突然減少，需檢查注漿管路是否堵塞，注漿孔是否坍塌;注漿量突然增加，應(yīng)考慮是否遇到溶洞或者巖層裂隙變大，需調(diào)整漿液稠度或增大用砂量，否則應(yīng)停止注漿，待查出原因后再施工。

5 注漿段開挖長度

隧道施工需重視開挖前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，開挖前必須對(duì)注漿地段做超前鉆芯取樣，了解漿液在圍巖的填充、擴(kuò)散和固結(jié)情況，以及堵水和加固效果。開挖后可以看出，破碎帶填充密實(shí)，漿液在寬縫中滲透較遠(yuǎn)，窄縫中滲透相對(duì)較近，注漿效果好，強(qiáng)度高，巖體自穩(wěn)能力強(qiáng)。最終確定開挖長度為20 m，預(yù)留10 m作止?jié){巖盤，確保未開挖部分不滲水不塌方，為下一循環(huán)注漿加固圍巖提供安全、穩(wěn)定的工作面。

6 結(jié)語

隧道從出現(xiàn)坍塌到順利度過該斷層帶花費(fèi)了1年左右的時(shí)間，隧道塌方和涌水嚴(yán)重影響隧道進(jìn)度、安全以及質(zhì)量。本次成功注漿堵水加固圍巖有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）當(dāng)遇到斷層且有高壓水時(shí)，需要先設(shè)置止?jié){墻或止?jié){巖盤封堵滲涌水，止?jié){墻厚度、密封性以及止?jié){巖盤的預(yù)留厚度需確保圍巖穩(wěn)定及注漿時(shí)不滲水。

（2）注漿孔的布設(shè)和外插角度根據(jù)需加固圍巖范圍確定，最好不少于開挖輪廓線5 m，注漿孔應(yīng)全斷面布設(shè)。

（3）裂隙水注漿需使用水泥漿液，便于擴(kuò)大注漿范圍，更好加固圍巖。

（4）開挖長度根據(jù)水壓確定，確保預(yù)留的止?jié){巖盤能抵抗圍巖壓力和堵水。

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