某隧道穿越水庫(kù)施工技術(shù)研究

孫方島,張立軍,袁新順

(1.中交二航局第五工程分公司，武漢 430040；2.中交二航局建筑科技有限公司，武漢 430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040)

穿越水庫(kù)及富水軟弱破碎帶施工是隧道施工的技術(shù)難題。地下水豐富和圍巖斷層軟弱破碎，都是隧道掘進(jìn)中非常不利的條件，二者同時(shí)具備的隧道，施工難度將會(huì)成倍增加，也使施工質(zhì)量存在病害，并使穿越地段的地下水流失，影響水庫(kù)安全及周圍居民的生產(chǎn)和生活用水[1]。隧道注漿堵水的方式一般可分為超前預(yù)注漿、徑向注漿、局部注漿和補(bǔ)強(qiáng)注漿四種[2]。經(jīng)驗(yàn)表明，處理好地下水，才能保障施工和隧道運(yùn)營(yíng)安全，防止出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，避免地下水資源遭破壞，才能防止地表生態(tài)環(huán)境惡化，從而節(jié)約成本，增加效益[3]。

1 工程概況

山海高速暢好隧道位于海南省五指山境內(nèi)，為進(jìn)口小凈距，出口及洞身分離式隧道，屬長(zhǎng)隧道。左線起訖樁號(hào)ZK22+723～ZK23+975，長(zhǎng)1 252 m，隧道最大埋深約95 m，位于ZK23+620處；右線隧道起訖樁號(hào)YK22+730～YK24+050，長(zhǎng)1 320 m，隧道最大埋深約103 m，位于YK23+630處。

施工區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，隧道進(jìn)出口端坡下為魚(yú)塘、小溪流，YK23+200右側(cè)有一水庫(kù)，水庫(kù)長(zhǎng)約100 m，寬約60 m，大壩長(zhǎng)約80 m，高約8.0 m，枯水期水深1.0～4.0 m，豐水期約為枯水期3～5倍，常年有水流，壩體為片石混凝土結(jié)構(gòu)，壩頂過(guò)道為漿砌體。暢好隧道右線開(kāi)挖邊線右側(cè)與水庫(kù)壩體最小距離約10.2 m，最大距離為42 m，整體呈斜交。隧道YK23+130～YK23+140段埋深最淺約20 m，下穿水庫(kù)段施工主要影響范圍為右洞YK23+080～YK23+250段。

2 圍巖情況

暢好隧道YK23+090～YK23+170段為低阻異常區(qū)，圍巖主要為強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖，巖石破碎富水，裂隙發(fā)育，自穩(wěn)性差，圍巖縱波速度Vp=2 510～3 480 m/s，巖體完整性系數(shù)Kv=0.55，巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc=30.0 MPa，圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)。地下水水量較小，雨季水量大。開(kāi)挖易變形坍塌，有滲漏水現(xiàn)象，需進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，及時(shí)做好支護(hù)和防排水工作，水庫(kù)水對(duì)隧道的施工開(kāi)挖有較大的影響。

3 總體施工方案

加強(qiáng)洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合超前探孔、TST測(cè)試、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等多種手段探明地質(zhì)斷層及巖石破碎帶的位置、富水情況；嚴(yán)格控制爆破，采用短進(jìn)尺、多打眼、少裝藥的措施，減少振動(dòng)對(duì)水庫(kù)大壩影響，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包含水位、壩體裂縫觀察、沉降、位移、爆破振動(dòng)等[4]。為加固破碎巖體，封堵涌水，防止發(fā)生突水、突泥、塌方等安全事故，采用注漿堵水的方法封閉裂隙，以減少洞內(nèi)涌水量，阻止地下水的流失，必要時(shí)對(duì)水庫(kù)蓄水進(jìn)行抽排水至無(wú)水狀態(tài)施工。

4 處理措施

4.1 超前帷幕注漿堵水

當(dāng)隧道開(kāi)挖至YK23+080掌子面時(shí)，圍巖為中～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖層節(jié)理發(fā)育，巖層較破碎，掌子面涌水較大，超前探水鉆孔測(cè)定單孔流量在3.2～4 m3/h，總出水量>15 m3/h，需進(jìn)行注漿加固圍巖，防止突泥、涌水，避免發(fā)生事故。

1)注漿孔布置

隧道YK23+080～YK23+200段設(shè)計(jì)4循環(huán)超前帷幕注漿加固圍巖，每循環(huán)設(shè)3環(huán)共58個(gè)注漿孔，1#環(huán)布設(shè)20個(gè)注漿孔，孔深12 m；2#環(huán)布設(shè)20個(gè)注漿孔，孔深20 m；3#環(huán)布設(shè)18個(gè)注漿孔，孔深30 mm，注漿孔掌子面以隧道中軸傘狀布置。注漿孔布置如圖1所示。

2)注漿材料

注漿材料采用水泥-水玻璃雙漿液，配合比在實(shí)際施工中根據(jù)巖體條件調(diào)整。水泥∶水玻璃(體積比)=1∶(0.6～1.0)，水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模數(shù)2.6～2.8，水玻璃濃度35°Be′，注漿壓力0.5～1.5 MPa。各項(xiàng)參數(shù)均需試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)隧道涌水量及圍巖裂隙情況選用合理參數(shù)。

3)配合比試驗(yàn)

根據(jù)注漿堵水方案，工地試驗(yàn)室進(jìn)行了注漿水泥-水玻璃雙漿液配合比試驗(yàn)，并確定了雙漿液膠凝時(shí)間。試驗(yàn)材料選取的硅酸鹽水泥和水玻璃按一定比例配成兩種配合比分別用兩臺(tái)注漿泵同時(shí)注入。

試驗(yàn)溫度為24 ℃，基本與洞內(nèi)溫度一致。試驗(yàn)?zāi)康氖侨〉秒p漿液膠凝時(shí)間，選定適宜的水泥/水玻璃配合比。該配合比既要滿足雙漿液的使用要求，如膠凝體強(qiáng)度、初凝時(shí)間、可注性，又要經(jīng)濟(jì)、耐久、環(huán)保，施工操作人員能夠完成操作。根據(jù)圍巖的巖性及節(jié)理發(fā)育情況，確定雙漿液膠凝時(shí)間為4分30秒(初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，都會(huì)影響堵水效果)，可加入適量緩凝劑(磷酸氫二鈉)來(lái)控制，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 暢好隧道雙漿液配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4)注漿孔的鉆進(jìn)

孔口管開(kāi)孔直徑115 mm，長(zhǎng)3 m，后面部分采用φ75 mm鉆頭鉆進(jìn)。孔口管采用φ108×4 mm無(wú)縫鋼管，孔口外漏20～30 cm，用沾有CS膠泥的麻繩固定孔口管。鉆孔由外向內(nèi)，同一圈孔采取跳孔施工。為防止串漿，鉆進(jìn)順序應(yīng)按照上、中、下、左、右孔分別錯(cuò)開(kāi)，長(zhǎng)短孔錯(cuò)開(kāi)。挖孔口段安裝3 m套管，每鉆進(jìn)5～7 m開(kāi)始注漿，注漿達(dá)到設(shè)計(jì)效果后開(kāi)始下一階段鉆孔注漿，最后將長(zhǎng)壓注漿管插到預(yù)定位置，提高底部壓注效果和壓注效率。

5)注漿施工工藝

注漿前，進(jìn)行試泵、管路調(diào)試及壓水試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)定巖體相對(duì)透水性，掌握裂隙發(fā)育程度，為注漿泵及注漿參數(shù)的選擇提供參考。選用雙液注漿泵，注漿參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 注漿參數(shù)表

6)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束后，總涌水量小于2 m3/h且有一孔出水量小于0.6 m3/h，方可結(jié)束注漿。從隧道挖掘情況檢查注漿質(zhì)量，及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)，如不滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行二次注漿。

4.2 爆破控制方案

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合紅外探水、超前探孔、TST測(cè)試，查明掌子面前方35 m圍巖情況和地下水分布狀況，為圍巖級(jí)別判定提供依據(jù)，并測(cè)量地下水涌水量[5]。本次探水鉆孔布設(shè)6個(gè)孔，完成探孔210.8 m，獲得了掌子面前方35 m及周邊6 m區(qū)域內(nèi)圍巖的巖性、節(jié)理構(gòu)造及富水情況。

掌子面前方及隧道輪廓外延巖體較破碎，裂隙張開(kāi)度較大，巖性為中風(fēng)化花崗巖夾強(qiáng)風(fēng)化巖，巖質(zhì)偏軟，[BQ]=257.5，單孔涌水量一般在3.2～4 m3/h。針對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，采取如下措施控制爆破：

1)超前支護(hù)

增設(shè)超前錨桿支護(hù)，采用Φ22藥卷錨桿，縱向搭接長(zhǎng)度大于1 m，長(zhǎng)度L=4.5 m，環(huán)向間距40 cm，沿輪廓線以12°外插腳打入圍巖。

2)進(jìn)行光爆試驗(yàn)，根據(jù)試爆結(jié)果規(guī)定單次掘進(jìn)進(jìn)尺和光爆參數(shù)。結(jié)合地質(zhì)情況，穿越水庫(kù)段采用兩臺(tái)階開(kāi)挖，單次開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1.2 m，周邊眼間距控制在40 cm以內(nèi)，堅(jiān)持多打眼、少裝藥，以減少對(duì)圍巖擾動(dòng)和壩體振動(dòng)影響。

3)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)和水庫(kù)水位及壩體沉降、位移、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，水庫(kù)水位有異常，則立即查明原因，若是隧道開(kāi)挖后涌水造成，則要立即根據(jù)實(shí)際情況，采取超前帷幕注漿封堵涌水；加密洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布設(shè)(5 m一個(gè)斷面)，加大量測(cè)頻率(8 h/次)，如有異常立即采取應(yīng)對(duì)措施；根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)，考慮到大壩年代較久(建成20年)，規(guī)定爆破振動(dòng)安全允許振速為2 cm/s，減小爆破對(duì)隧道洞頂巖體破壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)暢好隧道下穿水庫(kù)及破碎透水帶施工時(shí)帶來(lái)的安全隱患，研究制定了隧道超前帷幕注漿堵水及爆破控制方案，嚴(yán)格按照“弱爆破、短進(jìn)尺”原則，強(qiáng)化洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)、加大壩體爆破振動(dòng)和水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)以及大壩的日常巡視。經(jīng)過(guò)一系列措施的實(shí)施，暢好隧道的整個(gè)施工過(guò)程中，水庫(kù)水位未見(jiàn)明顯下降，壩體無(wú)裂縫及沉降、位移，洞內(nèi)未發(fā)生任何險(xiǎn)情，表明暢好隧道安全、順利地通過(guò)水庫(kù)段施工。