水工隧洞突泥及凝灰?guī)r富水破碎帶施工技術(shù)

楊自剛,張 坤

（中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410117）

0 引言

在水工隧洞工程施工過(guò)程中，常會(huì)遇到因地質(zhì)圍巖情況不明造成的突泥涌水等災(zāi)害。在水工隧洞發(fā)生突泥后，又遇前方凝灰?guī)r富水破碎帶時(shí)，需要采取一系列有效的施工技術(shù)解決這一施工難題。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

大理Ⅰ段施工6標(biāo)起止樁號(hào)DLⅠ91+206.00～DLⅠ112+429.00，全長(zhǎng)21.223 km，涉及的受水區(qū)有大理白族自治州洱源縣及大理市，沿線經(jīng)鄧川、上關(guān)、雙廊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該標(biāo)段設(shè)置支洞0.657 km/2座，其中老馬槽隧洞1#施工支洞（長(zhǎng)0.346 km）。

老馬槽隧洞1#施工支洞為平支洞，其最大縱坡1.87%；斷面采用城門(mén)洞型（如圖1），凈斷面尺寸為8.0 m×6.5 m（寬×高）。支洞洞口位于玉石廠倒虹吸以南30 m處，與老馬槽隧洞主洞正交于DLⅠ104+418.52，位于老馬槽隧洞進(jìn)口處，夾角為90°，大里程接老馬槽隧洞出口，小里程接玉石廠倒虹吸。

圖1 施工支洞典型斷面圖

1.2 突泥段

突泥位置位于支洞L1K0+317.00掌子面左側(cè)，2020年7月29日早上8：00左右開(kāi)始突泥，至11：30最終突至支洞L1K0+260.00里程處，長(zhǎng)度為57 m，突泥量約2 200 m3，最大涌水量約140 m3/h。該處隧洞埋深約85 m，圍巖類別為Ⅴ類，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露情況，巖性為玄武巖夾凝灰?guī)r，凝灰?guī)r遇水變軟，巖石破碎，圍巖無(wú)自穩(wěn)能力，掌子面有滲流水。

1.3 凝灰?guī)r富水破碎帶

從突泥處L1K0+317.00開(kāi)始直至主洞交叉段L1K0+340.00，長(zhǎng)度23 m，經(jīng)超前地質(zhì)鉆探顯示均為凝灰?guī)r富水破碎帶（如圖2），流水量在50～80 m3/h，最高峰值達(dá)140 m3/h，現(xiàn)已趨于穩(wěn)定，表明山體水系分布范圍廣且在補(bǔ)給洞內(nèi)。該段圍巖揭露顯示多為凝灰?guī)r，巖石軟弱、破碎、遇水成泥，弱風(fēng)化，自穩(wěn)能力極差。根據(jù)初期地勘資料預(yù)測(cè)，隧洞正好穿過(guò)凝灰?guī)r帶，橫向穿過(guò)支洞并延伸穿過(guò)老馬槽隧洞主洞。

圖2 突泥段與凝灰?guī)r富水破碎帶平面示意圖

2 施工難點(diǎn)

在該突泥段及前方凝灰?guī)r富水破碎帶施工時(shí)，必須采取有效的施工技術(shù)措施，以確保施工安全。否則，措施不到位，容易引起突泥涌水事件的再次發(fā)生，將會(huì)危及作業(yè)人員的安全，因此采用有效的施工技術(shù)措施確保施工安全是施工控制的難點(diǎn)。

3 施工技術(shù)措施

3.1 超前支護(hù)

3.1.1 突泥段

（1）通過(guò)監(jiān)測(cè)手段判斷突泥情況趨于穩(wěn)定后，首先清運(yùn)距掌子面30 m處的突泥堆積體，然后停止清運(yùn)并對(duì)剩余突泥堆積體采用C20噴射混凝土+φ6鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行封閉，按1 m間距梅花形布置插入4.5 m長(zhǎng)φ42注漿小導(dǎo)管后對(duì)該突泥堆積體先進(jìn)行1∶1水泥漿單液注漿再進(jìn)行1∶1（水泥漿∶水玻璃）雙液注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，對(duì)堆積體進(jìn)行固結(jié)，在防止再次突泥時(shí)具有一定抵抗能力的反壓體使用，并為掌子面的各項(xiàng)工作開(kāi)展創(chuàng)造條件。掌子面先用沙袋填堵，然后采用C20噴射混凝土進(jìn)行封堵作為止?jié){墻，厚度3 m。

(一)工資、薪金所得，是指?jìng)€(gè)人因任職或者受雇而取得的工資、薪金、獎(jiǎng)金、年終加薪、勞動(dòng)分紅、津貼、補(bǔ)貼以及與任職或者受雇有關(guān)的其他所得。

（2）針對(duì)掌子面的超前支護(hù)工作，首先是將山體空腔內(nèi)水向外引排，對(duì)掌子面及已支護(hù)成型的洞室進(jìn)行泄壓。排水孔采用潛孔鉆鉆設(shè)，由于凝灰?guī)r軟弱、破碎的特性，排水孔鉆設(shè)完成后立即埋設(shè)φ76無(wú)縫鋼管作為排水管，排水孔間排距按2 m布置。超前支護(hù)采用φ108大管棚，沿拱頂120°范圍內(nèi)布置，環(huán)向間距20 cm（實(shí)際當(dāng)中由于凝灰?guī)r的特性，鉆設(shè)過(guò)程中容易塌孔卡鉆，實(shí)際環(huán)向間距為15～30 cm），鉆頭采用Φ127鉆頭。管棚鉆設(shè)完成后，進(jìn)行注漿，注漿先采用單液注漿，材料為水泥∶水=1∶1（重量比）的水泥漿，后采用水泥漿：水玻璃=1∶1的雙液注漿，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

（3）注漿順序：先注10 min的1∶1純水泥漿，接著注3 min的1∶1雙液漿，然后停止注漿3 min。依次循環(huán)注漿。

3.1.2 凝灰?guī)r富水破碎帶

凝灰?guī)r富水破碎帶采用φ76超前管棚+φ42注漿小導(dǎo)管雙層超前支護(hù)措施，其中φ76超前管棚長(zhǎng)度12 m，搭接長(zhǎng)度3 m，布置范圍為拱頂120°范圍，環(huán)向間距30 cm，傾角15°～25°；φ42注漿小導(dǎo)管每循環(huán)布置，環(huán)向間距30 cm，布置范圍為拱頂120°范圍，傾角5°～15°；注漿材料為水∶水泥=1∶0.5～1的水泥凈漿。

3.2 開(kāi)挖及初期支護(hù)措施

3.2.1 突泥段

（1）突泥段采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖，先進(jìn)行上臺(tái)階（拱部高度）右側(cè)的開(kāi)挖（原因：突泥由左側(cè)起拱線涌出，右側(cè)巖石整體性相對(duì)較好），由人工手持風(fēng)鎬進(jìn)行，這樣可以最大限度地減小開(kāi)挖對(duì)巖層的擾動(dòng)；開(kāi)挖完成后快速支護(hù)，拱架采用I20a工字鋼，每循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)40 cm，右側(cè)開(kāi)挖出一定的施作空間后，再由右側(cè)向未開(kāi)挖的左側(cè)打設(shè)注漿小導(dǎo)管，完成后進(jìn)行左側(cè)的開(kāi)挖及支護(hù)；依此循序漸進(jìn)，直至安全度過(guò)突泥段。但需注意的是，此時(shí)為保證安全施工，也由于超前管棚的施作，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖斷面小于設(shè)計(jì)斷面，所以要做好各項(xiàng)資料的收集，積極聯(lián)系設(shè)計(jì)單位，確定后期的襯砌方案。

（2）突泥段上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)完成后，進(jìn)行I20a鋼架直腿的安裝，此時(shí)須單側(cè)進(jìn)行，每次開(kāi)挖高度視開(kāi)挖后巖層的穩(wěn)定情況而定，但不得超過(guò)2 m；逐層進(jìn)行安裝，每層鋼架采用φ42鎖腳導(dǎo)管進(jìn)行固定，直至接至底板高程后，進(jìn)行I20a橫向支撐的安裝，并對(duì)直腿采用I18工字鋼幫焊進(jìn)行加強(qiáng)，使初支成環(huán)，鋼架整體受力。

（3）鋼架成環(huán)后，進(jìn)行徑向的固結(jié)灌漿，灌漿孔排距3 m，梅花形布置，孔深不小于6 m；固結(jié)開(kāi)挖面以外0～6 m的巖層，以形成保護(hù)殼，與鋼架共同受力以確保施工安全。

3.2.2 凝灰?guī)r富水破碎帶

（1）進(jìn)行凝灰?guī)r富水破碎帶開(kāi)挖前的兩個(gè)必要條件是：一是邊墻泄水孔孔距2 m跟進(jìn)掌子面且掌子面泄水孔不少于3個(gè)；二是每循環(huán)開(kāi)挖對(duì)掌子面前方進(jìn)行超前探孔。

（2）凝灰?guī)r富水破碎帶采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行開(kāi)挖。

1）上臺(tái)階：上臺(tái)階開(kāi)挖采用預(yù)留核心土方法施工，由人工采用風(fēng)鎬進(jìn)行鑿進(jìn)；每循環(huán)進(jìn)尺控制在50 cm以內(nèi)，開(kāi)挖后快速進(jìn)行支護(hù)封閉。

2）中下臺(tái)階：中下臺(tái)階開(kāi)挖采用人工開(kāi)挖，根據(jù)巖層穩(wěn)定情況確定每層開(kāi)挖高度，接腿超過(guò)3節(jié)時(shí)采用Ⅰ18工字鋼進(jìn)行幫焊加強(qiáng)；中下臺(tái)階采用φ42注漿小導(dǎo)管進(jìn)行鎖腳，每次開(kāi)挖1榀，兩側(cè)落底完后設(shè)置底板I20a橫向支撐進(jìn)行成環(huán)加強(qiáng)。落底封閉成型處與掌子面距離控制不得超過(guò)8 m，以確保施工安全。

3.3 排水措施

針對(duì)突泥段及凝灰?guī)r富水破碎段的排水措施，需注意的幾個(gè)原則是：堆積體（核心土）不過(guò)流、拱頂不受壓、掌子面不受壓，水流沖刷堆積體（核心土）會(huì)導(dǎo)致堆積體（核心土）被水流帶走，拱頂受壓存在拱架變形或崩壞的風(fēng)險(xiǎn)，掌子面受壓則可能造成更大的突泥涌水。為解決這三個(gè)問(wèn)題，先后在掌子面下方、拱頂、邊墻等部位鉆設(shè)多個(gè)排水孔，結(jié)果表明有效，掌子面超前管棚的水流由于下方的排水孔而停止流水，說(shuō)明此段洞室的水系是全部貫通的，可以將水完全向下部引排。同時(shí)對(duì)掌子面方向流出的少量滲水采用水袋引排，防止水流沖刷堆積體（核心土）。不過(guò)需注意的是，凝灰?guī)r遇水變軟弱，極易塌孔，排水孔搭設(shè)完成后應(yīng)立即埋設(shè)排水管。

4 施工中的注意事項(xiàng)

4.1 加強(qiáng)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)、觀測(cè)

除了加強(qiáng)常規(guī)（收斂、沉降、流量等）的監(jiān)測(cè)外，對(duì)其可能涉及的隱患部位也要進(jìn)行加強(qiáng)，如地表、周邊建筑物、水質(zhì)、噴射混凝土是否開(kāi)裂等，尤其在施工時(shí)，拱部是否有異常聲響及水量水質(zhì)的突變是施工觀測(cè)的重中之重[1]。

4.2 資源準(zhǔn)備充足

在處理地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，面對(duì)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，在前期要將所可能需要的物資、設(shè)備準(zhǔn)備齊全，比如沙袋、抽水泵、模板、網(wǎng)片、管棚、注漿小導(dǎo)管、潛孔鉆機(jī)、注漿機(jī)、輸送泵等。

在施工過(guò)程中，在開(kāi)挖將結(jié)束時(shí)噴射混凝土就必須到場(chǎng)準(zhǔn)備，一是保證在開(kāi)挖完成后立即噴射混凝土及時(shí)封閉開(kāi)挖面，二是在鋼架安裝完成后及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土施工，以盡可能在短的時(shí)間內(nèi)對(duì)開(kāi)挖的臨空面進(jìn)行支護(hù)封閉并承受圍巖的變形力。

4.3 凝灰?guī)r富水破碎帶施工

（1）成立應(yīng)急管理小組，加強(qiáng)預(yù)防突發(fā)事故的演練，確保對(duì)出現(xiàn)涌泥及涌水等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)能及時(shí)有效應(yīng)對(duì)。

（2）施工步驟要明確，遵循先探后挖、先注后挖、先排后挖、及時(shí)支護(hù)原則。

（3）用電必須規(guī)范?，F(xiàn)場(chǎng)值班人員及專職電工必須加強(qiáng)巡視檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的隱患必須及時(shí)處理，確保用電安全。

（4）支護(hù)成環(huán)一段距離后，必須進(jìn)行徑向固結(jié)灌漿施工，固結(jié)開(kāi)挖面以外的巖層，確保施工安全，以防“關(guān)門(mén)”事故發(fā)生。

（5）監(jiān)測(cè)人員在洞內(nèi)值班，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)操作人員迅速撤離至安全位置。

5 結(jié)論

（1）凝灰?guī)r是由火山噴發(fā)后的火山灰形成，軟弱、破碎、無(wú)結(jié)構(gòu)性，且具有隨機(jī)存在的特性，施工中遇到凝灰?guī)r巖層時(shí)，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大大增加。但當(dāng)下常規(guī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（TSP、TGS、地質(zhì)雷達(dá)等）方法的可靠性并不高，所以超前探孔的重要性不言而喻，超前探孔能更直觀地了解前方的巖層結(jié)構(gòu)，從而對(duì)施工更具有針對(duì)性。因此，必須加強(qiáng)超前探孔施工，并將其納入工序進(jìn)行管理。

（2）凝灰?guī)r是一種火山碎屑巖，其組成的火山碎屑物質(zhì)有50%以上的顆粒直徑小于2 mm。因此漿液在凝灰?guī)r中的擴(kuò)散效果較差，建議注漿前先注水，讓水在凝灰?guī)r中先盡量擴(kuò)散，形成一定裂隙；再快速注入水泥漿，水泥漿先稀后濃，壓力先小后大；最后注入快速凝固的雙液漿收尾。如效果不理想，則采用先注水泥漿再注雙液漿并停止一段時(shí)間，后再依此循環(huán)注漿的方式進(jìn)行注漿加固。

（3）對(duì)凝灰?guī)r富水破碎帶隧洞的開(kāi)挖，應(yīng)做好監(jiān)控量測(cè)、超前支護(hù)、排水孔、初期支護(hù)加強(qiáng)，最主要的是安全施工，不可盲目追求進(jìn)度而大面積、大進(jìn)尺開(kāi)挖，必要時(shí)還應(yīng)縮小開(kāi)挖斷面以加快初支成環(huán)封閉時(shí)間。初支完成后，建議襯砌混凝土也應(yīng)及時(shí)緊跟施工，以盡早成環(huán)受力。

（4）采用以上的施工方法，雖然進(jìn)度很緩慢，但是安全、順利地度過(guò)了該突泥段和凝灰?guī)r富水破碎帶。