西南復(fù)雜地質(zhì)條件下超長輸水隧洞白云巖砂化施工技術(shù)

郭海坡

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，將國內(nèi)水資源豐富地區(qū)的水資源，引入貧水地區(qū)，滋潤灌溉農(nóng)田，以供提高國內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，特別是治理沙漠等。但引水工程有太多的技術(shù)難點(diǎn)，砂化白云巖是一種特殊不良地質(zhì)，地下水位以下的洞段極易發(fā)生坍塌、涌砂及突水涌砂突泥等不良地質(zhì)問題[1-3]。

針對白云巖砂化問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。馮衛(wèi)等[4]研究表明白云巖整體均勻性溶蝕特點(diǎn)是造成白云巖巖溶砂化的重要原因，認(rèn)為其發(fā)育的主要因素涉及巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水及其運(yùn)動特征等。羅昊等[5-6]通過計(jì)算、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐方法，研究了隧道白云巖砂化段帷幕注漿處理技術(shù)的4 種關(guān)鍵影響因子，即注漿壓力、注漿材料、注漿厚度和注漿工藝。田文啟等[7-8]研究了白云巖砂化對地下洞室和山坡穩(wěn)定性的重要影響，實(shí)地查明白云巖砂化特征是針對性采取治理措施的基礎(chǔ)。梁駑堂[9]研究表明貴陽地區(qū)泥質(zhì)白云巖受水浸泡后強(qiáng)度迅速降低，地基承載力明顯下降。王朋朋等[10]以貴州省5 座隧道為研究對象，分析了泥質(zhì)白云巖砂化對隧道穩(wěn)定性的影響，并提出了圍巖加固方法。郭建強(qiáng)等[11]采用無壓浸泡、干濕循環(huán)與露天放置等試驗(yàn)方法，研究了泥質(zhì)白云巖物理力學(xué)特性變化規(guī)律。

本文以滇中引水工程小撲某隧洞工程為例，分析了工程地質(zhì)情況，提出了白云巖砂化問題的解決措施和方法，為類似工程提供了可靠經(jīng)驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)情況

小撲隧洞位于云南省昆明市晉寧區(qū)和江川區(qū)，是西南地區(qū)最大的白云巖砂化隧洞，線路跨越兩市兩區(qū)四鎮(zhèn)十六村，隧洞全長32.1km，下穿或鄰近下穿5 個水庫、2 大暗河，穿越16 處淺埋暗挖地層，穿越砂巖、泥巖、白云巖（灰?guī)r）、板巖4 種地層，穿越4 條富水巖組或地表水體的規(guī)模較大的斷層帶，4 處有毒有害氣體地段，15 處軟弱圍巖變形段。隧洞圍巖變化頻繁，軟強(qiáng)不均，白云巖劇烈砂化，成洞條件極差，易出現(xiàn)垮塌、冒頂。小撲隧洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位高出隧洞頂板一般都在20～100m，最高達(dá)235m，地下水對隧洞圍巖穩(wěn)定及施工影響較大。主洞凈空斷面尺寸為4.582m×4.582m，開挖為城門洞型，襯砌為馬蹄型。

小撲隧洞2#支洞進(jìn)主洞上游圍巖為白云巖劇烈砂化段，地層巖性以震旦紀(jì)燈影組（Zbdn）白云巖、砂質(zhì)白云巖為主，碎裂散體結(jié)構(gòu)，洞身巖體砂化劇烈~強(qiáng)烈，地下水位高于隧洞頂板約92.7m，主洞埋設(shè)約160m，該段涌水點(diǎn)多，涌水量大，平均15L/（s·10m）。巖體透水性弱~中等。斷層帶、破碎白云巖等為不良地質(zhì)體，極易產(chǎn)生涌水、涌砂和變形，約占150%，地質(zhì)縱剖面如圖1 所示，地質(zhì)平面如圖2 所示。

圖1 地質(zhì)縱剖面

圖2 地質(zhì)平面

2 白云巖砂化段的超前探測

實(shí)施“115360”統(tǒng)析法，第一個“1”指1km 范圍內(nèi)；地表情況及地質(zhì)構(gòu)造；第二個“1”指100mTSP 地質(zhì)預(yù)報；“5”代表50m 紅外線探水；“3”代表30m 超前地質(zhì)鉆；“6”代表6m 加深炮孔；“0”指掌子面素描。地表使用無人機(jī)航拍，對周邊泉眼、池塘等水位進(jìn)行監(jiān)測，洞內(nèi)施作綜合超前地質(zhì)預(yù)報，物探、紅外探水、超前水平探孔、加深炮孔、掌子面素描等綜合分析，提前探明地質(zhì)情況，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。根據(jù)TRT 超前地質(zhì)預(yù)報成果分析報告，得出上游面YX6+775.2—YX6+745.2 段，地震反射為以負(fù)反射為主的團(tuán)狀反射，為強(qiáng)烈砂化白云巖，巖體破碎，存在坍塌變形風(fēng)險，洞壁滲水，存在股狀出水，存在涌水風(fēng)險，隧洞圍巖極不穩(wěn)定，建議圍巖類型為Ⅴ類；項(xiàng)目在得到地質(zhì)預(yù)報結(jié)果后，于2020 年10 月12日在掌子面里程YX06+763.2 位置，按照設(shè)計(jì)意見，采用超前地質(zhì)鉆機(jī)布設(shè)30m 長3 個探測孔。當(dāng)探孔鉆至17.3m 時，發(fā)現(xiàn)該處為富水白云巖劇烈砂化斷層帶，立即報告監(jiān)理、設(shè)計(jì)、業(yè)主單位，制定解決方案。

2.1 白云巖劇烈砂化段溜塌情況

2020 年10 月21 日，在YX06+747—YX06+745.8（上游進(jìn)主洞30m 位置）段噴漿支護(hù)時發(fā)生了涌水涌砂，掌子面左側(cè)起拱線至正拱頂被涌水沖刷，伴有細(xì)砂狀巖體涌出。涌水涌砂造成左側(cè)起拱線下方至拱頂環(huán)向長4.5m，高9m，沿隧洞軸線方向8～10m 的溜塌，該處隧洞埋深約160m。施工現(xiàn)場立即按照既定方案將掌子面反壓封堵，防止上游掌子面涌水涌砂造成的溜塌面積隨時間持續(xù)變大，確保施工安全。

2.2 溜塌空洞段原因分析

溜塌空腔位置圍巖構(gòu)造為震旦紀(jì)燈影組（Zbdn）厚層白云巖，軟弱巖，強(qiáng)烈砂化~劇烈砂化；裂隙發(fā)育，地下水活動強(qiáng)烈，出水量約為15L/（s·10m）。巖體破碎富水，加上開挖擾動，造成隧洞掌子面YX06+747—YX06+745.8 拱部左側(cè)突水涌砂。

2.3 注漿加固施工重難點(diǎn)分析

2.3.1 成孔難度大

本次加固范圍為白云沙化巖層、砂質(zhì)白云巖，碎裂散體結(jié)構(gòu)，含水破碎帶，在鉆孔過程中塌孔、抱鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，地層成孔難度大。

2.3.2 地層可注性差

本段加固地層砂化嚴(yán)重，地層密實(shí)，裂隙細(xì)小，普通高壓注漿泵（16MPa）難以注進(jìn)，注漿量小，滿足不了施工需求，需要采用超高壓注漿泵（33MPa），對地層進(jìn)行劈裂，進(jìn)行高壓擠密，從而穩(wěn)固地層，保證注漿效果。

2.3.3 鉆孔過程中遇到間歇性流沙、石

由于地層洞身巖體砂化劇烈，含水破碎帶、破碎白云巖等為特殊不良地質(zhì)體，極易產(chǎn)生涌水、涌沙及變形。

3 白云巖劇烈砂化段溜塌應(yīng)急措施

根據(jù)隧道開挖揭示的工程地質(zhì)和水文情況，對本段隧道施工的風(fēng)險及重點(diǎn)進(jìn)行分析。隧道地質(zhì)復(fù)雜，水量豐富，且水力通道聯(lián)通性好，一旦開挖打開水力通道，必將產(chǎn)生大量涌水涌砂，造成施工無法正常推進(jìn)；此段隧道含水破碎帶、可溶巖層密布，巖性有白云巖、砂質(zhì)白云巖等，呈碎裂散體結(jié)構(gòu)，遇水極易軟化，是水力流通的主要通道，所以開挖涌水，很容易伴隨著涌砂涌泥，掏空地層，危及隧道結(jié)構(gòu)和掌子面的穩(wěn)定和安全。因此，必須采取有效措施，切斷開挖區(qū)范圍內(nèi)的水力通道，同時提高破碎帶和可溶巖層的穩(wěn)定性，降低涌泥涌砂風(fēng)險。具體措施如下。

（1）選用透水性較好的洞渣并加入片塊石及堆碼沙袋防止突泥；在緊靠掌子面的位置堆砌成一道反壓墻確保塌方體的沙土不流失，造成大面積垮塌。

（2）在堆砌的墻面采用C20 網(wǎng)噴混凝土封閉，噴混凝土厚20cm，φ8 鋼筋網(wǎng)（@200×200mm）。

（3）洞內(nèi)坡面防護(hù)完成后，對洞內(nèi)溜塌、回填土體進(jìn)行注漿加固，采用φ42 鋼花管注漿，長4.5m，鋼花管間距1.5m×1.5m，梅花型布置，采用水泥漿液，截至目前已回填注漿53m3，拱部回填固結(jié)高度約1.5m。

（4）當(dāng)掌子面發(fā)生突水涌砂溜塌后，立即對掌子面附近布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，監(jiān)控圍巖的穩(wěn)定性，現(xiàn)場圍巖基本穩(wěn)定，針對險情處理過程中，提高監(jiān)測頻率，每天2次，密切關(guān)注并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 處理措施

4.1 回填施工

在監(jiān)控量測結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再對掌子面使用C30混凝土施工厚1.0m 的止?jié){墻，止?jié){墻自起拱線處施工至頂拱，待止?jié){墻施工完成后采用C30 混凝土對塌腔進(jìn)行回填如圖3 所示。

圖3 止?jié){墻施工

4.2 固結(jié)灌漿施工

（1）止?jié){墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行固結(jié)灌漿施工，潛孔鉆機(jī)鉆孔深20m，YT-28 型氣腿式鑿巖機(jī)在拱部仰角5°~10°，鉆孔深5.5m，孔距1.0m×1.0m，梅花型布置，鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 固結(jié)灌漿孔布置圖（單位：mm）

（2）采用水泥加水玻璃雙液注漿，水泥漿液水灰比為1:0.5~1:1。水泥漿、水玻璃質(zhì)量比為1:1，灌漿工作結(jié)束后，應(yīng)及時采用M20 砂漿封堵注漿孔，防止?jié){液流失。

4.3 排水釋壓

對掌子面后20m 范圍內(nèi)邊墻部位施作5m 深的排水孔，間距1.5m×1.5m，梅花型布置，將作業(yè)面出水引排至后方泄流，減少涌水掌子面破碎散裝巖體的沖刷，減少掌子面的溜塌發(fā)生。

4.4 超前大管棚施工

（1）在拱部回填注漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后，對突水涌砂空腔洞段開挖輪廓線擴(kuò)大0.8m 范圍施作超前大管棚。

（2）超長大管棚：長度平均15m 花管，花管末端4.0m 范圍內(nèi)不鉆溢流孔，鋼管大管棚采用φ108mm，壁厚6mm 的熱軋無縫鋼管，節(jié)長分別為3~6m。塌腔范圍內(nèi)管棚間距按15cm 間距布置，擴(kuò)大范圍管棚間距40cm間距布置，外插角3°。水泥漿水灰比1:1，水泥漿與水玻璃體積比為1:1（或1:0.5），注漿壓力大于1.5MPa。

4.5 開挖、支護(hù)施工

（1）開挖施工，經(jīng)專家論證后，采用上下臺階預(yù)留核心土法開挖，臺階長度3～5m，上下臺階法開挖主要采用人工配合挖掘機(jī)、破碎錘開挖，局部完整性硬巖采用弱爆破、較軟巖采用欲裂爆破，以減少爆破對作業(yè)面的擾動。且循環(huán)進(jìn)尺控制為0.6m。根據(jù)隧洞監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定，采用臺階法施工。

（2）支護(hù)施工，拱部施作φ42 注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管采用φ42mm×3.5mm 熱軋無縫鋼管加工制成，每根長4.5m，水平搭接長度為1.5m，環(huán)向間距30cm，縱向間距為3m，每環(huán)32 根，注漿采用水泥漿液注漿，水灰比1:1～1:0.5，注漿壓力為0.3MPa～0.5MPa。砂漿錨桿采用3.0m 長C25 螺紋鋼，梅花形布置，環(huán)向間距2.0m，縱向間距為0.6m；采用I20 型鋼鋼支撐，間距0.6m/榀。

5 結(jié)語

在白云巖砂化隧洞施工中極易發(fā)生坍塌、涌沙、涌水等不良地質(zhì)問題，施工中應(yīng)遵循“預(yù)防為主，綜合治理”的原則，嚴(yán)格做好超前地質(zhì)預(yù)報“115360”統(tǒng)析法，提前探明地表及掌子面前方地質(zhì)情況。開挖中加強(qiáng)小導(dǎo)管超前支護(hù)，必要時通過小導(dǎo)管進(jìn)行補(bǔ)充注漿作業(yè)。中導(dǎo)及時跟進(jìn)，避免暴露時間過長，引起地層失穩(wěn)；如有局部掉塊滲水有必要時進(jìn)行小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿。及時進(jìn)行開挖后的初值背后回填注漿，提高地層穩(wěn)定性和密實(shí)度，避免蠕變地層松馳，進(jìn)而誘發(fā)裂隙出水。加強(qiáng)施工監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測成果及時調(diào)整工法和支護(hù)參數(shù)。針對白云巖砂化工程施工，通過采用回填施工、固結(jié)灌漿施工、排水釋壓、超前大管棚施工等方法達(dá)到阻止突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的目的，防止施工過程事故的發(fā)生，為順利施工提供了條件。