巖溶富水隧道加寬段突水滑塌治理方案研究

作者簡(jiǎn)介：

黃志歡（1986—），高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)工程管理、質(zhì)量管理工作。

文章結(jié)合上降隧道右幅2號(hào)緊急停車帶突水治理，分析產(chǎn)生突水的原因，并根據(jù)突水處埋深、突水最大流量及地下水位等數(shù)據(jù)，遵循“安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、利于環(huán)?！钡脑瓌t，進(jìn)行方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合分析，確定采用加長(zhǎng)至6 m的雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)，對(duì)突水滑塌治理效果明顯，既提供支護(hù)成拱，又起到止水作用，同時(shí)及時(shí)改變開(kāi)挖支護(hù)工藝，大大提高了加寬段圍巖的穩(wěn)定性。該項(xiàng)技術(shù)具有效率高、成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)，為巖體破碎、松散的凝灰熔巖隧道預(yù)加固提供了一種快速有效且經(jīng)濟(jì)合理的施工方法，可為同類地質(zhì)條件下的大斷面尺寸隧道預(yù)注漿支護(hù)與止水提供借鑒。

凝灰熔巖；加寬段；緊急停車帶；突水滑塌；大斷面尺寸

中圖分類號(hào)：U457+.2 "A 39 122 3

0 引言

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)快速推進(jìn)，高速公路建設(shè)已經(jīng)取得重大突破［1］。然而高速公路建設(shè)中隧道占比較大，且施工地質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，施工過(guò)程中遇到突水滑塌地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題日趨突出，安全方面面臨著較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為保證大斷面隧道施工安全，順利通過(guò)巖溶富水地層，加強(qiáng)對(duì)巖溶富水隧道加寬段突水滑塌治理方案研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)此，本文以上降隧道右幅2號(hào)緊急停車帶突水治理為例，對(duì)其治理方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 地形地貌概況［2］

上降隧道位于廣西壯族自治區(qū)崇左市龍州縣上降鄉(xiāng)境內(nèi)，左右線均為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，左線全長(zhǎng)1 858 m，右線全長(zhǎng)1 854 m。采用小凈距+分離式隧道，洞內(nèi)凈寬10.75 m，加寬段寬13.75 m，最大埋深約164 m。隧址區(qū)屬溶蝕-侵蝕中低山丘陵地貌，海拔高程一般為294～520 m，相對(duì)高差約為226 m。隧道進(jìn)出口均為斜坡地形，山體相對(duì)平緩，局部較陡，自然坡度為10°～30°。隧址區(qū)山脈大致呈北東-南西走向，洞身段水塘較多。上覆地層為第四系殘坡積黏土、殘坡積紅黏土，僅在隧道進(jìn)出口出露。下伏基巖為三疊系下統(tǒng)凝灰熔巖、三疊系下統(tǒng)中風(fēng)化灰?guī)r。隧址區(qū)共發(fā)育3條斷裂。

1.2 水文地質(zhì)概況

上降隧道主要出露三疊系下統(tǒng)灰?guī)r和三疊系下統(tǒng)火山巖。含碳酸鹽巖裂隙溶洞水，枯季泉流量1～5 L/s，水量中等；塊狀基巖裂隙水，一般泉流量＜1 L/s，枯季徑流模數(shù)為2.4 L/s·km2，水量貧乏。場(chǎng)地宏觀地貌屬丘陵洼地，隧道附近峰頂標(biāo)高為366.7～526.7 m，隧道標(biāo)高為292.60～324.70 m，洞身段穿越三疊系下統(tǒng)火山巖，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，導(dǎo)水性較好，隧道掘進(jìn)存在突水、突泥的可能。山體內(nèi)植被茂盛，溪溝、山塘發(fā)育，村民筑壩用作養(yǎng)殖。東西向區(qū)域分水嶺經(jīng)過(guò)隧道南西側(cè)山體。分水嶺北側(cè)地表水一部分由南向北流經(jīng)隧道進(jìn)口處扣浮屯，于屯北山腳伏流入口潛入地下，最終匯入平而河；另一部分地表水向北西補(bǔ)給那媽水庫(kù)。龍州—友誼關(guān)壓扭性斷層穿過(guò)隧道中部，破碎帶寬度約為50 m，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。隧道開(kāi)挖后揭穿基巖裂隙水含水層，大氣降水及地表水體沿導(dǎo)水裂隙、斷層破碎帶及巖性接觸帶涌入隧道，斷層破碎帶附近可能存在突水、突泥情況。同時(shí)，隧道疏干排水對(duì)地表水體造成一定程度的疏干和水位下降現(xiàn)象。隧道施工在枯季遇到突水、突泥可能性很小-中等，預(yù)測(cè)雨季或持續(xù)大雨中遇到較大的集中水流的可能性大，預(yù)測(cè)集中淋水點(diǎn)位于上降隧道K274+480～K274+560段，危害程度大，危險(xiǎn)性大。根據(jù)降水入滲法，該隧道估算最大涌水量約為50 000 m3/d。

2 突水現(xiàn)象及原因分析

2.1 突水現(xiàn)象描述［3］

2021-11-21上午，上降隧道右幅憑祥端掌子面挖至K274+925處［4］時(shí)，拱頂右側(cè)2 m處出現(xiàn)嚴(yán)重滲水現(xiàn)象伴隨小坍塌，隨后持續(xù)滑塌，形成空腔，塌腔位置位于加寬段位置，屬于隧道大斷面處，如不及時(shí)處理，對(duì)施工安全極為不利。出水呈淋雨?duì)?，水質(zhì)清澈。目前隧道已掘進(jìn)653 m，加寬段已開(kāi)挖18 m，突水坍塌處高程為+322 m，該處隧道埋深約為100 m。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)初步試驗(yàn)計(jì)算，塌腔直徑約為3 m，突水流量約為36 m3/h［4］。

2.2 突水成因分析

原設(shè)計(jì)掌子面圍巖由三疊系下統(tǒng)中風(fēng)化凝灰熔巖組成，巖質(zhì)較硬，巖體較破碎，裂隙較發(fā)育。隧道開(kāi)挖后處理不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致拱頂巖石松動(dòng)，且側(cè)壁自穩(wěn)能力較差，支護(hù)不及時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致坍塌。地下水出水狀態(tài)以點(diǎn)滴狀為主，雨季局部可能呈淋雨?duì)?。根?jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和查閱地質(zhì)資料，分析產(chǎn)生突水的原因?yàn)椋毫严端c地表水滲透通道被打穿（該處地下水位距離仰拱底面約39 m）。

3 突水治理方案與效果

3.1 當(dāng)前掌子面及掌子面前方圍巖情況

上降隧道右洞出口掌子面里程樁號(hào)為YK274+925，掌子面揭露為凝灰熔巖，巖體呈破碎、松散狀，掌子面中部至左側(cè)出現(xiàn)滲水情況，圍巖自穩(wěn)性較差。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)得出YK274+925～YK274+922段圍巖為巖體破碎、松散的凝灰熔巖，構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，在YK274+922～YK274+895段圍巖呈較松散、破碎狀，構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，深度在4～15 m范圍內(nèi)為主要異常區(qū)域。推測(cè)在該段圍巖內(nèi)存在較大的構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體呈較松散、破碎狀，裂隙內(nèi)或填充破碎狀的凝灰熔巖，掌子面前方圍巖自穩(wěn)性較差，如果處理不及時(shí)或處理不當(dāng)，容易引發(fā)坍塌。

3.2 突水治理方案

突水發(fā)生后，暫停洞內(nèi)施工，疏散人員及機(jī)械設(shè)備，對(duì)地表進(jìn)行觀測(cè)，觀察魚(yú)塘水位變化情況、溪流流水變化及地表是否有開(kāi)裂。對(duì)掌子面進(jìn)行反壓回填，并預(yù)留排水管，加密監(jiān)控量點(diǎn)，每天監(jiān)測(cè)兩次，且對(duì)仰拱底進(jìn)行探溶以制定仰拱施工方案。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)，綜合考慮施工安全及質(zhì)量，提出方案1，即在洞內(nèi)施作套拱，拱頂120°范圍采用長(zhǎng)度為20 m的108 mm×6 mm大管棚作為超前支護(hù)，注水泥漿液，環(huán)向間距為40 cm。該方案能有效保證現(xiàn)場(chǎng)安全，但洞內(nèi)施工套拱空間狹小，且施作管棚花費(fèi)時(shí)間久，周期長(zhǎng)，造價(jià)成本高，不利于工期及投資控制。

3.2.1 突水治理方案優(yōu)化

對(duì)方案1進(jìn)行深入研究，從施工參數(shù)、安全耐久、經(jīng)濟(jì)合理性以及施工難易程度等方面判斷施工方案的合理性和適用性。在此基礎(chǔ)上對(duì)方案1存在的弊端進(jìn)行細(xì)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，提出方案2，采用加長(zhǎng)至6 m的雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)，即超前采用50 mm×5 mm的雙層小導(dǎo)管，注雙液漿［5］，排距為2 m，單根長(zhǎng)6 m，以15°和30°外插角打入圍巖，作為塌方部位的支撐體系，如圖1所示。同時(shí)，將隧道加寬段改用預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法開(kāi)挖，安全步距按Ⅴ圍巖要求進(jìn)行控制；每循環(huán)進(jìn)尺控制為1榀鋼架間距，下臺(tái)階開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺控制為2榀鋼架間距；核心土面積應(yīng)大于斷面面積的1/2。待拱部的雙層小導(dǎo)管完成支護(hù)后，方允許開(kāi)挖上臺(tái)階環(huán)形導(dǎo)坑。核心土控制長(zhǎng)度為3～5 m，寬度控制在隧道開(kāi)挖寬度的1/3～1/2。K274+925～K274+912段采用Ⅰ20 b工字鋼支護(hù)，縱向間距為0.5 m，雙層鋼筋網(wǎng)片。徑向錨桿采用4.5 m長(zhǎng)42 mm小導(dǎo)管，注雙液漿。加強(qiáng)初支工字鋼鎖腳［6］，在每榀工字鋼左右側(cè)拱腰處分別增設(shè)2根42 mm小導(dǎo)管鎖腳。每榀工字鋼處埋設(shè)1根160 mm波紋管［7］，縱向間距為0.5 m，接至中心排水溝。最后對(duì)拱部空腔采用C25混凝土分層泵送回填。如圖2所示。

3.2.2 突水治理方案比選

兩個(gè)方案在車道加寬處掌子面開(kāi)挖方式相同，初期支護(hù)形式相同，超前支護(hù)范圍和長(zhǎng)度也一樣，都預(yù)留注漿管道對(duì)拱頂塌體進(jìn)行混凝土回填，故只需要進(jìn)行超前支護(hù)形式的比較；方案1采用108 mm×6 mm大管棚作為超前支護(hù)；方案2采用加長(zhǎng)至6 m的雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)。此外，采用方案1需在洞內(nèi)施作套拱，施工難度大，周期長(zhǎng)，不利于工期控制。方案2采用加長(zhǎng)至6 m的雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)，利用已施工的拱架作為支撐，可以更好地解決方案1存在的問(wèn)題。詳見(jiàn)表1。

為兼顧施工周期和造價(jià)，最大限度地滿足項(xiàng)目安全性和耐久性，降低施工難度，通過(guò)方案優(yōu)化與比選，選定方案2作為最終處置方案。

3.3 突水治理效果

采用加長(zhǎng)至6 m的雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)，在滿足安全性和耐久性的前提下，大大降低了施工難度，節(jié)約了施工成本，縮短了施工周期。通過(guò)使用雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)與改變開(kāi)挖工法和支護(hù)參數(shù)相結(jié)合，預(yù)留160 mm波紋管的施工方法，同時(shí)解決了穩(wěn)固拱頂以及疏導(dǎo)水流的問(wèn)題，有效避免了掌子面拱頂二次坍塌及突然涌水的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高圍巖穩(wěn)定性，并確保了施工的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)上降隧道右幅2號(hào)緊急停車帶突水滑塌現(xiàn)象的治理中，采用加長(zhǎng)至6 m的雙層雙液漿小導(dǎo)管超前預(yù)加固技術(shù)對(duì)突水滑塌治理效果明顯，既提供支護(hù)成拱，還起到止水作用，并及時(shí)改變開(kāi)挖支護(hù)工藝，大大提高了加寬段圍巖的穩(wěn)定性。結(jié)合初支拱背安裝排水管輔助排水，施工后的初支面無(wú)滲水現(xiàn)象，圍巖突水滑塌問(wèn)題處治基本成功。與全斷面預(yù)注漿、超前大管棚等施工方法相比，該技術(shù)具有效率高、成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)，為巖體破碎、松散的凝灰熔巖隧道預(yù)加固提供了一種快速有效且經(jīng)濟(jì)合理的施工方法，今后同類地質(zhì)條件下的大斷面尺寸隧道預(yù)注漿支護(hù)與止水可借鑒此種施工方法。

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收稿日期：2022-10-20