秦嶺隧洞突泥涌水段處理措施研究

李立民

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

秦嶺隧洞是陜西省引漢濟渭工程的重點工程，為規劃的陜西省內南水北調跨流域調水工程之一，隧洞全長81.779 km。隧洞位于秦嶺西部山區，區內山峰高聳，溝壑縱橫，橫穿秦嶺山脈，最大海拔為2 705 m，進出口與主峰相對高差1 900～2 100 m，埋深在500 m以上的洞段長達35 km，最大埋深約2 000 m。工程位于秦嶺褶皺系，地形地質條件十分復雜，斷裂構造極其發育，對施工影響較大。

2 隧洞突泥涌水概述

隧洞突泥涌水段位于K26+760～K26+810段內。隧洞埋深1 120～1 170 m，受石英巖、片麻巖及花崗巖巖性接觸帶的影響，巖體破碎。2011年10月23日13∶10隧洞下游爆破后(未出渣)，K26+760掌子面拱頂位置出現突泥涌水，自裂隙處涌出灰黑色、淡黃色巖屑及伴隨粒徑大于50 cm孤石，極為渾濁，經估算當時突泥涌水量約100 m3/h。至15∶00突泥涌水裂隙進一步擴大至拱頂120°范圍，突泥涌水呈現間歇性突發，經現場測算突泥涌水量約150 m3/h。險情發生后，現場項目部立即采取應急預案，并迅速組織人員撤離，沒有發生任何事故。自10月23日至10月31日間在清淤過程中共發生4次較大潰口突泥，持續時間6～10 min，涌泥(水)量100～120 m3。2011年10月31日掌子面涌出泥渣累計約1 000 m3。截止2011年11月4日潰口處突泥仍間歇性發生，涌泥(水)量約100 m3/h。

3 隧洞突泥涌水原因分析

突泥涌水點裂隙視傾角30°～45°，裂隙寬度約為25 cm，貫穿拱部偏右，范圍拱頂30°，掌子面開挖巖性主要為石英巖、片麻巖及花崗巖，片理產狀N75°W/45°S，呈灰白色—黑灰色，主要礦物成分為石英、長石、角閃石，粒狀變晶結構，塊狀—片狀構造，巖體較破碎，圍巖極不穩定。掌子面多見印支期花崗巖侵入接觸，粒狀變晶結構，塊狀構造，巖石多呈塊狀及碎塊狀，巖體完整性差，圍巖不穩定。巖體富水性較好，受地質構造影響嚴重，導致巖性不整合接觸帶產生較大突泥涌水，并形成了塌腔體。

結合隧洞掌子面及地表地質調查資料分析，突泥涌水段埋深大于1 100 m，隧洞所涌之水均為儲存于非均質各向異性的裂隙含水介質中的靜儲量，與地表水體無直接水力聯系，其補給源有限，突然涌水初期會伴有一定壓力，隨時間推移，水壓和水量會逐漸衰減，衰減至一定量時可實施封堵及對圍巖進行支護、加固處理。

4 施工設計方案

施工處理前先期安排了超前地質預報工作，以探明掌子面前方地質圍巖情況。掌子面剩余渣體不予擾動，為確保已開挖完段的結構安全，自里程K26+740采用Ⅲ類圍巖加強支護，自K26+755開始擬采用超前加強支護。待支護到現渣腳時(里程K26+750處)開始施作止漿墻，止漿墻分2層從下至上分段施工。在止漿墻施工過程中預留下部泄水孔，并在最上一層止漿墻施工過程中預留混凝土輸送孔和排氣孔;待止漿墻封閉整個臨坡面后開始對空腔體進行灌注混凝土，完成后施作超前地質鉆孔驗證。如鉆孔結果與超前地質預報結果一致時，確定按照超前大管棚施工，開挖支護施工中采用邁式錨桿超前預支護，初期支護緊跟掌子面逐步掘進;如鉆孔結果與超前地質預報結果相差較大，出現地質異常、地下水異常豐富、巖質極差等時，重新確定超前加固措施方案。

5 TSP與紅外探水超前地質預報解譯成果

(1)K26+761～+774段巖性為石英巖夾片麻巖和花崗巖分界帶，探測后分析認為巖體片理及節理裂隙發育，巖體較破碎—破碎，圍巖極不穩定，建議為Ⅴ類圍巖，施工中可能產生坍塌、掉塊，并可能產生較大基巖裂隙涌水，建議加強對該段圍巖及地下水進行觀測，增強排水及初期支護措施。

(2)K26+774～+794段巖性為石英巖夾片麻巖和花崗巖接觸帶，探測后分析認為巖體片理及節理裂隙較發育—發育，巖體完整性差—較破碎，圍巖不穩定性，建議為Ⅳ類圍巖，施工中可能產生坍塌、掉塊，并可能產生較大基巖裂隙涌水，注意加強對該段圍巖及地下水進行觀測，增強排水及初期支護措施。

(3)K26+794～+839段巖性為花崗巖，巖體節理裂隙較發育，完整性差—較完整，圍巖局部穩定性差，建議為Ⅲ類圍巖，施工中拱部可能產生小的掉塊，且可能發育一定基巖裂隙水滲出，應加強排水及初期支護措施。

(4)K26+810～+861段巖性為花崗巖，巖體節理裂隙較發育—不發育，巖體較完整，圍巖基本穩定，建議為Ⅱ類圍巖，可能發育一定基巖裂隙水滲出，同時拱部可能因巖爆而產生剝落、掉塊，應加強初期支護措施。

6 施工要點

6.1 K26+740～K26+758已開挖段加固措施

為保證K26+740～K26+758已開挖段(不整合接觸帶影響帶)安全及掌子面施工安全，對該段支護進行補強:拱墻設I16型鋼鋼架，鋼架間距70 cm，噴混凝土厚度21 cm，拱墻設φ8 mm鋼筋網，間距25 cm×25 cm，兩側邊墻設φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長2.5 m，間距1.2 m×1.5 m(環×縱);二次襯砌采用C30鋼筋混凝土。

6.2 K26+758～K26+810段設計

6.2.1 止漿墻設計

為保證管棚施工安全，在K26+740～K26+758段加強支護完成后，利用棄渣對掌子面進行反壓，然后施作止漿墻(采用C25混凝土)，止漿墻厚度不小于2 m。考慮后期管棚施作和注漿施工的需要，止漿墻分兩層施工，第一層止漿墻施工完后做一個1 m厚的工作平臺，平臺長12 m，然后再施工第二層止漿墻。止漿墻順序如下。

(1)回填反壓:在K26+740～K26+758段加強支護施作完成后，利用大塊棄渣對掌子面附近泥狀渣體進行反壓，使其更加穩定。在渣體內插入注漿管，注水泥漿，加快渣體穩定，注漿參數根據試驗確定。

(2)施工鎖腳錨桿:第一層止漿墻施作前將其基礎范圍內虛渣及泥漿清理干凈，并在止漿墻墻基及其與隧洞周邊接觸處施作鎖腳錨桿，錨桿采用φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長3 m，間距1 m×0.7 m(環×縱)，雙排，外露接茬長度1 m。

(3)第一層止漿墻及工作平臺施工:第一層止漿墻高度3.5 m左右，厚2 m，平臺長度12 m，厚度1 m。止漿墻施工時在其底部預留2根φ150 mm鋼管作為排水孔，將掌子面底部的涌水排出。

(4)第二層止漿墻施工:工作平臺混凝土強度達到要求后，施工第二層止漿墻。止漿墻施工時拱部預埋3根φ150 mm鋼管，一根作為澆筑混凝土排氣孔，同時作為掌子面涌水排水管;另一根作為混凝土輸送管道，第三根作為吹沙回填管道，其尾部伸至開挖輪廓線外小于4 m。

(5)空腔回填:止漿墻施工完成后對空腔采用C20泵送混凝土回填，回填厚度不小于拱頂開挖輪廓線外2 m，待該段施工通過后對空腔處采用地質雷達掃描，確定空腔范圍，然后確定空腔吹沙回填的厚度。

6.2.2 超前地質鉆孔驗證

止漿墻強度達到2.5 MPa后在止漿墻面上布置了3個超前地質鉆孔，分別布置于拱頂及兩側大跨各一個，采用取芯鉆，孔深35 m，孔徑89 mm。

將超前地質鉆孔結果與TSP及紅外探測超前預報成果進行比較，鉆孔結果與超前地質預報基本一致。結合TSP與紅外探測超前預報及超前地質鉆孔分析結果，K26+740～K26+780段原設計為Ⅲ類圍巖、K26+780～K26+810段原設計為Ⅱ類圍巖，變更為K26+740～K26+758段為Ⅳ類圍巖，K26+758～K26+777段為Ⅴ類圍巖，K26+777～K26+794段為Ⅳ類圍巖，K26+794～K26+810段為Ⅳ類圍巖，最終確定采用超前大管棚的施工方案。

6.2.3 超前支護設計

(1)超前支護正面布置

在開挖輪廓線拱部180°范圍內設置φ108 mm超前管棚，管棚環向間距40 cm，每環共布置32根管棚，在管棚中間加設R38N自進式注漿錨桿，第一環錨桿環向間距40 cm，從第二環開始錨桿環向間距30 cm。管棚正面布置如圖1所示。

圖1 超前支護正面布置

(2)超前支護縱向布置

K26+758～K26+794段設置一環φ108超前管棚，管棚長35 m;K26+758～K26+777段R38N自進式注漿錨桿長5 m，縱向間距3.35 m，K26+777～K26+794段R38N自進式注漿錨桿長4.5 m，縱向間距3.2 m，配合鋼架使用，可根據實際情況適當調整縱向間距，相鄰兩排自進式注漿錨桿之間水平搭接長度不小于1 m，管棚縱向布置如圖2所示。

圖2 超前支護縱向布置(單位:mm)

(3)超前管棚設計參數

鋼管規格，熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚8 mm。每節鋼管兩端均預加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管，每節鋼管長4～6 m，鋼管同一截面內的接頭數不超過管數的50%。管距，環向間距40 cm。傾角，外插角6°～8°，可根據實際情況作適當調整。鋼花管上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，尾部留長度不小于1 m不鉆孔的止漿段。

(4)超前管棚注漿采用水泥-水玻璃雙漿液

水泥漿液水灰比為0.8∶1(質量比);水泥漿液-水玻璃體積比為1∶1;注漿壓力，0.5～2.0 MPa。注漿前應進行現場注漿試驗，根據實際情況調整注漿參數，取得管棚注漿參數，以保證注漿效果。

(5)R38N自進注漿錨桿長4.5 m或5.0 m，第一環錨桿環向間距40 cm，從第二環開始錨桿環向間距30 cm，外插角10°，可根據實際情況作適當調整，并注水泥-水玻璃雙漿液。

(6)注漿結束后長管棚內采用M10水泥砂漿充填鋼管，以增強管棚強度。

6.2.4 K26+758～K26+810段襯砌支護設計

超前管棚施工完成后，K26+758～K26+810段按以下措施進行施工。

(1)襯砌支護參數

K26+758～K26+777段，初期支護采用噴、錨、網，全斷面設3榀/2 mI20a型鋼鋼架，全斷面噴C20混凝土，厚25 cm;拱部120°范圍內設φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻設φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，間距120 cm×100 cm，拱墻設φ8 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚50 cm。K26+777～K26+794段，初期支護采用噴、錨、網，拱墻設1榀/0.8 mI16型鋼鋼架，拱墻噴C20混凝土，厚21 cm;拱部120°范圍內設φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻設φ22 mm全螺紋砂漿錨桿，錨桿長3.0 m，間距120 cm×120 cm，拱墻設φ8 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚45 cm。K26+794～K26+810段，初期支護采用噴、錨、網，拱墻噴 C20混凝土，厚10 cm;拱部120°范圍內設φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，長2.5 m，間距120 cm×150 cm。二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚35 cm。

(2)施工方法

建議采用臺階法施工。

(3)回填灌漿、固結灌漿、排水孔設計。

7 施工注意事項

(1)施工過程中應設置專門的安全員，觀察洞內，特別是掌子面的情況，如有異常應立即將人員及機械設備撤離至安全地帶。

(2)施工中應加強排水措施，做好排水準備工作，以防止施工中大量涌水形成危害;準備好搶險材料，做好搶險準備工作。

(3)管棚需按設計位置施工，注意運用測斜儀進行鉆孔偏移度測量，嚴格控制管棚打設方向，并做好每個鉆孔地質記錄。

(4)為保證長管棚及自進式注漿錨桿的支護效果，盡量減小管棚及自進式注漿錨桿的的外插角，可在型鋼鋼架腹板開孔以穿管棚及小導管，鋼管尾部應與鋼架焊接。

(5)管棚施工時應對鋼管主要材料進行材質檢驗。

(6)管棚鉆孔選用鉆機首先應適合鉆孔深度及孔徑的要求，鉆機要求平穩靈活，能在水平360°范圍內鉆孔，施鉆時應有導向架。

(7)鉆孔時須在孔口管上安裝高壓防突球閥，在鉆孔過程中一旦發生突泥涌水事故時，應立即停止鉆進，關閉防突球閥，連接注漿管路進行注漿。

(8)施工期間應遵守隧道施工技術安全規則和鉆眼注漿作業操作規則。

(9)管棚施工地段，應根據有關規定，加強監控量測，確保施工安全。

(10)止漿墻拆除應按先拱部后邊墻，并及時架設鋼架的除原則，盡可能采用人工拆除，當人工拆除困難時，采用弱爆破進行，嚴格控制裝藥量及進尺，避免爆破引起較大的振動。開挖進尺應控制在1榀鋼架的距離。

(11)隧洞的開挖長度應小于自進式注漿錨桿的預支護長度，預留部分作為下一次循環的止漿墻;開挖掌子面根據地質條件采用噴C20混凝土進行封閉，厚10 cm。

(12)開挖過程中如掌子面突然出水量增大、巖屑異常或圍巖急劇變形，應立即撤走施工人員及機械設備。

(13)K26+740～K26+758段二襯施工前應進行斷面凈空量測，若該段凈空不能滿足二次襯砌要求，應將該段補強的初期支護拆除，以保證二次襯砌厚度。

8 結語

秦嶺隧洞在該段埋深大，圍巖為石英巖、片麻巖夾花崗巖不整合接觸帶，受構造作用影響巖體破碎，遇水軟化、泥化，圍巖自穩能力差，是造成該段圍巖突泥涌水的主要原因。在施工中先期安排超前地質預報，再實施超前水平鉆孔驗證，然后采取超前大管棚配合水泥-水玻璃雙液注漿進行止水加固，取得了加固圍巖和超前支護的雙重效果，整個施工過程安全、順利。實踐證明，洞身超前大管棚配合水泥-水玻璃雙液注漿是隧洞穿越地下水豐富的軟弱圍巖地段的有效方法。

［1］ 廖書志.秦嶼隧道涌泥段的處理［J］.石家莊工程地質學報，2007，20(2):127-129.

［2］ GB50487—2008 水利水電工程地質勘察規范［S］.

［3］ 鐵建設［2008］105號 鐵路隧道施工地質超前預報技術指南［S］.

［4］ TZ204—2008 鐵路隧道工程施工技術指南［S］.

［5］ 鐵建設［2010］241號 高速鐵路隧道工程施工技術指南［S］.