筆架山隧道突泥涌水段管棚穿越施工技術

韓勁松

中鐵十四局集團第一工程發展有限公司 山東 日照 276826

正文：

1 工程概況

1.1 原設計情況

廣東仁新高速公路筆架山隧道進口位于始興縣城南鎮膽源村，出口位于始興縣深渡水鄉。隧道位于中低山地貌區，隧道范圍內地表中線高程約220.1～735.1m，相對高差515m。隧道走向與山脊走向斜交。隧道長3800m，右線長3793m，最大埋深約 473.04m，屬深埋特長隧道。

原設計筆架山隧道在Z K 2 7 4+6 0 5～Z K 2 7 4+6 5 5及YK274+605～YK274+655段穿越一條斷層破碎帶，左洞埋深在300～330m之間，右洞埋深在325～355m之間，左、右洞線間距約40m，洞身主要為構造角礫巖，巖體破碎，圍巖自穩能力差。原設計左洞ZK274+605～ZK274+655段50m為斷層破碎帶，襯砌類型為XS-Ⅴb；ZK274+655～ZK274+680段為正常路段，襯砌類型為S-Ⅳc。原設計右洞YK274+605～YK274+655段50m 為斷層破碎帶，襯砌類型為XS-Ⅴb；YK274+655～YK274+680段為正常路段，襯砌類型為 S-Ⅳc。具體詳見下圖1。

圖1 斷層破碎帶縱斷面圖

1.2 突泥涌水情況簡介

筆架山隧道進口右洞掌子面施工至YK274+610時，掌子面拱頂偏右突發突泥，將掌子面上、中、下臺階及仰拱全部覆蓋，覆蓋層厚2～2.5m，突泥物主要為流塑狀斷層角礫巖碎屑及斷層泥，方量約1500m3；在應急處治過程中掌子面再次發生小型突泥，突泥量約600m3。

筆架山隧道進口左洞掌子面施工至 ZK274+649時，連續數日基巖裂隙水極發育，多處呈股狀涌出，現場打設超前探孔時水壓力較大，探孔內有大量渾濁水噴出，后逐漸變清，但水量無明顯減少。

2 應急處治措施

2.1 YK274+610 突泥掌子面

⑴暫停右洞掌子面施工，采用回填洞渣置換法清除突泥；同時用硬質洞渣對掌子面20m范圍進行分臺階回填反壓：距掌子面5m范圍填滿，向斜上方突泥口內預埋2根混凝土泵管，洞渣內水平預埋Φ50mm注漿鋼花管；下臺階上預留超前水平鉆孔通道。

⑵將反壓回填洞渣滿洞渣的掌子面用1m厚的噴射混凝土封閉，并利用預埋的鋼花管注雙液漿將回填洞渣固結，形成6m厚的止漿墻。

⑶用預留泵管向突泥口內部空腔泵送 C20 素砼回填。

⑷利用超前水平鉆、HSP 超前地質預報等手段對掌子面前方地質情況進行補充勘探。

2.2 ZK274+649 涌水掌子面

暫停左洞掌子面施工，采用采用噴射砼封閉，利用超前水平鉆、HSP 超前地質預報等手段對掌子面前方地質情況進行補充勘探。

3 成因分析

3.1 水平鉆探結果及超前地質預報分析

結合現場實際情況，左洞、右洞分別進行了8個和10個水平地質鉆孔。水平鉆探與超前地質預報結果顯示：

ZK274+649 掌子面前方2～6m開始持續出水；前方10～25m巖體極破碎，巖質軟，多處發育空腔及斷層泥，地下水極發育；前方28～54m巖體破碎，巖質較軟，局部發育空腔及斷層泥。

YK274+610掌子面前方0～15m巖體破碎，巖質軟，多處發育空腔及斷層泥，地下水極發育；前方30～50m巖體破碎，巖質較軟，局部發育空腔及斷層泥。左、右洞軟弱地段位置如下圖2。

圖2 左、右洞軟弱地段平面圖

3.2 突泥、涌水成因分析

結合現場的泥塊樣本來看，本次涌泥主要是由母巖（砂巖）碎裂成角礫，再被原地堆積、膠結而成的角礫巖在高壓、水浸的作用下液化形成的流體物質。由于斷層裂隙水量較大，受埋深影響(該處埋深 320m，屬于承壓富水段落)，泥水、角礫巖混合填充物具有較大液態壓力，最后被開挖作業揭示，產生突泥涌水現象。

4 突泥、涌水處理方案

4.1 超前支護方案比選

為安全通過此涌泥、突水段落，有中管棚+超前小導管和帷幕注漿止水結合超前小導管兩種超前支護方案。

方案一：中管棚+超前小導管

在左右洞各采用2段中管棚搭配小導管的方式度過不良地質區域。加固段落為 ZK274+649～ZK274+704、YK274+610～665共110m。管棚采用φ89mm，壁厚8mm鋼管，每組管棚長為30m，左右洞各施工兩組，中間搭接5m，管棚環向間距40cm。并按掌子面前方有無空腔，分為2種情況考慮。

情況 A：掌子面前方有涌泥后形成的空腔。即右洞第一組中管棚30m 段落，設置Φ50 雙層（角度分別為15°、45°）小導管，以保證注漿充分、飽滿。

情況 B：掌子面前方未經過開挖擾動，無空腔。即右洞第二組中管棚與左洞第一、第二組中管棚共 90m 段落，設置Φ50大角度（30°）單層小導管。

方案二:帷幕注漿止水+超前小導管

在左右洞各采用 2 段帷幕注漿搭配雙層小導管的方式度過不良地質區域。加固段落為 ZK274+649～ZK274+714、YK274+610～675共130m。帷幕注漿每段長35m（開挖段30m），注漿止水完成后，再施做設置Φ50 雙層（角度分別為15°、45°）小導管。

兩方案比較，帷幕注漿方案止水效果較好，但費用高，對施工工藝的要求較高。止水如果失敗，則后期處理費用、施工風險與工期消耗都會大幅上升。綜合考慮，推薦中管棚+超前小導管方案（方案一）。

4.2 后續施工方案及預案

⑴ 采用Φ50注漿小導管替代系統錨桿進行洞身加固。

Z K 2 7 4+6 4 9～Z K 2 7 4+6 7 9（段落長度3 0 m）、YK274+610～YK274+640（段落長度30m）段初期支護將原設計藥卷系統錨桿變更為長度5m的Φ50 注漿小導管；

Z K 2 7 4+6 7 9～Z K 2 7 4+7 0 4（段落長度 2 5 m）、YK274+640～YK274+665（段落長度25m）視后期開挖揭示情況，動態確定是否將藥卷系統錨桿變更為長度5m的Φ50 注漿小導管。

⑵ 根據后期開挖揭示情況，動態確定是否增加隧底注漿堵水方案。

⑶ 根據現場地質情況實時動態調整復合式襯砌支護類型。

⑷ 對于現場揭示發育有空腔段落，根據空腔大小采用注漿或泵送混凝土填充。

5 施工要點

5.1 管棚施工

洞內超前管棚布置情況詳見圖3。

圖3 管棚超前管棚布置圖

5.1.1 導向墻施工

導向墻采用雙拼I22工字鋼焊接而成，在工字鋼腹部割孔，以便鉆桿、管棚鋼管穿過。

安裝前測量放樣，嚴格按照放樣點安裝，并將底腳處的虛渣及其他雜物徹底清除干凈，導向墻安裝應確保兩側拱腳必須放在牢固的基礎上；腳底超挖、拱腳標高不足時，應用噴射混凝土填充；當拱腳處圍巖承載力不夠時，應向圍巖方向加設鋼墊板、墊梁或澆注強度不低于C20的混凝土以加大拱腳接觸面積；鋼架安裝時應垂直于隧道中線，豎向不傾斜、平面不錯位，不扭曲。

5.1.2 管棚鉆孔及鋼管安裝

采用潛孔鉆機鉆孔，鉆進并安裝管棚鋼管，采用跟管法施工。管棚應按設計位置施工，鉆孔采用跳孔打設，鉆機立軸方向必須準確控制，以保證孔口的孔向正確，采用跟管法施工，每鉆完一節安裝一節管棚鋼管。送管完成后，鋼管與孔壁間空隙用麻絲和錨固劑堵塞嚴密，防止漏漿；同時管口設置注漿孔閥門及排氣口閥門。

5.1.3 管棚注漿

采用雙液注漿機將水泥漿-水玻璃漿液分段注入管棚鋼管內，425水泥漿液中添加5%的水玻璃，水泥漿的水灰比為1:1，水玻璃濃度為35波美度，水玻璃模數為2.4，初壓宜0.5～1.0MPa，注漿量按0.15m3水泥漿/1mφ89mm鋼管計算。為了防止注漿過程中發生串漿,每鉆完一個孔，隨即就安設該孔的鋼管并注漿，然后再進行下一孔的施工。注漿結束后，及時將管口封堵，以防漿液倒流管外。

5.2 超前小導管施工

右洞第一組管棚采用雙層超前小導管，其他三組管棚采用單層超前小導管。雙層及單層小導管布置見下圖4和圖5。

圖4 雙層小導管設置圖

圖5 單層小導管設置圖

5.3 突泥、涌水段洞身施工

洞身開挖在管棚及超前小導管預支護后進行，采用三臺階預留核心土法施工。

按照施工順序分上、中、下三臺階實施分部開挖，上臺階高度4.0米，中臺階高度3.45米，下臺階直接開挖至填充面頂部，最后進行隧底開挖。

5.4 預案的實施情況

⑴Z K 2 7 4+6 7 9～Z K 2 7 4+7 0 4（段落長度 2 5 m）、YK274+640～YK274+665（段落長度25m）開挖開挖時，圍巖較為破碎，且巖質軟弱，局部夾泥，出水量較大。將藥卷系統錨桿調整為長度5m的Φ50 注漿小導管對周邊圍巖進行注漿固結、堵水。

⑵仰拱開挖時，雖然基地圍巖一般，但滲水量不大，故沒有實施隧底注漿堵水方案。

⑶根據現場地質情況實時動態調整了復合式襯砌支護類型。

ZK274+649～ZK274+655段支護類型由XS-Ⅴb調整為XS-Ⅴa，ZK274+655～ZK274+679段支護類型由S4c調整為XS-Ⅴa，ZK274+679～ZK274+680段支護類型由S4c調整為XS-Ⅴc，ZK274+680～ZK274+704段支護類型由S3b調整為XS-Ⅴc。

YK274+610～YK274+640段支護類型由XS-Ⅴb調整為 XS-Ⅴa，YK274+655～YK274+665段支護類型由S4c調整為XS-Ⅴc。

⑷對于現場揭示發育有空腔段落，采用了注漿或泵送混凝土填充手段予以填充。

6 結束語

經過近兩個月時間的緊張作業，ZK274+649～ZK274+704、YK274+610～YK274+665段突泥、涌水不良地質段順利通過。最終監控量測數據顯示，以上兩段共計24個斷面沉降最大值為3.2cm，遠小于沉降預留量25cm。后續二襯施工完畢后，也沒有異常情況發生。為同類工程施工做了很好的示范，積累了成功的施工經驗。