隧道突泥涌水段處理技術研究

■曾志文

（福建省高速公路集團有限公司漳州管理分公司， 漳州 363000）

1 引言

隨著目前我國隧道工程數量的增加和向邊遠地區的發展，復雜地質條件隧道也越來越多，偶有隧道發生突泥涌水災害，給工程施工安全、進度、成本等帶來風險。對突泥涌水處理方法不斷的完善，對隧道預防突泥涌水措施的完善， 有利于降低突泥涌水處理帶來的安全風險，提高施工進度，減少成本。 本文以福建省某高速公路天成山隧道的施工為例， 對隧道突泥涌水處理的主要施工方法進行闡述。

2 工程概況

天成山隧道為福建省某高速公路控制性工程，為雙向六車道特長隧道，具有斷面大、矢跨比小的特點，隧道左線全長3372 m，右線全長3390 m，平均間距約350 m 設置人行或車行橫通道。 隧址區巖層屬南園組凝灰巖及燕山期侵入花崗巖，隧道埋深較淺，隧道區共發育有5 條斷裂構造或節理裂隙密集帶，由于構造破碎帶、節理裂隙密集帶內巖體極破碎，雨水會沿裂隙下滲，出現淋雨狀，當巖體較完整時，出水狀態屬于滲滴涌水。 該隧道Ⅳ-Ⅴ級圍巖范圍及構造破碎帶、 節理裂隙密集帶路段較長，賦存于破碎帶及節理裂隙密集影響帶中的構造裂隙水，富水性、導水性較好，涌水影響較大，對隧道施工影響較大。 從已開挖揭露得圍巖來看，場區內地下水發育、 圍巖變化頻繁、 局部為強-中風化花崗巖， 其節理裂隙較為發育， 裂隙水以滴水狀滲出為主， 整體穩定性一般， 有些段落圍巖為全風化花崗巖，易破碎，呈現散粒狀，巖石沒有凝聚力，極差的自穩能力，有淋雨狀-股狀裂隙水，施工安全風險較大。

2012 年5 月7 日， 對已完成開挖右洞掌子面YK22+136 的上臺階進行初噴時，上斷面左側拱腰發生突泥現象，突泥體以流砂狀形態突然涌出，突泥量約為250 m3。 5 月8 日，右洞掌子面在根據會議紀要確定的處理方案準備反壓回填施工時，YK22+136 處上斷面左側拱腰又一次發生突泥現象， 突泥體仍以流砂狀涌出，突泥量約為1900 m3。5 月13 日，右洞掌子面在施工回填作業平臺時， 掌子面再次發生突泥現象，突泥體以流砂狀涌出，突泥量約為13800 m3，突泥的掩埋長度長達159 m。第二天經組織人員去地表排查，發現YK22+130 中線偏右處地表有陷坑。

圖1 突泥平面示意圖

圖2 現場突泥情況

3 突泥原因分析

根據隧道開挖情況及地表地質調查，采用地質調繪、物探、鉆探等方法對隧道塌方段及尚未開挖段進行補充勘察。根據勘探結果分析：YK22+136 前方存在一條斷裂帶，斷裂為壓扭性一斷裂帶，由若干相互平行的斷裂組成，X 狀節理和羽狀裂隙都極為發育，斷裂帶巖體強烈風化，地下水的活動劇烈，巖體的完整性極差。 隧道施工開挖直接改變了巖體的原始應力狀態，在自身重力的作用下，松散破碎的呈飽和狀態的巖體沿著斷裂面向下位移運動。 塌陷從地表至隧道大約深160 m， 在地表形成了一個平面形態為不規則八邊形， 最大直徑約28 m 的塌陷坑。 以此判斷，本次突泥屬于斷裂滑移破壞型塌方造成突泥地質災害。

4 突泥處治及斷層通過方案

施工總體方案以“排水減壓、注漿改良、管棚預支護、分部開挖、導洞超前、徑向注漿補強”的原則進行。

右洞： 地表塌坑處理→突泥體注漿加固后清除→突泥影響區（突泥處退后50 m）采取徑向注漿加固補強→右洞突泥潰口段（F1 斷層段）全斷面預注漿→雙層超前大管棚→超前小導管加強→雙側壁法開挖→徑向鋼化管補充注漿→下一循環預注漿順序進行處理。

左洞： 繼續向前開挖至ZK22+110→從左洞往右洞突泥區施做泄水孔→周邊預注漿→單層超前大管棚→CRD 法開挖→下一循環預注漿。

4.1 地表塌坑處理

對塌坑內底部進行淺層注漿封閉， 底部回填2.5 m 厚混凝土，然后回填土，表面采用0.5 m 厚混凝土封閉，在周邊設置截水溝和排水溝，將附近地表水進行引排繞開該區域。

4.2 突泥體處理

地表處理完后開始清除洞內突泥體，受地表水補給影響，右洞突泥堆積體含水量較大，從YK22+040 往掌子面，突泥堆積體表面淤積大量的積水，前方淤泥呈流塑態， 突泥體注漿現場照如圖3 所示。為降低清淤過程中的安全風險，先暫時保留一定長度的渣體以維持受力平衡，前方掌子面要先加固完再清理后方剩余渣體。 采取分段固結，分段分部清除的思路進行清淤工作，固結部分起到反壓未處理突泥體的作用，控制風險和保障施工安全，注漿固結后效果照見圖4。

圖3 突泥體注漿

圖4 注漿固結后效果

在突泥體末端堆碼碎石袋為下一部突泥體處理提供安全保障。 堆碼碎石袋的同時在突泥體末端下部埋設泄水孔， 提前對突泥體內含水進行引排。在突泥體兩側挖設排水溝， 將掌子面地下水從排水溝引排。 從距突泥點50 m 處突泥體開始，自突泥體頂面向下插入鋼花管對該段突泥體進行注漿固結，由于突泥體含水量較大，施工人員無法正常進入施工， 先在表面噴一層混凝土， 鋪設鋼筋網片，再噴20 cm 厚混凝土進行表面固化，然后再插入鋼化管進行注漿固結；固結后在固結區向掌子面8 m 處橫向布置5 孔集水井， 為往大里程范圍的突泥體提供滲水面。 固結后再對YK22+005～YK22+045 段（固結段后方）突泥體采用臺階法進行清理；然后逐步從中間固結施工通道至掌子面。

4.3 帷幕注漿工藝

在突泥體和后方已施工段初支加固完成確保安全后開始處理突泥斷層段，由于斷層圍巖為飽水狀態下砂土狀全風化花崗巖，首先從后方初支面及中臺階向突泥區打設泄水孔排水，泄水孔穿過斷層可以采用跟管或者前進式分段注漿方法，排出斷層段的地下水。 另外在距已施工仰拱部位設置40 m深井點降水。

由于全風化花崗巖比較脆弱，為了確保后續施工的安全， 因此對斷層的上部洞身及開挖輪廓線5 m 范圍內的全風化花崗巖圍進行物理性能改良，采用局部注漿的固結方式。

孔口管是注漿能否正常、 安全進行的前提，因此孔口管安裝必須牢固。 孔口管安裝時露出掌子面20～30 cm， 孔口管前端焊接法蘭盤或抱箍式接頭，防止孔口管續孔時泥沙涌出。 孔口管管壁與孔洞之間的間隙應填滿麻絲和速凝水泥漿。 孔口管安裝完畢后，用不小于φ16 的鋼筋將其他孔口管焊接成一個整體，確保施工安全。

在斷層段成孔比較困難， 鉆孔注漿采取前進式分段注漿平行推進方法進行施工， 每次鉆孔注漿分段長度1～3 m。 從工作面鉆孔開始，采取鉆、注交替作業的注漿方式， 即在施工中， 實施鉆一段、注一段，再鉆一段、再注一段的鉆、注交替方式進行鉆孔注漿施工，一直到通過含水層。

一般情況下采用水灰比為1∶1 雙液漿和單液漿交替進行注漿，雙液漿是為了堵水，單液漿是為了填充， 注漿效果差時可適當調整為超細水泥-水玻璃雙液漿。

由外向內分層施工注漿孔，施工完所有注漿孔后，設置注漿孔的10%作為檢查孔，檢查注漿效果是否合格。 注漿不合格時應補充注漿。

4.4 超前管棚

帷幕注漿完成后開始施工超前管棚。 在隧道內由于空間限制， 應在隧道正常開挖線外加大0.8～1 m 以上做為管棚工作室，確保管棚角度較小且不侵限。 鉆進過程中，如果出現鉆孔內出水量較大或者成孔比較困難的情形時，應立即停止施工，對鉆孔進行注漿，等圍巖固結后再繼續進行鉆孔，直至終孔。 雙層超前管棚布置示意圖如圖5 所示。

管棚鉆孔時，應先鉆高孔位，后鉆低孔位，并且要隔孔施鉆，剛開始鉆孔時要低速低壓。 鉆孔施工技術人員要隨時測量鉆桿的偏斜度， 發現偏斜度超過設計要求時應立即予以糾正。 每完成一孔后應馬上開展管棚安裝作業工序， 相鄰鋼管接頭間應錯開1 m。

管棚安裝后應進行管棚注漿， 兩邊各留2 根有水的不進行注漿，作為排水通道。 管棚注漿順序由下往上，由低到高，隔孔注漿。 灌注漿液水灰比為1∶1，水泥漿液添加水泥重量5%的、濃度為35 波美度的水玻璃，模數2.4，注漿初壓力1～2 MPa，注漿參數根據現場試驗予以調整，當排氣孔流出飽滿漿液后，關閉排氣孔，繼續注漿，達到設計注漿量或設計注漿終壓力并穩定15 min 后即可停止注漿。 如果注漿量超出設計注漿量，還沒有達到設計壓力要求，應該調整注漿液的濃度繼續注漿，持壓15 min 后停止注漿。 施工過程中，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，用水泥砂漿充填鋼管以增強注漿管強度，并及時將管口封堵，以防漿液倒流管外。

圖5 雙層超前管棚布置圖

4.5 雙側壁超前導洞開挖

施工完管棚后，采用雙側壁超前導洞開挖，先開挖上臺階的先行導洞， 通過斷層段后再開展中臺階、下臺階的開挖，最后開挖中間土體。各導坑的開挖距離不大于15 m。先行導洞斷面控制在3.0 m寬，2.0 m 高，初期支護應隨挖隨支護，每循環進尺不能超過50 mm。 隧道開挖優先采用無爆破方式開挖，使用風鎬、洋鎬、鐵鍬人工開挖，自下而上環形作業，如果碰到孤石或局部圍巖較硬時，人工難以開挖時， 經計算可以采用爆破力小的松動爆破方案。 開挖時安排專職隧道安全員專門觀察圍巖的穩定情況， 當圍巖暫時穩定時可以在開挖完全環后再實施初噴封閉，當發現有不穩定跡象時，立即通知現場技術管理人員， 安排人員噴射混凝土封閉圍巖。 初噴厚度不小于50 mm，初噴后按設計要求進行支護。

5 斷層處理方案適時調整

右洞在進行突泥段帷幕注漿作業時，左洞已施工至ZK22+207 處， 掌子面中臺階施做超前探孔時發現有突泥涌水跡象，立即停止掌子面作業開始進行反壓回填， 打設超前鉆孔進一步探明地質情況，探明該位置與右線突泥處為同一斷層，斷層與隧道中線呈30°夾角。

由于右線還未通過突泥段， 為了加快通過斷層，減少對于工期的影響，最初擬定思路為從左線向右線正交斷層施工輔助橫洞，橫洞穿越F1 斷層作為泄水洞排出斷層積水， 以便于左右洞穿越斷層，橫洞繞過右線突泥段向前方開挖，但準備施工輔助通道時， 由于輔助通道水壓力過大， 先后噴水噴砂，初期噴射距離達到30 m，最終輔助通道未繼續掘進，僅作為排水減壓通道，隨即將左線施工方案調整為和右線通過斷層方案一致進行施工， 按照局部帷幕注漿-超前管棚-CD 法開挖-兩個循環順利通過斷層。 F1 斷層走向及輔助通道布置如圖6 所示。

圖6 F1 斷層走向及輔助通道布置

6 監控量測

突泥清理需要監控量測，清理過程中隨時監測突泥體的變化情況， 按5.0 m 一個監控斷面布置監控量測樁。 雙側壁導洞開挖時，上臺階的監控量測點應設置在導洞拱頂及兩側邊墻上，下臺階開挖后在同一斷面上向兩側增設量測點。 量測點要設置在同一里程斷面上， 洞內每天進行3 次監控量測，必要時增加監控量測頻率。 監控量測管理等級根據表1～2 進行。

表1 變形管理等級

表2 位移變化速率管理等級

監控管理等級為Ⅲ級時， 可以按照經批準的施工方案正常施工；當監控量測管理等級為II 級時，應立即向現場帶班領導匯報，并且及時加強支護；當發現管理等級達到I 級時，應馬上啟動專項應急預案，撤離人員及機械。

7 突泥處置效果

突泥處置多管齊下，隧道塌腔周界圍巖經加固后穩定性好。 注漿經鉆檢查孔驗證，孔內密實無水，滿足設計及規范要求。 開挖過程順利，未再發生突泥涌水，質量無事故，人員無傷亡；而且根據監控量測管理結果，隧道結構整體穩定性好，目前該隧道運營狀況十分安全。

8 結語

隧道工程圍巖存在不確定性，本文以福建省某高速公路天成山隧道的施工為例，詳細闡述了隧道施工期間突泥涌水處理的引排水、超前預加固、開挖支護、安全質量控制要點等施工方法，保證了隧道施工安全，為今后避免突泥涌水等災害的發生或在一定程度上減少因災害造成的損失提供了實踐經驗。