富水軟弱破碎巖層隧道固結(jié)開挖施工技術(shù)

彭建軍PENG Jian-jun

（中鐵五局集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著我國(guó)交通工程建設(shè)的高速發(fā)展，隧道工程占總體工程中的比例越來(lái)越高，遇到的富水軟弱破碎巖層等復(fù)雜地質(zhì)情況也逐漸增多；我國(guó)在隧道防止坍塌施工方面積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，但在富水軟弱破碎巖層固結(jié)處理方面還缺乏較有效的經(jīng)驗(yàn)。本文從岑水高速均昌隧道施工過(guò)程，總結(jié)了帷幕注漿施工固結(jié)巖層的技術(shù)、開挖過(guò)程中輔助加固的措施，為今后隧道施工盡量減少各類災(zāi)害的發(fā)生，確保隧道建成后運(yùn)營(yíng)安全。

1 突泥涌水災(zāi)害及工程概況

1.1 工程概況

岑水高速是我國(guó)高速公路網(wǎng)南北主干線包茂高速極為重要段落，全長(zhǎng)30.7km，為廣西橋隧比（41.54%）最高的高速公路路段之一。均昌隧道為分離式小凈距雙向四車道特長(zhǎng)隧道，左線起止樁號(hào)為DK6+450～DK10+730，長(zhǎng)4280m，右線起止樁號(hào)為CK6+475～CK10+770，長(zhǎng)4295m，兩洞車道中心線間距為29m，凈距為15m，凈空（孔-寬×高）為1-10.75×5m。剩余未施工段落位于山心村下方，埋深約85-105m。屬于微型盆地地形，具有極強(qiáng)的匯水能力。圍巖為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖層富水軟弱、破碎且節(jié)理裂隙發(fā)育，區(qū)域內(nèi)導(dǎo)水通暢。（圖1、圖2）

1.2 突泥涌水災(zāi)害概況

1.2.1 9.11突泥涌水災(zāi)害

2013年9月11 日，均昌隧道右洞進(jìn)口開挖至CK7+837.5上臺(tái)階時(shí)，掌子面出現(xiàn)股狀涌水，水柱最大高達(dá)80cm，最大突水量達(dá)1195m3/h，兩天后，涌水量保持在695m3/h。隧道突水1d后，距離隧道掌子面790m外的地表存在塌陷、井塘已經(jīng)干涸，突水11d后，掌子面上方地表也存在很大塌坑，而且洞內(nèi)初支部位局部坍塌、初支變形且侵限嚴(yán)重，左洞初支變形更為明顯，累計(jì)突水量達(dá)25×104m3，泥砂淤積約2500m3。（圖3）

圖1未貫通段示意圖

圖2包茂高速示意圖

圖3 突泥、涌水、地表塌陷情況

圖4突泥、地表塌陷情況

1.2.2 9.19突泥涌水災(zāi)害

2014年9月19 日，均昌隧道左洞出口開挖至DK7+962.5時(shí)掌子面出現(xiàn)突泥，持續(xù)4小時(shí)，涌泥量約2900立方米。掌子面埋深100m，掌子面地表前方出現(xiàn)直徑13m，深7m的塌陷坑。（圖4）

1.2.3 5.1突泥涌水災(zāi)害

2015年5月1 日，掌子面上臺(tái)階處理完原涌水突泥段并推進(jìn)至CK7+834.5里程，在初期支護(hù)施工時(shí)，上臺(tái)階右洞右側(cè)拱腳處股狀水外冒，直徑約15cm，涌水量約38m3/h，封堵成功2小時(shí)后，涌水量增大，而且突破封閉砂袋及掌子面，涌水量增加至605m3/h。突水1d后，山心村村委會(huì)地表附近河流多處斷流塌陷，突水4d后，原9.11突水涌泥地質(zhì)災(zāi)害造成的原有地表塌陷處再次出現(xiàn)較深塌坑。直到5月9日，隧道掌子面右洞才得到有效的封閉，過(guò)程中累計(jì)涌水量達(dá)10×104m3，泥砂淤積約1000m3。（圖5）

圖5 突泥、涌水、地表塌陷情況

1.2.4 10.23突泥涌水災(zāi)害

2015年10月23 日，均昌隧道左洞出口上臺(tái)階掌子面處理原涌水突泥段并開挖至DK7+938.5時(shí)，掌子面再次出現(xiàn)涌水突泥，突泥時(shí)間持續(xù)5小時(shí)，涌水量最大達(dá)到650m3/h，突泥量約2500立方米。掌子面前方地表出現(xiàn)直徑8m，深10m漏斗形的塌陷坑。（圖6）

2 突泥涌水成因淺析

均昌隧道突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與演化過(guò)程表明，富水地區(qū)破碎巖層隧道突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、災(zāi)變進(jìn)展速度快、次生災(zāi)害極為嚴(yán)重及影響范圍大的特點(diǎn)。而通過(guò)系統(tǒng)的開展現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充鉆探與物探等工作，確定均昌隧道富水地區(qū)破碎巖層不良地質(zhì)段發(fā)生涌水突泥災(zāi)害的因素如下：

圖6突泥、地表塌陷情況

圖7左右洞瞬變電磁探測(cè)

2.1 “V”型溝谷、微型盆地匯水地形

均昌隧道隧址位于中低山地貌區(qū)，由于長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造作用及地表流水的侵蝕作用，地形變化較大，山體體積大，山高陡坡，形成“V”型溝谷地勢(shì)。該區(qū)域四周環(huán)山，中間相對(duì)平坦，形成微型盆地，匯水能力強(qiáng)，且匯水面積大，地表水補(bǔ)給地下水強(qiáng)度大。

2.2 導(dǎo)水通道分部廣泛

經(jīng)補(bǔ)充鉆探、高密度電法等勘探工作表明，均昌隧道地質(zhì)構(gòu)造為近EW向富水風(fēng)化深槽。曾經(jīng)存在巖漿侵入與區(qū)域變質(zhì)作用，在侵入巖接觸帶、地層接觸界面發(fā)育成較暢通的滲流通道，同時(shí)，強(qiáng)~中風(fēng)化花崗巖與風(fēng)化石英巖脈同樣具備良好的導(dǎo)水性，與風(fēng)化的界面導(dǎo)水通道共同構(gòu)成了涌水突泥通道，且分部廣泛。

2.3 地表水與地下水極為豐富，且聯(lián)系密切

隧址區(qū)域降雨十分豐富，年均降雨量約1500mm。根據(jù)均昌隧道幾次突泥涌水掌子面上方地表的地下水位監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著涌水的增大，地下水位持續(xù)下降，導(dǎo)致地表塌陷，洞內(nèi)涌水量減小，地下水位開始迅速回升，表明地表水與地下水聯(lián)系密切。

2.4 巖層軟弱破碎，自穩(wěn)性能差

均昌隧道區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造和強(qiáng)風(fēng)化作用影響，搶險(xiǎn)段內(nèi)圍巖情況主要為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖層破碎程度非常高，節(jié)理、裂隙發(fā)育，極度軟弱破碎，自穩(wěn)能力和承載能力差。在富水段浸水后其強(qiáng)度急劇降低，水穩(wěn)定性較差。

3 巖層帷幕注漿固結(jié)施工技術(shù)

3.1 固結(jié)方案及治理體系

由于隧道開挖時(shí)，洞內(nèi)富水且水壓高，圍巖自穩(wěn)能力差，遇水溜塌，甚至發(fā)生突泥涌水災(zāi)害；故在隧道開挖前必須對(duì)均昌隧道周邊圍巖預(yù)加固處理，以改善圍巖的物理力學(xué)特性，從而提高隧道圍巖的穩(wěn)定能力。鑒于均昌隧道特殊的地質(zhì)條件和巖層特性，以及經(jīng)濟(jì)投入、運(yùn)營(yíng)安全等多方面考慮，對(duì)地面帷幕截流法，冷凍法，洞內(nèi)超前帷幕注漿法，長(zhǎng)管棚加小導(dǎo)管法，引排強(qiáng)挖法等方法做了對(duì)比分析，最終確定為洞內(nèi)全斷面帷幕注漿法。這一方法能從根本上阻斷水力補(bǔ)給通道，實(shí)現(xiàn)圍巖的系統(tǒng)性加固，保障隧道建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期安全，且造價(jià)適中，工期可控。在治理過(guò)程中建立“理論指導(dǎo)，方案可行；先固后挖，穩(wěn)步推進(jìn)；疑點(diǎn)必究，及時(shí)治理”綜合治理體系。

3.2 全斷面帷幕注漿施工技術(shù)

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及水平超前探孔

均昌隧道未貫通段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極端復(fù)雜，為了進(jìn)一步探明隧道為貫通段掌子面前方的構(gòu)造破碎帶、軟弱夾層及地下水埋藏和分布等，為地下水封堵、圍巖加固及隧道開挖掘進(jìn)提供技術(shù)參考，對(duì)未貫通段左右洞通過(guò)瞬變電磁法、陸地聲納法、微分電測(cè)探法等方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在帷幕注漿過(guò)程中也采用水平超前鉆探孔進(jìn)行驗(yàn)證。（圖7）

3.2.2 帷幕注漿材料的選擇

在突泥涌水隧道災(zāi)害的綜合治理工程中，常用的注漿材料主要有水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿等。通過(guò)物探及水平鉆孔揭露的地質(zhì)條件及涌水情況，只采用上述材料難以治理，特別在涌水量大的情況下無(wú)法封堵，所以需采用一種能快速封堵涌水量大的漿液。GT液是山東大學(xué)自主研發(fā)的一種膏狀注漿材料，他與水泥漿液混合而成的雙液漿具有擴(kuò)散控制性好、初終凝時(shí)間可調(diào)、動(dòng)水抗分散、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，能快速的封堵涌水量大、水壓大的注漿孔。

圖8全斷面帷幕注漿開孔示意圖

圖9帷幕注漿分段剖面示意圖

圖10帷幕注漿終孔位置漿液擴(kuò)散交圈示意圖

3.2.3 帷幕注漿參數(shù)的確定

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和涌水情況，以及多次的注漿開挖實(shí)踐，每循環(huán)的注漿段長(zhǎng)度控制在15-20m，帷幕厚度5~8m。漿液的有效擴(kuò)散半徑按2m計(jì)算，注漿終孔間的距離按照1.5倍的漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行控制。均昌隧道搶險(xiǎn)段的涌水壓力月0.65MPa，孔深0～6m注漿壓力控制在2.5MPa內(nèi)，孔深6～12m注漿壓力控制在4.0MPa內(nèi)，孔深12m以上注漿壓力控制在5.0MPa內(nèi)，特殊情況下，根據(jù)止?jié){墻是否開裂、單孔出水量大小進(jìn)行調(diào)整，避免初支、止?jié){墻、工作平臺(tái)開裂等變形過(guò)大。水泥漿液水灰比采用1:1及1:0.8兩種，雙液漿的參配比例在1:1~5:1之間。

3.2.4 帷幕注漿鉆孔注漿施工

在止?jié){墻上均勻分布鉆孔孔位，有A、B、C、D、E五環(huán)，鉆孔由內(nèi)向外、由下至上的順序依次進(jìn)行，同一圈無(wú)水及無(wú)塌孔現(xiàn)象時(shí)，可隔孔鉆孔注漿，若遇富水破碎地段需減少段距，重點(diǎn)治理該區(qū)域。鉆孔過(guò)程中控制孔位準(zhǔn)確及角度偏差，孔口管安裝牢固。施工時(shí)詳細(xì)記錄涌水、塌孔、卡鉆、斷層、巖性變化等有關(guān)情況，為注漿提供參考數(shù)據(jù)。（圖8-圖10）

3.2.5 帷幕注漿效果檢測(cè)

全斷面帷幕注漿完成后，在開挖之前，需對(duì)注漿效果進(jìn)行全面檢測(cè)評(píng)定，看是否能達(dá)到開挖條件。檢測(cè)采用瞬變電磁探測(cè)法、檢查孔觀察法、涌水量對(duì)比分析法、鉆孔P-Q-t曲線法等方法。

①瞬變電磁法分析判斷注漿長(zhǎng)度段圍巖內(nèi)是否含有富水區(qū)域，若無(wú)則注漿滿足要求，可以開挖。

②檢查孔觀察法主要是通過(guò)仔細(xì)觀察檢查孔完整，無(wú)涌水、涌泥、涌砂，且放置一段時(shí)間無(wú)塌孔，不產(chǎn)生涌水、涌泥、涌砂，則證明注漿效果滿足要求，可以開挖。

③涌水量對(duì)比分析法標(biāo)準(zhǔn)是每孔每延米涌水量小于0.20L/min·m且單孔涌水量小于3L/min，若滿足以上兩點(diǎn)，證明注漿效果滿足要求，可以開挖。

④鉆孔P-Q-t曲線法即對(duì)設(shè)計(jì)好的檢查孔進(jìn)行鉆孔注漿試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)好的檢查孔P-Q-t曲線特征，從而來(lái)判斷注漿最終效果，檢查孔P-Q-t曲線應(yīng)比正常注漿時(shí)曲的線形態(tài)要陡，注漿5~10min后，注漿壓力值與注漿流量Q值都應(yīng)該達(dá)到設(shè)計(jì)終壓值，證明注漿效果滿足要求，可以開挖。

4 隧道開挖及輔助措施

4.1 隧道搶險(xiǎn)段開挖

①隧道搶險(xiǎn)段為Ⅴ級(jí)圍巖，是富水軟弱破碎巖層，故選用三臺(tái)階七步法開挖，在上臺(tái)階處預(yù)留核心土。

②開挖支護(hù)每榀0.5m，初支采用Ⅰ20工字鋼、雙層?12鋼筋網(wǎng)片，C25噴射砼封閉成環(huán)；開挖后應(yīng)立即初噴厚度為3～5cm混凝土，以減少圍巖暴露時(shí)間。

③中臺(tái)階和下臺(tái)階左側(cè)及右側(cè)開挖必須錯(cuò)開，嚴(yán)禁對(duì)開，左右側(cè)錯(cuò)開距離宜為2～3m；仰拱必須緊跟著下臺(tái)階施工，快速的閉合構(gòu)成穩(wěn)固牢靠的支護(hù)體系。

④施作超前小導(dǎo)管時(shí)，嚴(yán)格控制好超前導(dǎo)管外插角；上臺(tái)階連接板處加焊16槽鋼縱梁，鋼架腳趾應(yīng)落在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)巖面上，并加墊45cm長(zhǎng)30槽鋼，嚴(yán)禁拱（墻）腳拱架懸空或采用虛土進(jìn)行回填的方式處理；鋼架與鋼架用M20高強(qiáng)螺栓連接牢固，鋼架與鎖腳錨桿通過(guò)Φ22“L”型鋼筋焊接牢固。

⑤仰拱初支每段施工長(zhǎng)度3m，與掌子面保持距離不大于20m。

⑥二襯施工每段長(zhǎng)度12m，與掌子面距離不大于40m。

⑦施工過(guò)程中按照Ⅴ級(jí)圍巖的頻率對(duì)初支進(jìn)行拱頂沉降、周邊收斂監(jiān)測(cè)。

⑧施工過(guò)程中及時(shí)完善洞內(nèi)在開挖前的臨時(shí)防排水系統(tǒng)，嚴(yán)禁洞內(nèi)積水浸泡隧道兩側(cè)拱（墻）腳及讓積水在施工現(xiàn)場(chǎng)任意漫流，防止基底承載力降低。當(dāng)?shù)貙佣磧?nèi)的含水量大時(shí)，在掌子面的上臺(tái)階開挖工作面底面附近開挖橫向水溝，將掌子面前方水引至隧道兩側(cè)做好的排水溝排出洞外；進(jìn)口為反坡施工時(shí)，在仰拱端頭開挖集水坑將水集中抽排至洞外。

4.2 開挖過(guò)程遇到問題的輔助措施

帷幕注漿存在時(shí)效性，特別是在雨水季節(jié)，帷幕注漿外的巖層中的水會(huì)慢慢滲透至掌子面，然而在開挖過(guò)程中，掌子面、初支也會(huì)存在滲水甚至冒水溜塌現(xiàn)象，所以需要采取其他的輔助措施。

①初支滲水，采用小導(dǎo)管徑向補(bǔ)充注漿的方法將水源通道封堵，加固已初支支護(hù)的圍巖。

②初支下沉、開裂，采用Φ108鋼管大鎖腳鎖住拱架，并注漿加固巖層，每根6m，間距0.5m。

③開挖過(guò)程中，掌子面前方存在冒水溜塌現(xiàn)象，采用鋼筋網(wǎng)片及噴射砼封堵后，難以開挖，大型機(jī)械又難以進(jìn)入鉆孔注漿，故采用風(fēng)鉆打孔，威德克等其他化學(xué)注漿液，小型的ZBQ-5/12型注漿泵快速的補(bǔ)充注漿封堵掌子面前方，再繼續(xù)開挖，以此類推，但不能超出原定的開挖長(zhǎng)度。

④初支滲水、拱腳冒水較嚴(yán)重，采取初支側(cè)方鉆探泄水孔引排，確保開挖時(shí)巖層穩(wěn)定，安全可靠。（圖11-圖14）

圖11徑向補(bǔ)充注漿施工

圖12大鎖腳鉆孔注漿施工

圖13威德克化學(xué)漿液補(bǔ)充注漿

圖14鉆探泄水孔引排水

5 結(jié)論

岑溪至水汶高速公路均昌隧道，為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、富水地區(qū)、巖層破碎軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育，治理非常困難。在治理過(guò)程中，通過(guò)多種超前預(yù)報(bào)及理論分析，采用不同注漿材料和工藝，對(duì)富水軟弱破碎巖層的均昌隧道進(jìn)行治理并得到了有效控制。本文對(duì)突泥涌水災(zāi)害的成因及綜合治理技術(shù)進(jìn)行了深入總結(jié)，并建立了“理論指導(dǎo)，方案可行；先固后挖，穩(wěn)步推進(jìn)；疑點(diǎn)必究，及時(shí)治理”綜合治理體系，先后實(shí)現(xiàn)了左右洞的貫通，確保了總體施工計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，為今后富水軟弱破碎巖層隧道固結(jié)開挖施工提供了有效的施工經(jīng)驗(yàn)。