長大隧道穿越軟弱圍巖地層涌水突泥施工處理技術

范曉虎

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

興泉鐵路寧泉段桃山隧道位于福建省三明市大田縣境內，隧道起訖里程為DK322+190～DK327+788，全長5598m，最大埋深270m。隧區屬低山丘陵區，地形起伏較大，局部較陡。洞身主要穿越三疊系下統溪口組(Tx)砂巖及晚白堊世石牌前單元(KS)花崗巖巖脈，隧區內發育宋京一號、二號、三號斷層，受斷層影響，節理發育，巖體破碎，易發生涌水突泥。

2 工程地質及設計施工參數

桃山隧道出口DK326+740～DK326+670段設計為弱風化砂巖地層，節理裂隙較發育，多呈閉合狀，巖體新鮮，質硬，呈短柱狀，長柱狀及碎塊狀。V級圍巖 Va型復合式襯砌，加強支護采用拱墻16cm格柵鋼架，縱向間距1m/榀，拱部采用φ42小導管超前支護，開挖工法為臺階法。

實際開挖過程中揭示掌子面圍巖為粉質粘土狀全風化層(Tx)，層理不清晰，節理紊亂，巖體呈硬塑～堅硬土狀，強度為極軟巖，埋深約146m，圍巖在地下水作用下會產生塑性流變，出現大變形；掌子面拱頂左側(線路右側)有股狀水流出，拱頂右側至拱腰位置為散狀線流狀滲水，水流夾雜泥土，呈渾濁褐黃色涌出。DK326+740～DK326+720段襯砌類型變更為Vc型襯砌，采用臺階法開挖。加強支護采用全環I18型鋼鋼架，縱向0.8m/榀。超前支護采用拱部雙層φ42小導管，拱墻系統錨桿為大外插角φ42小導管，采用噴射混凝土臨時封閉掌子面上臺階。對不滿足承載力要求段落采用φ76隧底鋼管樁注漿加固。

3 水文地質

地表水主要為隧道進出口及洞身溝槽內的溝水，由大氣降水補給。大氣降水和地表水的直接入滲是地下水的主要補給來源，隧道設計最大涌水量Q=14000m/d。

4 涌水突泥情況

2019年9月23日，桃山隧道出口掌子面里程DK326+721處施工時出現涌水突泥，該處埋深約146m，洞內涌泥長度約200m，平均寬度7.5m，平均深度2.3m，約5000m。隧道洞身DK326+706～DK326+730段對應地表范圍出現斜面直接約38m的圓形陷坑，坑周裂縫寬度40～100cm，下沉深度50～200cm。

5 處理方案研究

5.1 原因分析

桃山隧道出口因宋京一號、二號、三號斷層存在，受構造影響，圍巖整體破碎，地下水較發育。該段圍巖為Tx砂巖偶夾灰巖，差異風化嚴重。現場涌水突泥物質以黃色強風化、弱風化砂巖為主，間夾部分灰巖。分析認為掌子面涌水突泥屬于帶狀或囊狀節理密集帶、地下水發育。結合氣象資料，降雨頻繁，地下水受地表水補給。

綜上所述，在構造、巖性、水文等復雜地質環境不利組合條件下，施工過程中掌子面左側拱部帶狀或囊狀富水體突發涌水突泥，屬地質災害。

5.2 處理方案

地表處理：1)陷坑外10m范圍設置警界線及告示牌；2)陷坑外5～10m設置截水天溝，將地表水引排至坡腳既有溝渠；3)清除裂縫范圍灌木及腐質表層并采用3:7水泥土回填。

洞內處理：1)于DK326+758處設置2.0m厚3m高C30砼擋渣墻，并在其外側反壓石渣坡道，擋渣墻施工前在墻底部設置兩排長3.0m的φ42錨管(縱×橫1.0×1.0m)，錨入已施工仰拱填充砼內；2)DK326+758～+721段采用洞渣反壓回填，對回填體及突涌體采用φ42小導管注漿加固，并施作DK326+758～+738段施工走行平臺；3)在DK326+738處反壓體上設置3.0m厚C30砼封堵墻，埋入反壓體深度不小于1.5m，墻周采用φ42錨管進行錨固；4)設擋反壓完成后，清理擋渣墻至洞口段涌泥并疏通排水溝；5)于DK326+738封堵墻處，施作DK326+738～+721段全斷面注漿，固結坍塌體。注漿加固后結合超前鉆探、地質雷達、地震波超前地質預報及瞬變電磁法驗證加固效果及前方圍巖情況；6)DK326+738～DK326+724段變更為Vd加強型復合式(有砟)襯砌，襯砌為55cm厚鋼筋混凝土，初期支護厚度為27cm,采用全環I20b型鋼，縱向間距0.6m/榀。拱部超前支護采用拱部180°Φ108管棚及45°外插角Φ42小導管。施工方法為三臺階臨時仰拱法。掌子面一級及二級臺階采用臨時噴砼及玻璃纖維錨桿加固，噴砼厚10cm，0.6m一循環；7)本循環施工完成后根據現場圍巖情況及地質預報措施確定下一循環施工方案。

洞內外監測：1)在地表陷坑及周邊設置觀測點，開展沉降變形監測；2)加強洞內涌泥堆積體觀測及已施工段初期支護變形監測，并做好洞內水量監測。

6 涌水突泥段處理實施方案

6.1 總體方案

洞外對塌陷區設警戒線，清表后施工截水溝防止地表水滲入，待塌陷區穩定后分層回填3：7水泥土，采用挖掘機夯實。清理洞內淤泥和采用洞渣反壓回填，施工擋渣墻、封堵墻及操作平臺，施作超前帷幕注漿，加固完成并驗證注漿效果滿足要求后進行超前大管棚和開挖支護施工，施工過程中加強洞內和地表監控量測，分多個循環施工通過涌水突泥影響段落。

6.2 實施方案

1)地表處理：對地表塌陷區外側10m范圍內設立警戒線和安全警示標志，禁止非工作人員進入警戒區內，對塌陷區進行清表后施工C20混凝土截水溝和3∶7水泥土回填處理。

2)洞內施工：①止漿墻施作：開挖止漿墻基礎，基底虛碴雜物清理干凈，基底及周邊打設三排φ42錨管錨固，邊墻長3m、底部長5m，間距1m×1m(環×縱)。立模澆筑C30混凝土止漿墻，止漿墻厚3m，高7m。止漿墻施作過程一定要保證質量，尤其是周邊與開挖輪廓線的接觸部位，必須密實，防止漏漿；②場地硬化處理在封堵墻后方設10m長的作業平臺，平臺表面采用30cm厚C25模筑混凝土澆筑硬化，混凝土澆筑須平整，便于鉆機上下。

3)超前帷幕注漿：超前帷幕注漿加固范圍為掌子面及開挖輪廓線外5m，每循環縱向加固范圍為21m，開挖16m，超前帷幕注漿孔設計圖1所示。

圖1 超前帷幕注漿孔設計縱斷面圖

注漿管采用φ89mm鋼花管，設注漿孔145孔，洞周采用1∶0.8水泥水玻璃雙液漿加固，洞內采用1∶1水泥單液漿加固，注漿壓力4～6Mpa，特殊情況不超過8Mpa。單孔注漿壓力逐步升高至設計終壓，且連續注漿10min以上或進漿量小于初始進漿量的1/4時，判定單孔注漿結束。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥：波美度Be’=40。鉆孔注漿順序按“由內到外、由上到下、間隔跳孔，先無水孔后有水孔”的原則進行，以達到控域注漿，擠密加固的目的。施工過程中對孔序、注漿壓力、速度等參數進行記錄分析并繪制P-Q-t曲線分析注漿效果。超前帷幕注漿實際施工情況見圖2。

圖2 超前帷幕注漿實際施工圖

鉆機安裝應平整穩固，保證鉆桿中心線與設計注漿孔中心線相吻合，在鉆孔過程中要經常檢查校正鉆桿方向。注漿孔的孔底偏差不應大于孔深的1/40，檢查孔的孔底偏差不應大于孔深的1/80。鉆孔2m后應安裝孔口管或注漿管，測量水壓力及涌水量，并按表格填寫記錄。在涌水量大、壓力高的地段鉆孔時，應先設置閘閥的孔口管，孔口管埋入止漿墻深度隨最大注漿壓力而定，孔口管宜為直徑不小于90mm無縫鋼管。采用前進式注漿。

4)注漿效果驗證：注漿結束后采用了鉆孔取芯、孔內成像、地質雷達、TSP及瞬變電磁法驗證注漿加固效果。通過物探、鉆孔取樣、孔內成像及掌子面觀察等措施判斷在 6MPa～8MPa分形劈裂注漿后，漿液在原巖體裂隙及孔隙中形成條帶及團塊，并擠壓出注漿體內含水量，但不能改變原巖的破碎程度，不能提高原巖的完整度；只能將松散粘粒及砂粒固結成塊。能夠適當提高原巖的抗壓強度，對抗剪強度提高較大(主要是改變內摩擦角Φ值)。注漿效果滿足要求，可以進行下步施工。

5)泄水孔施工：在止漿墻后方設3環孔徑φ100mm泄水孔，每環不少于8根，泄水孔端頭安裝閘閥，將加固圈外側水引排處理，減少對圍巖的壓力。

6)大管棚施工：采用徐工XMZ120履帶式潛孔鉆機施工，無管棚工作室，拱部180°范圍設32 根Φ108 管棚，單根長20m，環向間距0.4m，縱向間距10m，搭接長度5m，管棚外插角10°～15°，注漿材料為水泥漿。大管棚鉆孔施工時，由技術人員現場測量，嚴格控制鉆機鉆孔角度。

7)三臺階臨時仰拱法開挖：采用三臺階臨時仰拱法開挖，開挖方式主要以機械配合人工方式開挖，局部采用破碎錘配合放小炮開挖方式施工，臺階高度根據現場情況合理劃分，方便機械施工。開挖時各臺階長度不得超過6m，上臺階開挖進尺每次不超過1榀鋼架，中下臺階開挖進尺每次不得超過2榀鋼架，不得對口開挖。

8)初期支護施工：洞身支護施工工序流程為：初噴砼→系統支護(系統錨桿、鋼筋網、鋼架)施工→復噴砼至設計厚度。

①初噴施工：開挖作業完成后，需立即進行初噴臨時支護開挖面以封閉圍巖，防止開挖面暴露時間太長掉塊坍落，充分發揮圍巖的自穩能力。

②系統錨桿施工：系統錨桿主要分拱部和邊墻的45°外插角φ42小導管和臨時仰拱的6m長φ25玻璃纖維錨桿兩種。φ42錨管主要用于隧道邊墻和拱部支護，φ25玻璃纖維錨桿主要用于上中臺階臨時仰拱支護。

③鋼筋網施工：鋼筋網在洞外集中加工,焊接必須保證其牢固性，焊接不得有夾渣、氣泡等現象發生；鋼筋網制作時，縱、橫筋應交錯搭接，以利于其更好地受力；網格尺寸誤差不大于10mm。

將鋼筋網片搬運至洞內鋪掛，網片與網片之間鋼筋搭接長度不小于1個網孔，與錨桿、鋼架等固定裝置聯接牢固。

④鋼架施工：鋼架按設計要求安裝，安裝尺寸允許偏差：橫向和高程為±5cm，垂直度±2°,間距±10cm。鋼架的下端設在穩固的地層上，拱腳高度低于上部開挖底線以下15～20cm。拱腳開挖超深時，加設鋼板或混凝土墊塊。安裝后利用鎖腳錨桿(管)定位。

⑤復噴砼施工：噴射時分段、分片按由下向上的順序進行，以避免污染未噴砼地段，巖面個別地方出現的較大超挖時，應首先予以找平，可先用短鋼架或鋼筋網折疊進行回填，然后予以回噴密實，不得用其它雜物回填，保證不留空洞。

9)監控量測：施工期間加強地表裂縫監測和塌陷區沉降觀測，加強洞內水平收斂和拱頂沉降數據觀測，每天監測次數不少于4次，監測數據實時分析并上報主要管理人員，發現異常是應立即暫停施工。

10)超前地質預報：本循環開挖完成后，采用TSP、地質雷達、瞬變電磁法及鉆孔鉆芯等方法進行掌子面前方、洞周圍巖及水土分布情況進行探測，根據地質預報結果和掌子面圍巖觀測情況，聯系建設各方確定下步施工措施。

7 施工中遇到問題及解決方案

1)超前帷幕注漿設計最大單孔深度23m，實際施工時，因地質情況為全風化砂巖狀土質地層，地下水豐富，鉆孔存在塌孔現象，無法一次鉆孔至設計深度。

現場采用分2～4次安“鉆孔、注漿、再鉆孔、注漿”的方法順利的完成了設計深度的鉆孔注漿工作。

2)超前帷幕注漿過程中因注漿壓力大，造成已施作完成的初支噴砼面出現掉塊、脫皮、開裂現象，初支鋼架發生扭曲變形情況。現場施工中采取如下幾種方法處理：①注漿過程中進行實時監控量測，當監測點變形超過預警值或發生突變時，立即暫停注漿施工，待注漿漿液凝固達到一定強度，圍巖巖體穩定后再進行作業；②在施工作業平臺下增設I16工字鋼橫撐，對已施作的初支段鋼架進行橫向支撐，橫撐與鋼架將采用加筋焊接方式連接，增加橫向反力，可抵消注漿過程中鋼架承受的部分圍巖壓力；③注漿過程發現有圍巖變形較大時，暫停注漿施工，對已施工初支段鋼架增設鎖腳錨管，采用2根4m長φ42mm的鋼管進行加固，錨管內注1∶1水泥凈漿提高錨管剛度。錨管與鋼架間采用φ22mm“U”型鋼筋焊接牢固，采用單面焊接，焊縫長度不小于22cm。

8 實施效果

經過連續五環帷幕注漿加固施工，順利的完成了桃山隧道DK326+740～670段軟弱圍巖涌水突泥段施工，桃山隧道于2021年1月份順利貫通。

9 結語

長大隧道穿越軟弱圍巖地層段發生涌水突泥時，首先應將人員和設備撤離至安全區域，及時組織排查地表及周邊地形、水系情況；其次，加強洞內拱頂沉降、水平收斂和地表沉降開裂情況監測，加強施作超前地質預報，及時探測洞周圍巖情況。最后，待突涌穩定后進行地表和洞內處理，地表應設置警戒區，防止非工作人員入內，若有塌陷開裂現象，可采用設置截水溝和水泥土回填處理措施，必要時可進行地表注漿加固處理，洞內采用反壓回填后施工超前帷幕注漿，無工作室超前大管棚超前支護措施，三臺階臨時仰拱法開挖，加強支護襯砌參數，可安全、快速、有效的通過了涌水突泥段落。