水工隧洞突泥及凝灰巖富水破碎帶施工技術

楊自剛,張 坤

（中鐵五局集團第一工程有限責任公司,湖南 長沙 410117）

0 引言

在水工隧洞工程施工過程中，常會遇到因地質圍巖情況不明造成的突泥涌水等災害。在水工隧洞發生突泥后，又遇前方凝灰巖富水破碎帶時，需要采取一系列有效的施工技術解決這一施工難題。

1 工程簡介

1.1 工程概況

大理Ⅰ段施工6標起止樁號DLⅠ91+206.00～DLⅠ112+429.00，全長21.223 km，涉及的受水區有大理白族自治州洱源縣及大理市，沿線經鄧川、上關、雙廊等鄉鎮。該標段設置支洞0.657 km/2座，其中老馬槽隧洞1#施工支洞（長0.346 km）。

老馬槽隧洞1#施工支洞為平支洞，其最大縱坡1.87%；斷面采用城門洞型（如圖1），凈斷面尺寸為8.0 m×6.5 m（寬×高）。支洞洞口位于玉石廠倒虹吸以南30 m處，與老馬槽隧洞主洞正交于DLⅠ104+418.52，位于老馬槽隧洞進口處，夾角為90°，大里程接老馬槽隧洞出口，小里程接玉石廠倒虹吸。

圖1 施工支洞典型斷面圖

1.2 突泥段

突泥位置位于支洞L1K0+317.00掌子面左側，2020年7月29日早上8：00左右開始突泥，至11：30最終突至支洞L1K0+260.00里程處，長度為57 m，突泥量約2 200 m3，最大涌水量約140 m3/h。該處隧洞埋深約85 m，圍巖類別為Ⅴ類，根據現場揭露情況，巖性為玄武巖夾凝灰巖，凝灰巖遇水變軟，巖石破碎，圍巖無自穩能力，掌子面有滲流水。

1.3 凝灰巖富水破碎帶

從突泥處L1K0+317.00開始直至主洞交叉段L1K0+340.00，長度23 m，經超前地質鉆探顯示均為凝灰巖富水破碎帶（如圖2），流水量在50～80 m3/h，最高峰值達140 m3/h，現已趨于穩定，表明山體水系分布范圍廣且在補給洞內。該段圍巖揭露顯示多為凝灰巖，巖石軟弱、破碎、遇水成泥，弱風化，自穩能力極差。根據初期地勘資料預測，隧洞正好穿過凝灰巖帶，橫向穿過支洞并延伸穿過老馬槽隧洞主洞。

圖2 突泥段與凝灰巖富水破碎帶平面示意圖

2 施工難點

在該突泥段及前方凝灰巖富水破碎帶施工時，必須采取有效的施工技術措施，以確保施工安全。否則，措施不到位，容易引起突泥涌水事件的再次發生，將會危及作業人員的安全，因此采用有效的施工技術措施確保施工安全是施工控制的難點。

3 施工技術措施

3.1 超前支護

3.1.1 突泥段

（1）通過監測手段判斷突泥情況趨于穩定后，首先清運距掌子面30 m處的突泥堆積體，然后停止清運并對剩余突泥堆積體采用C20噴射混凝土+φ6鋼筋網片進行封閉，按1 m間距梅花形布置插入4.5 m長φ42注漿小導管后對該突泥堆積體先進行1∶1水泥漿單液注漿再進行1∶1（水泥漿∶水玻璃）雙液注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，對堆積體進行固結，在防止再次突泥時具有一定抵抗能力的反壓體使用，并為掌子面的各項工作開展創造條件。掌子面先用沙袋填堵，然后采用C20噴射混凝土進行封堵作為止漿墻，厚度3 m。

(一)工資、薪金所得，是指個人因任職或者受雇而取得的工資、薪金、獎金、年終加薪、勞動分紅、津貼、補貼以及與任職或者受雇有關的其他所得。

（2）針對掌子面的超前支護工作，首先是將山體空腔內水向外引排，對掌子面及已支護成型的洞室進行泄壓。排水孔采用潛孔鉆鉆設，由于凝灰巖軟弱、破碎的特性，排水孔鉆設完成后立即埋設φ76無縫鋼管作為排水管，排水孔間排距按2 m布置。超前支護采用φ108大管棚，沿拱頂120°范圍內布置，環向間距20 cm（實際當中由于凝灰巖的特性，鉆設過程中容易塌孔卡鉆，實際環向間距為15～30 cm），鉆頭采用Φ127鉆頭。管棚鉆設完成后，進行注漿，注漿先采用單液注漿，材料為水泥∶水=1∶1（重量比）的水泥漿，后采用水泥漿：水玻璃=1∶1的雙液注漿，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

（3）注漿順序：先注10 min的1∶1純水泥漿，接著注3 min的1∶1雙液漿，然后停止注漿3 min。依次循環注漿。

3.1.2 凝灰巖富水破碎帶

凝灰巖富水破碎帶采用φ76超前管棚+φ42注漿小導管雙層超前支護措施，其中φ76超前管棚長度12 m，搭接長度3 m，布置范圍為拱頂120°范圍，環向間距30 cm，傾角15°～25°；φ42注漿小導管每循環布置，環向間距30 cm，布置范圍為拱頂120°范圍，傾角5°～15°；注漿材料為水∶水泥=1∶0.5～1的水泥凈漿。

3.2 開挖及初期支護措施

3.2.1 突泥段

（1）突泥段采用三臺階預留核心土法開挖，先進行上臺階（拱部高度）右側的開挖（原因：突泥由左側起拱線涌出，右側巖石整體性相對較好），由人工手持風鎬進行，這樣可以最大限度地減小開挖對巖層的擾動；開挖完成后快速支護，拱架采用I20a工字鋼，每循環進尺不超過40 cm，右側開挖出一定的施作空間后，再由右側向未開挖的左側打設注漿小導管，完成后進行左側的開挖及支護；依此循序漸進，直至安全度過突泥段。但需注意的是，此時為保證安全施工，也由于超前管棚的施作，會導致開挖斷面小于設計斷面，所以要做好各項資料的收集，積極聯系設計單位，確定后期的襯砌方案。

（2）突泥段上臺階開挖支護完成后，進行I20a鋼架直腿的安裝，此時須單側進行，每次開挖高度視開挖后巖層的穩定情況而定，但不得超過2 m；逐層進行安裝，每層鋼架采用φ42鎖腳導管進行固定，直至接至底板高程后，進行I20a橫向支撐的安裝，并對直腿采用I18工字鋼幫焊進行加強，使初支成環，鋼架整體受力。

（3）鋼架成環后，進行徑向的固結灌漿，灌漿孔排距3 m，梅花形布置，孔深不小于6 m；固結開挖面以外0～6 m的巖層，以形成保護殼，與鋼架共同受力以確保施工安全。

3.2.2 凝灰巖富水破碎帶

（1）進行凝灰巖富水破碎帶開挖前的兩個必要條件是：一是邊墻泄水孔孔距2 m跟進掌子面且掌子面泄水孔不少于3個；二是每循環開挖對掌子面前方進行超前探孔。

（2）凝灰巖富水破碎帶采用三臺階預留核心土法進行開挖。

1）上臺階：上臺階開挖采用預留核心土方法施工，由人工采用風鎬進行鑿進；每循環進尺控制在50 cm以內，開挖后快速進行支護封閉。

2）中下臺階：中下臺階開挖采用人工開挖，根據巖層穩定情況確定每層開挖高度，接腿超過3節時采用Ⅰ18工字鋼進行幫焊加強；中下臺階采用φ42注漿小導管進行鎖腳，每次開挖1榀，兩側落底完后設置底板I20a橫向支撐進行成環加強。落底封閉成型處與掌子面距離控制不得超過8 m，以確保施工安全。

3.3 排水措施

針對突泥段及凝灰巖富水破碎段的排水措施，需注意的幾個原則是：堆積體（核心土）不過流、拱頂不受壓、掌子面不受壓，水流沖刷堆積體（核心土）會導致堆積體（核心土）被水流帶走，拱頂受壓存在拱架變形或崩壞的風險，掌子面受壓則可能造成更大的突泥涌水。為解決這三個問題，先后在掌子面下方、拱頂、邊墻等部位鉆設多個排水孔，結果表明有效，掌子面超前管棚的水流由于下方的排水孔而停止流水，說明此段洞室的水系是全部貫通的，可以將水完全向下部引排。同時對掌子面方向流出的少量滲水采用水袋引排，防止水流沖刷堆積體（核心土）。不過需注意的是，凝灰巖遇水變軟弱，極易塌孔，排水孔搭設完成后應立即埋設排水管。

4 施工中的注意事項

4.1 加強各項監測、觀測

除了加強常規（收斂、沉降、流量等）的監測外，對其可能涉及的隱患部位也要進行加強，如地表、周邊建筑物、水質、噴射混凝土是否開裂等，尤其在施工時，拱部是否有異常聲響及水量水質的突變是施工觀測的重中之重[1]。

4.2 資源準備充足

在處理地質災害時，面對可能發生的地質災害，在前期要將所可能需要的物資、設備準備齊全，比如沙袋、抽水泵、模板、網片、管棚、注漿小導管、潛孔鉆機、注漿機、輸送泵等。

在施工過程中，在開挖將結束時噴射混凝土就必須到場準備，一是保證在開挖完成后立即噴射混凝土及時封閉開挖面，二是在鋼架安裝完成后及時進行噴射混凝土施工，以盡可能在短的時間內對開挖的臨空面進行支護封閉并承受圍巖的變形力。

4.3 凝灰巖富水破碎帶施工

（1）成立應急管理小組，加強預防突發事故的演練，確保對出現涌泥及涌水等地質災害時能及時有效應對。

（2）施工步驟要明確，遵循先探后挖、先注后挖、先排后挖、及時支護原則。

（3）用電必須規范。現場值班人員及專職電工必須加強巡視檢查，對發現的隱患必須及時處理，確保用電安全。

（4）支護成環一段距離后，必須進行徑向固結灌漿施工，固結開挖面以外的巖層，確保施工安全，以防“關門”事故發生。

（5）監測人員在洞內值班，及時進行監測，發現異常及時通知現場操作人員迅速撤離至安全位置。

5 結論

（1）凝灰巖是由火山噴發后的火山灰形成，軟弱、破碎、無結構性，且具有隨機存在的特性，施工中遇到凝灰巖巖層時，發生地質災害的可能性大大增加。但當下常規的超前地質預報（TSP、TGS、地質雷達等）方法的可靠性并不高，所以超前探孔的重要性不言而喻，超前探孔能更直觀地了解前方的巖層結構，從而對施工更具有針對性。因此，必須加強超前探孔施工，并將其納入工序進行管理。

（2）凝灰巖是一種火山碎屑巖，其組成的火山碎屑物質有50%以上的顆粒直徑小于2 mm。因此漿液在凝灰巖中的擴散效果較差，建議注漿前先注水，讓水在凝灰巖中先盡量擴散，形成一定裂隙；再快速注入水泥漿，水泥漿先稀后濃，壓力先小后大；最后注入快速凝固的雙液漿收尾。如效果不理想，則采用先注水泥漿再注雙液漿并停止一段時間，后再依此循環注漿的方式進行注漿加固。

（3）對凝灰巖富水破碎帶隧洞的開挖，應做好監控量測、超前支護、排水孔、初期支護加強，最主要的是安全施工，不可盲目追求進度而大面積、大進尺開挖，必要時還應縮小開挖斷面以加快初支成環封閉時間。初支完成后，建議襯砌混凝土也應及時緊跟施工，以盡早成環受力。

（4）采用以上的施工方法，雖然進度很緩慢，但是安全、順利地度過了該突泥段和凝灰巖富水破碎帶。