泥巴山隧道高压涌突水快速处治技术研究

2012-11-09张学武中铁十二局第三工程公司山西太原030024

长江大学学报(自科版) 2012年7期

张学武 (中铁十二局第三工程公司，山西太原 030024)

泥巴山隧道高压涌突水快速处治技术研究

张学武 (中铁十二局第三工程公司，山西太原 030024)

泥巴山隧道全长10007m，是雅西高速公路线上最长的隧道，单口掘进5130m，为全国单口掘进之最，最大埋深1648m，地质情况极为复杂，在施工过程中，受高压、富水、岩溶等诱导因素影响，多次突发了大规模的涌水、涌砂和涌泥等工程地质灾害，给工程的安全顺利施工造成了极其严重的影响。对快速通过泥巴山隧道左线K61+773高压涌突水地段处治技术作了详细叙述。该技术保证了结构安全稳定，节约了工期，对同类地质灾害处理将具有一定的借鉴意义。

泥巴山隧道；高压涌突水；处治技术

2009年10月11日，掌子面上台阶左侧拱脚(进洞方向)和掌子面中线位置出现股状涌水，涌水量达17000m3/d，且水压较大；10月12日凌晨对掌子面进行了超前地质钻探，在钻孔过程中，由掌子面喷出的水柱水平距离最远达8m，且涌水量急剧增加，已完成初期支护表面有渗水现象。项目部随即采取了应急处理措施，至10月13日，对后方K62+773～K61+788段Ⅳ1级围岩进行了临时支护加强，确保已完成初期支护稳定，经连续3d高频率监控量测，该段初期支护稳定。下面，笔者对快速通过泥巴山隧道左线K61+773高压涌突水地段处治技术作了详细叙述。

1 前方地质情况预测

1.1通过物探分析前方地质情况

图1 K63+773掌子面钻孔平面图

为尽快探明前方地质及涌水情况，尽快恢复施工，2009年10月13日项目部采用地质雷达对前方地质进行了探测，探测结果为掌子面前方16m范围围岩极破碎，围岩含有强压力水，于当天再次进行了超前钻孔探测:一是通过探孔释放水量，减小水压；二是对前方地质有一个直观的了解，以合理的确定施工方案。钻孔孔位布置如图1所示。钻孔情况统计及分析如下：

1)①号孔(17m) 0～5m岩屑为紫红色流纹岩，卡钻2次；钻进到5m左右，岩屑出现断层泥、石英，涌水浑浊呈乳白色，至6.5m左右涌水变化为浅红色，岩屑为紫红色流纹岩，钻至8～17m范围卡钻严重，停止钻进。

2)②号孔(19m) 0～4m岩屑为紫红色流纹岩，至4m左右开始出现股状涌水，钻进至约6m位置岩屑变成石英，含断层泥，涌水为乳白色，钻进深度至7.5m出现卡钻现象，岩屑为紫红色流纹岩，至12m左右时涌水突变为喷出状，喷出距离达8m，岩屑为流纹岩。

3)③号孔(6m) 0～4m岩屑为紫红色流纹岩，4m左右出现断层泥，钻进至5～6m范围岩屑为紫红色流纹岩，卡钻严重，停止钻进。

4)④号孔(16m) 0～5m岩屑为紫红色流纹岩，至5m时涌水量变大并有卡钻现象。

5)⑤号孔(8m) 0～6m岩屑为紫红色流纹岩，至6m时涌水量变大，7m处出现断层泥和白色石英，钻进到8m左右时岩屑变化为紫红色流纹岩，并且卡钻严重，停止钻进。

6)⑥号孔(9m) 3.5m时出现小股涌水，卡钻严重，岩屑与掌子面一样，为紫红色流纹岩。

7)⑦号孔(30m) 0～3.5m岩屑为紫红色流纹岩，3.5m左右出现断层泥，至4m处出现股状涌水，岩屑变成紫红色流纹岩，至12m涌水由股状变为喷出状且喷至下台阶，喷出水平距离长达15m，岩屑为紫红色流纹岩，此后钻进速度缓慢，岩屑为紫红色流纹岩，岩性无大的变化。

根据地质雷达及钻孔资料对前方地质预判如下：掌子面前方3～5m为小型破碎带，成分主要有流纹岩、石英、夹杂有粘质泥，含水量一般，呈股状；5～7m岩石完整性相对较好；8～12m岩石极破碎，裂隙极发育且贯通，宽度较大，可能有大量水囊，主要成分为流纹岩、糜棱岩、少量石英，该区富含地下水，水头压力大；12～16m为过渡段，16m后围岩整体性相对较好，含水量一般。

1.2通过地质素描分析前方地质情况

掌子面围岩为紫红色流纹岩，隐晶质斑状结构，矿物成分为角闪石、石英、黑云母等，局部可见石英条带。整体强度情况较差，产状倾角145～165°，倾向40～60°。

1)掌子面右侧(进洞方向) 岩体有少数节理发育，节理间距均在30cm左右，且间隙小、密实、裂隙发育少、整体性较强。拱顶上方发育一条近水平的节理面，倾斜向下方向，间隙较大，中间填充白色粘质泥土，手捏明显有泥感，易发生整体滑动，现场可见上方岩体在爆破后即下滑到上台阶。

2)掌子面左侧(进洞方向) 岩体节理发育极发育，间距小至5cm左右，且节理裂隙贯通，局部岩石破碎产状不明。从右向左，岩体整体性由好变坏、由较完整变破碎、由镶嵌-块状结构到破碎-松散结构。在拱脚处，岩体大部分呈碎块状和粉末状。

1.3总体推断前方地质情况

图2 K63+773掌子面涌水量变化趋势图

由于岩体产状与隧道中线成60°左右交角，且破碎带先在中下台阶出露，可见前方会出露断层破碎带，由下台阶开始破碎带长度约18m。从整体看，破碎带宽度较小，两侧均为相对隔水层，地下水埋深大，水力梯度大，因此开始涌水压力大，流量大，5d后明显减小；从钻进碎屑物显示，前方30m软弱夹层、粘土和泥较少，主要为破碎岩块和碎屑；破碎带参考延伸长度18m，对应围岩产状倾角160°，倾向45°。

2 涌水量变化情况

涌水量变化情况统计如图2所示。对涌水量变化规律分析发现，随着钻孔数量的增加涌水量逐步增大，然后随着时间的推移水量又有变小的趋势，说明掌子面前方地下水为无地表水补充的死水，有存在水囊的可能，发生突水的可能性较高，因此，必须首先对前方地下水进行合理的引排，减小水压对掌子面的影响，方可根据出露围岩确定初期支护的参数。

3 处治方案比选及处治施工工艺流程

3.1处治方案比选

根据以上地质资料分析，掌子面前方为一断层破碎带，断层延伸方向与隧道相交角度较小，影响长度较长，且含强压力水，为确保安全，预防涌突水及塌方的发生，采用以下方案处理。

1)方案1：采用周边深孔预注浆及强初期支护方法：①进行周边深孔预注浆。②注浆结束后，采用V加强型衬砌支护参数施工，超前支护采用单层小导管，初期支护采用I20b工字钢，间距50cm/榀，喷砼厚度24cm，锚杆间距50×90cm，初期支护全断面封闭成环。优缺点：如果通过深孔注浆能起到注浆堵水的效果[1]，将对下一步安全施工起到很大的作用，但是如果效果不好，将耽误大量的时间，且耗资巨大。

2)方案2：采用超前大管棚及强初期支护通过方法：①施作超前大管棚。②注浆结束后，采用V加强型衬砌支护参数施工，超前支护采用单层小导管，初期支护采用I20b工字钢，间距50cm/榀，喷砼厚度24cm，锚杆间距50×90cm，初期支护全断面封闭成环。优缺点：如果通过施作超前大管棚并注一定的浆液起到对前方预支护效果[2]，将对下一步安全施工起到很大的作用，但是如果注浆效果不好，但大管棚本身就能起到对前方超前支护的作用，如采用强支护通过可基本防止塌方的发生，但本方案需要在洞内提供作业平台和空间，需对洞身轮廓进行扩挖，也将耽误一定的时间，但应能安全通过。

3)方案3：采用超前小导坑及强初期支护通过方法：①在上台阶掌子面开挖1.5×1.5m的小导坑，小导坑超前掌子面5m，确保掌子面有4m以上的止水墙，为确保安全可对导坑进行临时支护，小导坑将起到直观探测前方围岩和引水孔的作用[3]，在探明前方地质后再对后方掌子面进行扩挖。②后方掌子面扩挖，采用∅42双层小导管进行超前支护，内层小导管长度4.5m，外插角为10～15°，外层小导管长度6m，外插角为30～40°，拱部120°设置，注浆管搭接长度1.5m，确保注浆承压拱厚度达到4m以上。初期支护采用V加强型衬砌支护参数施工[4]，采用I20b工字钢，间距50cm/榀，喷砼厚度24cm，锚杆间距50×90cm，初期支护全断面封闭成环。③如前方出现大的破碎带和水囊，再采用CD法施工。小导坑超前能起到探测前方地质情况和引水孔的作用，由于断面较小且超前掌子面5m以上，如前方出现大的涌水和涌泥对后方掌子面影响较小，能避免塌方的发生。掌子面在扩挖时首先进行超前支护和注浆，再采用强支护通过。

通过以上3种方案比选，由于方案3在能保证施工安全的情况下，施工时间短，相比前2种方案投资小，因此，拟采用方案3。

3.2处治施工工艺流程

总体施工工序为：掌子面上台阶小导坑开挖——掌子面超前支护——掌子面上台阶扩挖——上台阶钢拱架支护——下台阶开挖——下台阶初期支护——通过涌水段。