秦岭隧洞突泥涌水段处理措施研究

李立民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

秦岭隧洞是陕西省引汉济渭工程的重点工程，为规划的陕西省内南水北调跨流域调水工程之一，隧洞全长81.779 km。隧洞位于秦岭西部山区，区内山峰高耸，沟壑纵横，横穿秦岭山脉，最大海拔为2 705 m，进出口与主峰相对高差1 900～2 100 m，埋深在500 m以上的洞段长达35 km，最大埋深约2 000 m。工程位于秦岭褶皱系，地形地质条件十分复杂，断裂构造极其发育，对施工影响较大。

2 隧洞突泥涌水概述

隧洞突泥涌水段位于K26+760～K26+810段内。隧洞埋深1 120～1 170 m，受石英岩、片麻岩及花岗岩岩性接触带的影响，岩体破碎。2011年10月23日13∶10隧洞下游爆破后(未出渣)，K26+760掌子面拱顶位置出现突泥涌水，自裂隙处涌出灰黑色、淡黄色岩屑及伴随粒径大于50 cm孤石，极为浑浊，经估算当时突泥涌水量约100 m3/h。至15∶00突泥涌水裂隙进一步扩大至拱顶120°范围，突泥涌水呈现间歇性突发，经现场测算突泥涌水量约150 m3/h。险情发生后，现场项目部立即采取应急预案，并迅速组织人员撤离，没有发生任何事故。自10月23日至10月31日间在清淤过程中共发生4次较大溃口突泥，持续时间6～10 min，涌泥(水)量100～120 m3。2011年10月31日掌子面涌出泥渣累计约1 000 m3。截止2011年11月4日溃口处突泥仍间歇性发生，涌泥(水)量约100 m3/h。

3 隧洞突泥涌水原因分析

突泥涌水点裂隙视倾角30°～45°，裂隙宽度约为25 cm，贯穿拱部偏右，范围拱顶30°，掌子面开挖岩性主要为石英岩、片麻岩及花岗岩，片理产状N75°W/45°S，呈灰白色—黑灰色，主要矿物成分为石英、长石、角闪石，粒状变晶结构，块状—片状构造，岩体较破碎，围岩极不稳定。掌子面多见印支期花岗岩侵入接触，粒状变晶结构，块状构造，岩石多呈块状及碎块状，岩体完整性差，围岩不稳定。岩体富水性较好，受地质构造影响严重，导致岩性不整合接触带产生较大突泥涌水，并形成了塌腔体。

结合隧洞掌子面及地表地质调查资料分析，突泥涌水段埋深大于1 100 m，隧洞所涌之水均为储存于非均质各向异性的裂隙含水介质中的静储量，与地表水体无直接水力联系，其补给源有限，突然涌水初期会伴有一定压力，随时间推移，水压和水量会逐渐衰减，衰减至一定量时可实施封堵及对围岩进行支护、加固处理。

4 施工设计方案

施工处理前先期安排了超前地质预报工作，以探明掌子面前方地质围岩情况。掌子面剩余渣体不予扰动，为确保已开挖完段的结构安全，自里程K26+740采用Ⅲ类围岩加强支护，自K26+755开始拟采用超前加强支护。待支护到现渣脚时(里程K26+750处)开始施作止浆墙，止浆墙分2层从下至上分段施工。在止浆墙施工过程中预留下部泄水孔，并在最上一层止浆墙施工过程中预留混凝土输送孔和排气孔;待止浆墙封闭整个临坡面后开始对空腔体进行灌注混凝土，完成后施作超前地质钻孔验证。如钻孔结果与超前地质预报结果一致时，确定按照超前大管棚施工，开挖支护施工中采用迈式锚杆超前预支护，初期支护紧跟掌子面逐步掘进;如钻孔结果与超前地质预报结果相差较大，出现地质异常、地下水异常丰富、岩质极差等时，重新确定超前加固措施方案。

5 TSP与红外探水超前地质预报解译成果

(1)K26+761～+774段岩性为石英岩夹片麻岩和花岗岩分界带，探测后分析认为岩体片理及节理裂隙发育，岩体较破碎—破碎，围岩极不稳定，建议为Ⅴ类围岩，施工中可能产生坍塌、掉块，并可能产生较大基岩裂隙涌水，建议加强对该段围岩及地下水进行观测，增强排水及初期支护措施。

(2)K26+774～+794段岩性为石英岩夹片麻岩和花岗岩接触带，探测后分析认为岩体片理及节理裂隙较发育—发育，岩体完整性差—较破碎，围岩不稳定性，建议为Ⅳ类围岩，施工中可能产生坍塌、掉块，并可能产生较大基岩裂隙涌水，注意加强对该段围岩及地下水进行观测，增强排水及初期支护措施。

(3)K26+794～+839段岩性为花岗岩，岩体节理裂隙较发育，完整性差—较完整，围岩局部稳定性差，建议为Ⅲ类围岩，施工中拱部可能产生小的掉块，且可能发育一定基岩裂隙水渗出，应加强排水及初期支护措施。

(4)K26+810～+861段岩性为花岗岩，岩体节理裂隙较发育—不发育，岩体较完整，围岩基本稳定，建议为Ⅱ类围岩，可能发育一定基岩裂隙水渗出，同时拱部可能因岩爆而产生剥落、掉块，应加强初期支护措施。

6 施工要点

6.1 K26+740～K26+758已开挖段加固措施

为保证K26+740～K26+758已开挖段(不整合接触带影响带)安全及掌子面施工安全，对该段支护进行补强:拱墙设I16型钢钢架，钢架间距70 cm，喷混凝土厚度21 cm，拱墙设φ8 mm钢筋网，间距25 cm×25 cm，两侧边墙设φ22 mm全螺纹钢筋砂浆锚杆，锚杆长2.5 m，间距1.2 m×1.5 m(环×纵);二次衬砌采用C30钢筋混凝土。

6.2 K26+758～K26+810段设计

6.2.1 止浆墙设计

为保证管棚施工安全，在K26+740～K26+758段加强支护完成后，利用弃渣对掌子面进行反压，然后施作止浆墙(采用C25混凝土)，止浆墙厚度不小于2 m。考虑后期管棚施作和注浆施工的需要，止浆墙分两层施工，第一层止浆墙施工完后做一个1 m厚的工作平台，平台长12 m，然后再施工第二层止浆墙。止浆墙顺序如下。

(1)回填反压:在K26+740～K26+758段加强支护施作完成后，利用大块弃渣对掌子面附近泥状渣体进行反压，使其更加稳定。在渣体内插入注浆管，注水泥浆，加快渣体稳定，注浆参数根据试验确定。

(2)施工锁脚锚杆:第一层止浆墙施作前将其基础范围内虚渣及泥浆清理干净，并在止浆墙墙基及其与隧洞周边接触处施作锁脚锚杆，锚杆采用φ22 mm全螺纹钢筋砂浆锚杆，锚杆长3 m，间距1 m×0.7 m(环×纵)，双排，外露接茬长度1 m。

(3)第一层止浆墙及工作平台施工:第一层止浆墙高度3.5 m左右，厚2 m，平台长度12 m，厚度1 m。止浆墙施工时在其底部预留2根φ150 mm钢管作为排水孔，将掌子面底部的涌水排出。

(4)第二层止浆墙施工:工作平台混凝土强度达到要求后，施工第二层止浆墙。止浆墙施工时拱部预埋3根φ150 mm钢管，一根作为浇筑混凝土排气孔，同时作为掌子面涌水排水管;另一根作为混凝土输送管道，第三根作为吹沙回填管道，其尾部伸至开挖轮廓线外小于4 m。

(5)空腔回填:止浆墙施工完成后对空腔采用C20泵送混凝土回填，回填厚度不小于拱顶开挖轮廓线外2 m，待该段施工通过后对空腔处采用地质雷达扫描，确定空腔范围，然后确定空腔吹沙回填的厚度。

6.2.2 超前地质钻孔验证

止浆墙强度达到2.5 MPa后在止浆墙面上布置了3个超前地质钻孔，分别布置于拱顶及两侧大跨各一个，采用取芯钻，孔深35 m，孔径89 mm。

将超前地质钻孔结果与TSP及红外探测超前预报成果进行比较，钻孔结果与超前地质预报基本一致。结合TSP与红外探测超前预报及超前地质钻孔分析结果，K26+740～K26+780段原设计为Ⅲ类围岩、K26+780～K26+810段原设计为Ⅱ类围岩，变更为K26+740～K26+758段为Ⅳ类围岩，K26+758～K26+777段为Ⅴ类围岩，K26+777～K26+794段为Ⅳ类围岩，K26+794～K26+810段为Ⅳ类围岩，最终确定采用超前大管棚的施工方案。

6.2.3 超前支护设计

(1)超前支护正面布置

在开挖轮廓线拱部180°范围内设置φ108 mm超前管棚，管棚环向间距40 cm，每环共布置32根管棚，在管棚中间加设R38N自进式注浆锚杆，第一环锚杆环向间距40 cm，从第二环开始锚杆环向间距30 cm。管棚正面布置如图1所示。

图1 超前支护正面布置

(2)超前支护纵向布置

K26+758～K26+794段设置一环φ108超前管棚，管棚长35 m;K26+758～K26+777段R38N自进式注浆锚杆长5 m，纵向间距3.35 m，K26+777～K26+794段R38N自进式注浆锚杆长4.5 m，纵向间距3.2 m，配合钢架使用，可根据实际情况适当调整纵向间距，相邻两排自进式注浆锚杆之间水平搭接长度不小于1 m，管棚纵向布置如图2所示。

图2 超前支护纵向布置(单位:mm)

(3)超前管棚设计参数

钢管规格，热轧无缝钢管，外径108 mm，壁厚8 mm。每节钢管两端均预加工成外丝扣，以便连接接头钢管，每节钢管长4～6 m，钢管同一截面内的接头数不超过管数的50%。管距，环向间距40 cm。倾角，外插角6°～8°，可根据实际情况作适当调整。钢花管上钻注浆孔，孔径10～16 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置，尾部留长度不小于1 m不钻孔的止浆段。

(4)超前管棚注浆采用水泥-水玻璃双浆液

水泥浆液水灰比为0.8∶1(质量比);水泥浆液-水玻璃体积比为1∶1;注浆压力，0.5～2.0 MPa。注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆参数，以保证注浆效果。

(5)R38N自进注浆锚杆长4.5 m或5.0 m，第一环锚杆环向间距40 cm，从第二环开始锚杆环向间距30 cm，外插角10°，可根据实际情况作适当调整，并注水泥-水玻璃双浆液。

(6)注浆结束后长管棚内采用M10水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度。

6.2.4 K26+758～K26+810段衬砌支护设计

超前管棚施工完成后，K26+758～K26+810段按以下措施进行施工。

(1)衬砌支护参数

K26+758～K26+777段，初期支护采用喷、锚、网，全断面设3榀/2 mI20a型钢钢架，全断面喷C20混凝土，厚25 cm;拱部120°范围内设φ25 mm中空注浆锚杆，边墙设φ22 mm全螺纹钢筋砂浆锚杆，锚杆长3.5 m，间距120 cm×100 cm，拱墙设φ8 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm;二次衬砌采用C30钢筋混凝土衬砌，厚50 cm。K26+777～K26+794段，初期支护采用喷、锚、网，拱墙设1榀/0.8 mI16型钢钢架，拱墙喷C20混凝土，厚21 cm;拱部120°范围内设φ25 mm中空注浆锚杆，边墙设φ22 mm全螺纹砂浆锚杆，锚杆长3.0 m，间距120 cm×120 cm，拱墙设φ8 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm;二次衬砌采用C30钢筋混凝土衬砌，厚45 cm。K26+794～K26+810段，初期支护采用喷、锚、网，拱墙喷 C20混凝土，厚10 cm;拱部120°范围内设φ22 mm全螺纹钢筋砂浆锚杆，长2.5 m，间距120 cm×150 cm。二次衬砌采用C30钢筋混凝土衬砌，厚35 cm。

(2)施工方法

建议采用台阶法施工。

(3)回填灌浆、固结灌浆、排水孔设计。

7 施工注意事项

(1)施工过程中应设置专门的安全员，观察洞内，特别是掌子面的情况，如有异常应立即将人员及机械设备撤离至安全地带。

(2)施工中应加强排水措施，做好排水准备工作，以防止施工中大量涌水形成危害;准备好抢险材料，做好抢险准备工作。

(3)管棚需按设计位置施工，注意运用测斜仪进行钻孔偏移度测量，严格控制管棚打设方向，并做好每个钻孔地质记录。

(4)为保证长管棚及自进式注浆锚杆的支护效果，尽量减小管棚及自进式注浆锚杆的的外插角，可在型钢钢架腹板开孔以穿管棚及小导管，钢管尾部应与钢架焊接。

(5)管棚施工时应对钢管主要材料进行材质检验。

(6)管棚钻孔选用钻机首先应适合钻孔深度及孔径的要求，钻机要求平稳灵活，能在水平360°范围内钻孔，施钻时应有导向架。

(7)钻孔时须在孔口管上安装高压防突球阀，在钻孔过程中一旦发生突泥涌水事故时，应立即停止钻进，关闭防突球阀，连接注浆管路进行注浆。

(8)施工期间应遵守隧道施工技术安全规则和钻眼注浆作业操作规则。

(9)管棚施工地段，应根据有关规定，加强监控量测，确保施工安全。

(10)止浆墙拆除应按先拱部后边墙，并及时架设钢架的除原则，尽可能采用人工拆除，当人工拆除困难时，采用弱爆破进行，严格控制装药量及进尺，避免爆破引起较大的振动。开挖进尺应控制在1榀钢架的距离。

(11)隧洞的开挖长度应小于自进式注浆锚杆的预支护长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙;开挖掌子面根据地质条件采用喷C20混凝土进行封闭，厚10 cm。

(12)开挖过程中如掌子面突然出水量增大、岩屑异常或围岩急剧变形，应立即撤走施工人员及机械设备。

(13)K26+740～K26+758段二衬施工前应进行断面净空量测，若该段净空不能满足二次衬砌要求，应将该段补强的初期支护拆除，以保证二次衬砌厚度。

8 结语

秦岭隧洞在该段埋深大，围岩为石英岩、片麻岩夹花岗岩不整合接触带，受构造作用影响岩体破碎，遇水软化、泥化，围岩自稳能力差，是造成该段围岩突泥涌水的主要原因。在施工中先期安排超前地质预报，再实施超前水平钻孔验证，然后采取超前大管棚配合水泥-水玻璃双液注浆进行止水加固，取得了加固围岩和超前支护的双重效果，整个施工过程安全、顺利。实践证明，洞身超前大管棚配合水泥-水玻璃双液注浆是隧洞穿越地下水丰富的软弱围岩地段的有效方法。

［1］ 廖书志.秦屿隧道涌泥段的处理［J］.石家庄工程地质学报，2007，20(2):127-129.

［2］ GB50487—2008 水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］ 铁建设［2008］105号 铁路隧道施工地质超前预报技术指南［S］.

［4］ TZ204—2008 铁路隧道工程施工技术指南［S］.

［5］ 铁建设［2010］241号 高速铁路隧道工程施工技术指南［S］.