福宝山隧道涌水突石施工处理技术

邓明高

摘 要：福宝山隧道DK254+983～DK261+207段因涌水突石造成隧道塌腔，通过详细的技术分析，针对不同区段具体情况采用有效措施进行治理，成功进行了涌水突石灾害处理，实现安全、快速施工，可供类似工程参考。

关键词：隧道 涌水突石 塌腔 迂回施工

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0070-02

1 工程概况

渝利铁路福宝山隧道位于湖北省利川市境内，隧道穿越地层岩性主要为砂岩、页岩夹煤线及泥岩夹泥灰岩、泥质灰岩、页岩，岩质较软，暴露后易风化，遇水后易软化。具有向斜为储水构造，在其轴部含水量丰富，设计预测隧道正常涌水量为8978 m3/d，预测隧道最大涌水量为32900 m3/d。主要不良地质为涌水、膨胀岩、顺层、瓦斯。该隧道为本标段控制工程，也是全线重难点控制工程之一。

2011年4月22日，福宝山隧道（通过DK259+016处斜井）施工至DK257+578处，掌子面出现大涌水，实測最大涌水量达51700 m3/d。隧道涌水水位上涨高度最高达到12 m，正洞被淹约700 m，斜井被淹约260 m。至4月30日18：00，洞内的积水全部抽排至洞外，暴露掌子面被洞渣及涌出的塌腔体覆盖，线左拱腰处附近出现一股急涌水，掌子面涌水量约30000 m3/d；塌腔体为小块状块石，直径约3～10 cm，夹碎颗粒及粉尘物。5月9日，掌子面上前方露出一大的塌腔，经超前水平钻孔探测溶腔最大高度达23 m，纵向长度15 m，宽16 m，溶腔侧壁围岩破碎，有掉块现象。

经现场踏勘，开挖揭示岩性为三叠系中统巴东组第三段（T2b3）地层，为灰～深灰色薄层状泥灰岩夹薄层页岩，受福宝山向斜影响，倾角较缓，节理裂隙发育；在较大涌水发生之前，掌子面的拱顶及左边墙有基岩裂隙水呈滴状、线状渗出，水量较小；2011年4月22日下午施工至DK257+578处，掌子面出现较大涌水，最大涌水量达51700 m3/d，主要为静态储量，其余为动态储量；经TSP检测及超前钻孔揭示，该段围岩较破碎，围岩自稳能力较差，初步探明破碎带长度为60 m。经综合分析，造成本次隧道涌水突石的主要原因是隧道穿越围岩构造极破碎富水带，围岩自稳能力较差。

2 涌水突石处理方案

根据现场情况，经现场踏勘和超前地质预报分析，遵循“以梳为主，堵排结合、因地制宜、综合治理”的原则，制定了“先采用迂回导坑避绕正洞富水带，待正洞掌子面水量减少，施工条件具备后再进行正洞施工”的处理方案，并按如下流程组织施工：相邻初支变形段处理→塌方段掌子面加强处理→迂回导坑施工→坍方段正洞施工，分段处理。

2.1 掌子面相邻初支变形段的处理

与塌方掌子面DK257+578相邻的DK257+600～+578段设计为Ⅳ级围岩，岩性为T2b2泥岩夹砂岩、页岩，衬砌类型为Ⅳ级围岩复合式衬砌。由于突泥造成该初支拱顶沉降量较大且已侵限，存在施工安全隐患。处理措施为以下几方面：

（1）围岩级别维持原设计Ⅳ级不变。

（2）拱部180°范围内架设工18型钢钢架进行临时支撑，临时钢架1m/榀。

（3）拱部180°范围采用Φ42小导管径向注浆加固，小导管单根长3.5 m，换纵间距1.2 m×1.2 m，梅花形布置，浆液采用水泥净浆，加固后凿除已侵限部分。

（4）采用Ⅳ级Ⅰ型复合衬砌，采用I18型钢钢架进行加强支护，钢架1 m/榀。

2.2 DK257+578～+572坍塌段掌子面处理

该段原设计为IV级围岩，开挖揭示岩性为三叠系中统巴东组第三段（T2b3）地层，为灰～深灰色薄层状泥灰岩夹薄层页岩。在DK257+578掌子面上前方露出一大的溶腔，溶腔最大高度达23 m，纵向长度15 m，宽16 m，溶腔侧壁围岩破碎，有掉块现象。采取处理措施如下：

（1）围岩级别由IV级变更为V级。

（2）对掌子面采用φ89大管棚支护，管棚单根长15 m，打设范围为拱部140°，环向间距0.4 m。

（3）采用V级Ⅱ型加强复合式衬砌，加强支护采用全环工20b型钢钢架，钢架0.6 m/榀，上台阶拱部初期支护钢架外设置第二层工20b型钢钢架形成加强护拱，内外层钢架喷C25砼厚度合计50 cm。

（4）在初期支护钢架铺设过程中，于外侧钢架上铺设一层6 mm厚钢板，并预留后期泵送砼通道，待初期支护强度达到设计要求后，泵送C20砼回填拱顶空腔，形成护拱，护拱厚2 m。

2.3 DK257+608～+458段迂回导坑施工

坍塌段掌子面开挖揭示为灰～深灰色薄层状泥灰岩夹薄层页岩，岩层为：N17°E/12°S，受福宝山向斜影响，倾角较缓，节理裂隙十分发育，且拱部上方突发大量填充物涌出，存在区域构造、地下水、围岩特性、工期等不利影响。经综合分析，隧道穿越构造破碎的富水带，当前掌子面涌水量大，初期支护施工困难，拱部易坍塌，存在极大的安全隐患，为了探明前方地质情况和为正洞富水带泄水，同时确保施工确工期，决定在平行于线路方向左侧设一迂回导坑，迂回导坑与正洞相交与DK257+608，与正洞净间距10 m，其长度暂定为100 m。

迂回导坑断面参照V级单车道锚喷衬砌施工，支护按拱墙I16工字钢间距1.0 m/榀施作，拱部采用Ф42小导管作超前支护，环向间距0.4 m，纵向2 m，每根长3 m。为解决正洞拱部水量较大的问题，导坑截水面应尽可能靠近拱部，并增设一定数量的截水孔，以确保泄水效果。

根据现场实际地址情况，于DK257+466

处拐向正洞，和正洞相交于DK257+458。

2.4 DK257+572～+470坍塌段正洞处理

按照边施工、边核实的原则，逐段对DK257+572～+470段实际地质情况进行了核实，制定了有针对性的施工措施，确保现场施工与工程结构安全。

2.4.1 DK257+572～+560段处理措施

该段原设计为IV级围岩，岩性为T2b2泥岩夹砂岩、页岩；开挖揭示岩性为三叠系中统巴东组第三段（T2b3）地层，掌子面为灰～深灰色薄层状泥灰岩夹薄层页岩，岩层产状为：N17°E/12°S，受福宝山向斜影响，倾角较缓，节理裂隙发育。现场测试DK257+572掌子面涌水量约12000 m3/d，涌水呈散状流出，拱部较大，采取处理措施为以下几方面：

（1）先迂回导坑超前正洞施工，在正洞掌子面水量减少，具备施工条件后再进行正洞施工。

（2）清除突出填充物，出量共计约6200 m3。

（3）拱部轮廓线以外采用中空φ60自进式锚杆进行支护，锚杆环向间距0.3 m，长度15 m，打设范围为拱部打设范围为拱部140°。

（4）由IV级围岩变更为V级围岩，二衬采用V级Ⅱ型加强复合式衬砌，加强支护采用全环I20钢架0.6 m/榀，上台阶范围在钢架外设置第二层I20b钢架形成加强护拱，间距0.6 m/榀，内外层钢拱架喷C25砼厚度合计50 cm。

（5）上台阶采用φ75钢管进行临时支撑，间距1.2 m，掌子面打设3～5个排水钻孔。初期支护后采用φ42小导管对拱部围岩进行徑向注浆，间距1 m（环）×1 m（纵），取消拱部中空锚杆，护拱达设计强度后泵C20混凝土形成溶腔结构保护层，厚度为2 m，再在外层注1 m厚水泥砂浆作为缓冲层。

（6）中台阶开挖：左右侧错开进行，采用拉槽方式开挖，以减少对围岩的扰动。并及时接长钢架，钢架连接牢固，并在连接处施作锁脚锚管，锁脚锚管不少于4根，长度不小于4 m，倾角控制在45°左右，布置在钢架两侧，与钢架焊接牢固。及时喷射混凝土进行封闭。

（7）下台阶开挖：左右侧错开进行，采用拉槽方式开挖，以减少对围岩的扰动。并及时接长钢架，钢架连接牢固，并在连接处施作锁脚锚管，锁脚锚管不少于4根，长度不小于4 m，倾角控制在45°左右，布置在钢架两侧，与钢架焊接牢固。及时喷射混凝土进行封闭。

（8）仰拱施工：每环开挖长度严格控制在3 m以内，开挖到位后立即对仰拱底进行喷混凝土封闭并连接仰拱钢架。并及时施工仰拱混凝土。防止仰拱开挖引起边墙部位支护失稳。

（9）排水施工：加密环向排水盲管，间距3～5 m，对集中用水点采用排水盲管直接引至隧道侧沟。

（10）加快后续工序施工，及时进行二衬施工，做到“紧衬砌”。

2.4.2 DK257+560～+530段处理措施

（1）围岩级别由IV级变更为V级。

（2）采用V级Ⅱ型加强复合式衬砌，加强支护采用全环工20b型钢钢架，钢架0.6 m/榀，上台阶范围在钢架外侧设置第二层工20b型钢钢架加强形成护拱，内外层钢架喷C25砼厚度合计50 m，上台阶采用Ф75钢管进行临时支持，间距1.2 m，掌子面打设3～5个排水孔。初期支护后采用Ф42小导管对拱部围岩径向注浆加固兼堵水，小导管换纵向间距1.2 m×1.2 m，单根长3.5 m，并取消拱部系统锚杆。

（3）拱部开挖轮廓线以外打设T60自进式锚杆加强支护，锚杆环向间距0.3 m，单根长12 m，打设范围为拱部140°，取消拱部超前小导管，纵向10 m一环。

（4）环向盲沟纵向间距加密至5 m一环，对集中出水点采用盲管直接引至隧道侧沟。

2.4.3 DK257+530～+470段处理措施

（1）围岩级别由IV级变更为V级。

（2）采用V级I型加强复合式衬砌，加强支护采用全环工20b型钢钢架，钢架0.6 m/榀。

（3）采用双层Ф42小导管超前支护，小导管单根长3 m，环纵向间距0.4 m×1.2 m。DK257+530处拱部开挖轮廓线以外打设T60自进式锚杆加强支护，锚杆环向间距0.3 m，单根长12 m，打设范围为拱部140°，纵向10 m一环。

2.4.4 DK257+455～+450段仰拱涌水处理

隧道施工至DK257+455～DK257+450段中心水沟附近时，仰拱出现比较集中的出水点，范围约为直经为5 m左右的圆形。地下水从路肩溢出，且具有一定承压性，实测涌水量约12000 m3/d，水量大小的变化并不明显，基本在8000～12000 m3/d的范围内。设计在隧道仰拱面勘探结果显示，在2～12.5 m范围内，岩体较破碎，局部有空溶洞及一类异常区，12.5 m以下岩体较完整。根据分析研究采取处理措施如下。

根据钻孔揭示，对溶洞采用泵送C25细石砼填充方式处理，先利用已有钻孔采用Ф89钢管深入到仰拱底溶洞内，并从钢管泵送C25细石砼充填该溶洞，待泵送砼将溶洞充填饱满后，采用砼封堵钻孔。

3 现场实施及效果

2011年6月23日，迂回导坑掌子面施工至对应正洞里程DK257+508，根据掌子面围岩地质及涌水量情况，导坑需继续发挥超前截水及超前探测的作用，决定延长泄水洞长度，暂定50 m。

2011年7月4日，迂回导坑掌子面施工至对应正洞里程DK257+466，根据掌子面地质情况显示，迂回导坑已具备拐入正洞施工条件，停止向前掘进，开始拐向正洞，和正洞相交于DK257+458。

根据综合超前地质预报，结合现场施工揭示情况，采用迂回导坑超前正洞施工，达到了为正洞探明前方地质情况和为正洞富水带泄水的目标，为正洞施工创造了有利条件。通过采取掌子面打设3～5个排水孔进行集中排水，拱部开挖轮廓线以外打设φ89大管棚或中空φ60自进式锚杆或φ42小导管进行超前支护，上台阶拱部采用双层钢架护拱加强、初期支护后采用φ42小导管对拱部围岩径向注浆加固，加密环向盲管对涌水进行集中引排等处理措施，DK257+578～DK257+458段涌水突石段实现安全、快速施工。同时，通过加强隧道进口和斜井两个工作面的施工组织，本隧道于同年9月3日实现全隧贯通，确保了该隧道的节点工期目标及施工安全。

4 结论与建议

经过现场实践，在涌水突石灾害易发地区，我们认为应注重注意以下几点。

（1）严格隧道施工阶段的风险管理，尤其是根据初步设计结合现场查勘事前做好风险评估，灾害预警及应急预演。

（2）将“隧道超前地质预报”和“隧道监控量测”纳入隧道施工工序管理，为信息化施工提供保障。

（3）加强施工动态管理，施工过程中，需建设、设计、监理、施工等各方，实事求是地逐段核实，及时进行动态设计。在处理过程中，一般10～20 m组织一次四方现场核实。

（4）遵循“以梳为主，堵排结合、因地制宜、综合治理”及“管超前、严注浆、短进行、弱爆破、勤量测、早封闭”的原则，选择适合的隧道防坍施工技术方案。

（5）确保风险控制与防范措施落实到掌子面，严格坚持“五不开挖”原则，即：不探明地质情况不准开挖；不确定施工方案不准开挖；不做好监控量测不准开挖；防护措施不到位不准开挖；地质情况发生重大变化不准开挖。

（6）推行项目标准化管理，切实加强现场管理与过程控制，严格执行工序质量控制“三检”制度，确保隧道注浆、支护、排水、安全步距等工序质量安全管理可控。

（7）加强沟通，及时反馈信息。地质预测预报或施工过程中发生较大地质变化时，必须及时将情况反馈到业主、设计和监理等单位，不得擅自处理，避免处理不当留下安全隐患或引安全质量发事故。

参考文献

[1] TZ204-2008铁路隧道工程施工技术指南[S].

[2] 冯卫星，况勇，陈建军.隧道坍方案例分析[M].成都：西安交通大学出版社，2002.