大涌水、大变形的极软岩隧洞施工技术

谢天智

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊宁835000）



大涌水、大变形的极软岩隧洞施工技术

谢天智

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆伊宁835000）

摘要：常规钻爆施工是隧洞工程施工较为成熟的施工方法，但在施工过程中针对大变形、大涌水等地质问题所采用的处理措施不尽相同，取决于边界条件、施工经验及经济成本等因素。本文就隧洞施工所面临的问题，开展了有针对性的研究，应用于施工实践，特别是围岩大变形的支护措施和排、堵水措施取得明显效果，科学可靠的施工技术使施工安全、施工质量和工程进度得到了保障。

关键词：软岩隧洞；大涌水、大变形；钻爆施工；分析

1　工程地质条件

某隧洞工程穿越的地层为上第三系泥岩、砂质泥岩、砂岩及砂砾岩，其中泥岩、砂质泥岩具有弱膨胀性，部分砂岩具有弱膨胀性。砂砾岩、含砾砂岩属非崩解性；泥岩的耐崩解性指数的差异性较大，大部分泥岩、砂岩属中等的耐久性，少部分件属极低的耐久性。洞段地应力值为4.5～9.3MPa，围岩强度与应力的比值为0.04～0.11。钻孔揭露到部分泥岩呈可塑状，砂岩和砂砾岩呈松散状，钻探过程中在孔深140m以下多次出现缩孔现象。泥岩、砂质泥岩透水性较弱，透水率多小于0.5Lu，砂岩、砂砾岩的透水性较强，透水率多大于1Lu，两种透水性具有差异性的岩层相间分布。有多个钻孔揭露，相对富水的砂岩、砂砾岩段存在承压水，其中JDZK28钻孔揭露的承压水水位达1532.9m，高出地面110m，高出隧洞270m。

2　软岩隧洞大变形、大涌水特点与施工难点

2.1 隧洞大变形特点与施工难点

2.1.1 软岩大变形的特点和形成机理

软岩大变形问题常见于低强度围岩中，如变质岩、煤系地层等。大变形的发生形势较为迅速，且较难抑制，危害较大，严重影响了钻爆法的施工。如果施工技术人员不能对施工环境变化做出正确的判断，可能引发严重的安全事故［1］。大变形的形成机理主要分为下列三种。

（1）挤压变形，隧洞开挖后形成的围岩应力重新分布，使得软岩自身强度降低。

（2）地下水会对隧洞造成影响，地下水在运动过程中将对岩体颗粒形成动力作用，对岩体造成一定程度的损坏，降低了岩体强度，提高了岩体孔隙率，利用钻爆法开挖施工时，围岩的自稳能力将变差，同时页岩和泥岩在水的作用下发生软化，围岩工程力学强度降低［2］。

（3）膨胀变形，岩石中的粘土矿物与水发生反应，体积逐渐膨胀，产生软岩变形，在盐类矿物中较为常见。

2.1.2 软岩大变形施工难点

根据大变形洞段岩石力学特征，设计提出变形量，最大变形沉降值为30cm，而且不同洞段变形值不同，同时受地下水影响，所揭露出的地质条件与勘测阶段所提供的地质资料差异性比较大，这给工程施工过程造成了十分巨大的困难。主要表现在：预留变形值的设置、采用台阶的长度和核心土挖除时间控制、钢支撑尺寸选择和辅助超前支护系统的配合及施作位置等，同时施工人员经验和对施工措施的掌握和领悟也是主要控制对象。

2.2 隧洞大突涌水特点与施工难点

2.2.1 大涌水的特点

隧洞洞轴线处在地下水位线以下，主要为承压水、断层裂隙水、不整合面承压水和水囊，由于受地层的成因的影响，富水位置难以准确判断，施工过程中突涌水最大值达到了7500m3/d。随着施工的进行，地下水对围岩强度和稳定性造成影响，围岩的地质条件恶化，对工程施工带来了极大的影响，延长了施工周期［3］。钻爆法施工过程中，机械扰动会给围岩结构造成一定的影响，必然会不同程度地破坏含水围岩的力学性质，暴露出部分导水通道，最终形成涌水、突水灾害。

2.2.2 大涌水施工难点

（1）隧洞工程施工中，涌水现象难以避免，不同的隧洞工程，涌水程度的大小也不同，软岩洞段涌水现象一旦发生，将以较高的压力喷出，严重破坏了围岩的稳定性，甚至淹没隧洞，造成塌方，威胁着施工人员和施工设备的安全［4］。

（2）受到水压的影响，隧洞的内部结构受到破坏，隧洞工作面可能发生变形甚至塌方，威胁施工人员和施工设备的安全。

（3）大涌水导致施工强度降低，延长了施工周期。涌水现象一旦发生，可能在较长一段时间内无法继续进行爆破施工，必须先针对涌水灾害进行分析，制定合理的解决方案，采取合理的手段堵水防水［5］。

3　软岩隧洞大变形、大涌水的主要施工技术

3.1 大变形洞段施工技术

施工过程中，大变形与突涌水常常相伴出现。针对软岩洞段的地质结构特点和施工难点，采取了一系列有针对性的措施。每一具体开挖及支护措施依照设计图纸和超前地质预报资料进行。施工过程中采用TRT6000地质雷达预报系统，根据预报显示出的前方地质数据采取相应的施工措施。

3.1.1 预留变形量

对软岩洞段周边进行位移监测，在隧洞开挖过程中，主要监测隧洞内壁两点连线方向的相对位移或监测点的绝对位移量［6］。隧洞周边位移是围岩应力状态变化的最直观反映，周边位移监测数据可以分析围岩变形规律及判断隧洞空间稳定性提供可靠信息；根据变形加速度、变形速度来判断隧洞围岩的稳定程度，为衬砌支护的合理支护时机提供依据，判断初期支护设计与施工方法选取的合理性；采用统计分析和现场量测相结合的方法对穿越软岩等复杂地质条件下预留变形量的选取进行研究，并结合上述数值模拟提出合理的隧洞预留变形量，为后续工程提供参考。

3.1.2 短台阶法施工

在对围岩进行合理支护后，选择合适的短台阶法，循环进尺为0.6m，分上、下台阶预留“核心土”的方法进行开挖，上台阶与下台阶的距离在5m左右，下台阶与仰拱的距离在15m以下，下台阶掌子面与二次衬砌的施工距离在50m以下，在仰拱的作用下，围岩变形将得到抑制，与相应的支护方式结合后可控制软岩大变形。

3.1.3 施工过程中降低对围岩的扰动

施工过程中严格控爆破参数，降低钻爆对围岩的扰动，优化爆破技术，对循环尺寸进行合理控制，采用预支护的辅助方式对围岩变形进行控制，对破碎的围岩及时加固［7］。

3.1.4 局部采用了管棚附加小导管超前支护技术

（1）超前支护管棚采用Φ108mm，长度30m，外插角3°，间距35cm，管棚布设在上台阶开挖180°范围。每环管棚之间搭接长度5m，前方掌子面搭接长度5m。管棚钻孔直径Φ150mm，管棚钢管采用直径Φ108mm的无缝钢管，管棚内安装3φ25，长度25m（钢筋采用圆钢）的锚筋束。锚筋束采用φ8的钢筋，每隔2m焊接一组环形支架，并在锚筋束上安装一根Φ15mm的PVG排气管。排气管长度30m，并与锚筋束绑扎牢固。管棚孔单序孔时管棚前端26m为“花管”，尾部4m段为“死管”。钢花管采用在钢管壁钻孔，其纵向、横向间距为15cm，并保证同一截面的接头数不得超过管数的50%。双序孔时不设置“花管”，全部为“死管”。

（2）对已安装完成的管棚进行注浆，顺序为从两侧底板向顶拱方向进行注浆，注浆采用HSG（含水细沙型）水泥浆，水灰比为0.8∶1，并掺加1‰的硼酸，灌浆压力1.5～2Mpa，灌前采用1cm厚钢板将管口封闭，并焊接1寸钢管，作为灌浆管，灌浆管上设置1寸球阀。管棚注浆分为两部分，首先进行管棚内部注浆，结束标准为排气管返浓浆即可结束。排气孔回浓浆后，封闭排气孔，进行管棚四周岩石注浆，结束标准为吸浆量不大于0.4L/min，持续灌浆10～15min，即可结束。灌浆的目的为加强管棚的强度，同时对前方岩体进行补充固结。

（3）管棚施工完成后，在两根管棚间布设Φ42mm，L =4.5m超前小导管，进行超前补充支护，小导管环向间距35cm，外插角度为5°，其布置数量可根据灌浆效果进行随机加密，以保证两根管棚之间岩体灌浆密实为原则。小导管前端2.5m为“花管”，尾部2m段为“死管”。花管采用在钢管壁钻孔，其纵向、横向间距为15cm，并保证同一截面的接头数不得超过管数的50%。小导管注浆采用HSG（含水细沙型）水泥进行灌浆，注浆压力0.5MPa，水灰比0.8∶1，并掺加1‰的硼酸。结束标准为在设计压力下，灌浆段的吸浆量不大于0.4L/min，持续灌浆10～15min，即可结束。

（4）超前支护完成后进行短进尺开挖支护施工，支护采用HW150钢支撑，间距60cm、φ8、100mm×100mm的双层钢筋网片及喷G30混凝土10c～20cm进行封闭，两榀钢支撑之间采用10#槽钢进行连接，槽钢间距50cm，局部根据现场实际情况增加随机锚杆，并采用3排Φ25，L =3.5m锁脚锚杆对钢支撑进行锁定，每排锁脚锚杆2根，钢支撑左右各布置1根，锁定锚杆无法施工的部位，可采用水平钢支撑进行对撑，对钢支撑底部喷G30混凝土进行加固，钢支撑底部设置底“靴”，局部采用长度3m的Φ22自钻式锚杆或采用Φ28的预应力锚杆对钢支撑进行锁定。

（5）对于掌子面及边墙突发掉块、出水量增大或掌子面发生“鼓肚”现象情况，采取预防处理措施。轻微的掉块、渗水现象，采用湿喷台车对掌子面进行喷混凝土进行封闭；如掉块加剧、出水量加大、掌子面出现鼓肚现象，及时采用方木、木板堆积掌子面，并使用砂袋将掌子面全部堵死压实，然后在砂袋出露面上进行挂网喷混凝土施工，喷混凝土封闭前在砂袋内预埋引水管排水。边墙及掌子面根据岩石出露后的地质情况采用小导管注浆进行随机支护，保证掌子面及边墙围岩稳定［8］。

（6）施工过程中加强安全检测。在支护钢支撑上顶拱及两侧拱肩部位布置三个收敛观测点，构成封闭三角形，采用收敛计按设计要求进行观测，观察顶拱钢支撑变化情况。

3.2 隧洞大突涌水施工技术

针对软岩洞段大涌水灾害的治理，国内外已形成了较为成熟的方法，即以引排和封堵为主要手段。

（1）前期采用地质钻机在掌子面布置5个超前地质勘探孔，其中顶拱附近一个，腰线附近布置2个，底板附近布置2个，孔深50m，探明前方岩石的具体情况及出水量情况。后期根据前边掌握的岩石及出水量情况，可采用TRT6000辅助红外线探水仪进行超前地质勘探，预报掌子面前方围岩的富水情况。

（2）根据预报结果，如果前方有较大的裂隙水和水囊，通常采用堵水措施解决，对掌子面进行预灌浆。采用100B钻机钻孔，钻孔间距2m，钻孔时设置孔口管及高压阀门，钻孔深度20m。灌浆压力根据出水压力和水量确定，灌浆材料采用油溶性聚氨酯灌浆材料、水溶性聚氨酯灌浆材料和普通水泥灌浆材料。

灌浆孔口涌水量大于50L/min时，采用SY-油溶性聚氨酯灌注；

灌浆孔口涌水量小于50L/min大于10L/min时，采用SY-水溶性聚氨酯灌注；

灌浆孔口涌水量小于10L/min时，采用HSG超细水泥灌浆。

（3）根据预报结果，掌子面前方有承压水出现，则在腰线以下布置4～6个超前导水孔，超前导水孔钻孔直径Φ130mm，外插角度5°，孔深20m。根据掌子面出水的实际情况调整导水孔钻孔位置及数量。导水孔采用管棚钻机跟Φ110mm无缝钢管进行施工，单孔完成后在孔口位置设置高压阀门，导水管前端16m为“花管”，尾部4m段为“死管”。

（4）灌浆完成后在设计轮廓线上布置检查孔，进行灌浆效果检查，达到预期效果后进行超前支护施工。

4　结语

在大变形、大涌水隧洞的施工过程中，通过超前地质预报技术、针对性的施工方案研究和施工过程的执行控制，隧洞工程顺利完工。在方案研究中对可靠性和适用性方面做了大量的分析和对比，并经过论证讨论后予以实施。虽然大变形、大涌水隧道施工有很多成功案例，但不同的工程有不同的施工特点，希望本案例的成功经验能为今后类似隧道工程施工提供参考。

参考文献

［1］王晋生.隧道涌水大变形处理技术［J］.现代隧道技术，2010 （06）.

［2］闫瑞生.西安地铁隧道涌水大变形及坍方处理技术［J］.现代隧道技术，2013（06）.

［3］李方东.溶蚀断层破碎带涌水突泥施工及治理技术［J］.华北工业大学，2012（06）：34.

［4］柴建峰，伍法权，常中华，等.南水北调西线一期工程区断层活动性及工程地质评价［J］.吉林大学学报（地球科学版），2005（01）.

［5］王月栋，谭志勇，刘志明，等.复杂地质条件下的隧道施工技术［J］.隧道工程技术，2012（09）：20.

［6］李国安.广梧高速公路隧道地质灾害处治技术［J］.公路交通技术，2012（05）：122.

［7］付伟.当金山隧道地质灾害与超前地质预报预警分析［J］.铁道勘察，2014（04）：54.

［8］夏孝维.高地应力软岩隧道施工方法与监测［J］.四川大学学报（科学版），2013（09）：48.

作者简介：谢天智（1983年—），男，工程师。

收稿日期：2015-08-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.035

中图分类号：TV554

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0094-04