隧道穿越破碎带富水围岩防水施工关键技术

2016-09-15刘明才

西部探矿工程 2016年4期

关键词：半圆止水带环向

刘明才

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000）

隧道穿越破碎带富水围岩防水施工关键技术

刘明才*

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000）

以潮（州）惠（州）高速公路莲花山2号隧道为背景，施工过程中充分发挥超前地质预报、监控量测对现场实际施工的指导作用，介绍了隧道穿越破碎带富水围岩段防水工程施工方法及施工控制关键技术，对类似工程施工具有借鉴作用。

大跨隧道；破碎带；富水围岩；防水施工；关键技术

目前我国运营的公路隧道已出现诸多病害影响到行车安全，在诸多病害中以隧道渗漏水现象最为突出和常见。如何在隧道施工阶段切实提高防排水工程质量，是从根本上解决隧道渗漏水病害的主要措施。本文以潮（州）惠（州）高速公路莲花山2号隧道左洞ZK201+350～ZK201+400段为背景，展开关于破碎带富水围岩条件下的隧道防排水工程施工关键技术研究。

1　项目背景

1.1工程概述

潮（州）惠（州）高速公路莲花山2号隧道起于汕尾市海丰县赤石镇，止于惠州市惠东县多祝镇，隧道左线长5140m，右线长5108m，设计为双向六车道特长隧道，主洞最大开挖跨度为17.65m，最大开挖面积为169.2m2，是全线关键控制性工程。

1.2地形地貌

隧道区属丘陵地貌，地形起伏较大。隧道范围内中线高程118～695m，最大高差578m。山体自然坡度20°～35°，植被较发育。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。隧道区潮州端洞口附近仅有狭窄山路通过，惠州端洞口有简易道路通过，交通条件差。

1.3工程水文地质

隧道区属新华夏系东亚第二个隆起褶皱带南段粤东沿海地区与南岭东西复杂构造带南缘交接复合部位。区内各类构造横斜展露，形迹较为明显。主要发育北东向构造形迹，北东向断裂带控制地形地貌，是隆起和坳陷的分界线。

隧道区地表水较发育，莲花山以东属于黄江水系，最终流入南海，莲花山以西属于珠江流域中的东江水系。隧址区地表水体为位于狭窄沟谷内的溪流，多属于季节性溪流。该区冲沟发育，汇水面积大，水位及流量受季节控制明显，旱季水量较小或干枯，雨季大量雨水沿两侧坡体汇入溪流，水量变化大，具暴涨暴落的特点。

2　破碎带富水状况分析

2.1富水状况

ZK201+350～ZK201+400段隧道埋深413～424m，该段为Ⅳ级围岩，围岩主要为微风化花岗斑岩，受构造影响，节理裂隙发育，岩质较坚硬，岩体破碎，Rc= 57.0MPa，Kv=0.30，K1=0.20，K2=0，K3=0，［BQ］=316，围岩自稳能力较差，无支护时拱部可能产生小型坍塌，侧壁可能产生掉块，洞室周边有淋雨状出水。隧道开挖后轮廓面裂隙水呈淋雨状出水，局部呈股状喷出岩面。

2.2施工难点分析

（1）围岩节理发育、岩体破碎，若辅助措施及初期支护不当，易出现掌子面垮塌或初期支护变形。

（2）隧道开挖后轮廓面裂隙水呈淋雨状出水，局部呈股状喷出岩面，造成喷射砼施工难度大，喷射砼随水流散落或在砼未上强度时大面积掉块。

（3）本段围岩节理发育，岩体破碎，淋雨状出水，防排水施工控制不当，易出现二衬渗漏，给后期隧道运营安全带来隐患。

3　施工控制关键技术

3.1及时超前地质预报

按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则采用多源协同预报技术，将地质描述与洞内物探、钻探相结合。开挖至该破碎带前100m左右时，首先采用长距离TSP探测；待接近破碎带掌子面约20m处采用地质雷达进一步探测，并利用超前钻孔进行验证。综合分析预报成果，以指导和确定支护参数。

3.2优化支护参数

ZK201+350～ZK201+400段结合超前地质预报，根据开挖后实际暴露围岩，此段围岩裂隙水极发育，围岩破碎。原设计支护参数难于满足施工技术、工程质量及施工安全要求，为增加初期支护抵抗围岩变形的早期强度，采用I18工字钢替代15cm×20cm格栅钢架，锁脚采用∅42mm锁脚锚管替代∅22mm锁脚锚杆，超前采用∅50mm超前小导管替代∅22mm超前砂浆锚杆，拱部径向锚杆采用∅42mm注浆导管替代∅22mm药卷锚杆。支护参数具体优化方案见表1。

3.3径向注浆止水

表1　支护参数优化对比一览表

拱部采用∅42mm注浆导管对周边破碎围岩进行径向注浆加固，形成围岩—支护承载环，抑制围岩变形，封堵地下水。导管采用外径42mm，壁厚4mm的无缝钢管，钢管长5m，管口段0.5m范围内钢管不开孔，其余按15cm间距交错设置注浆孔，孔径8mm，梅花型布设于隧道拱顶120°范围，间距1.2m×1.0m（环向×纵向）。注浆采用水泥—水玻璃浆液，水泥浆水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃浓度35°Be，注浆压力1.0～2.0MPa。注浆压力达到设计终压2.0MPa并继续注浆10min以上或注浆量达到设计注浆量，进浆量一般在20～30L/min以下。从注浆过程中的各种记录资料分析，注浆压力和注浆量变化是否合理、注浆前后地层声波速度的大小对比来判断浆液填充的密实程度。

3.4优化排水通道

3.4.1初支内增设环向排水

为更好的将初期支护内裂隙水集中引排，防止喷射砼表面出现大面积渗漏水，在喷射混凝前先在岩面或初喷面敷设∅100m环向半圆管形成排水通道。喷射砼时加大速凝剂用量，使喷射砼快速凝固，并进行连续喷射，且在围岩主裂隙处不喷射砼，使水流能集中于主裂隙内而流入环向半圆管。当岩面大面积淋水时，应先用排水半圆管集中引排，上覆铁丝网后再喷射砼。环向半圆排水管安装时应使环向半圆管密贴初喷面或岩面。喷射砼时不能将排水半圆管冲击、损伤或冲掉，并尽可能将其覆盖。一定要将环向半圆管通过三通管接入纵向排水管。

3.4.2连通排水通道

（1）环向排水采用∅100mm半圆管排水管敷设于初支表面，正常段每道一根，半圆管与喷射砼面密贴，其设置间距按5m一道设置，局部水量大时可酌情增加。∅100mm环向排水半圆管在渗水较严重部位每道2根并列使用。

（2）全隧两侧通长设置纵向∅100mm网状硬式透水管，纵向坡度与隧道相同。纵向∅100mm网状硬式透水管与横向∅100mmPE管采用三通连接。

（3）全隧设置横向∅100mmPE管，纵距10m，横向排水管横坡为15%。将纵向排水管与侧式排水暗沟连通。

3.5强化监控量测

结合超前地质预报及现场开挖暴露围岩情况，对富水段围岩监控量测点按5m/组加密埋设，尤其是在下台阶开挖进尺时对相应测点进行重点观测。通过对监控量测数据分析处理，绘制曲线如图1、图2所示。该段围岩拱顶沉降、周边位移—时间曲线呈正常现象，表明优化后的支护参数能够抵抗现场围岩变形。当围岩和初期支护变形趋于稳定后，进行二次衬砌模筑施工。

图1　周边位移累计变化曲线

图2　拱顶沉降累计变化曲线

3.6严格防水层施工

3.6.1选择优质防水板

为达到最佳防水效果，ZK201+350～ZK201+400段防水板采用HDPE新型防水卷材，其以PMH-3040高密度聚乙烯HDPE自粘胶膜防水卷材为柔性防水层，防水卷材与后浇砼之间形成紧密结合不窜水的复合防水系统，可有效防止防水层与后浇砼之间的渗水和窜水，从而确保隧道防水可靠性及耐久性。该种防水材料比普通EVA型防水材料有以下优点：

（1）优异的的物理力学性能。HDPE片材拉伸屈服强度高达17MPa，约为一般EVA及ECB材料的2倍，可以抵御更大的外力，一般不会发生永久性形变；断裂拉伸强度更是高达32MPa，高达600%以上的断裂伸长率使卷材在使用过程中可以抵抗更大的基层变形和开裂。

（2）与后浇砼形成的结合力强，粘接剥离力值超过3.0N/mm。揭掉卷材表面的隔离膜，与砼的结合面为多孔结构，后浇砼浇筑其上后，砼浆液与卷材紧密结合，形成复合防水系统；高分子自粘胶膜层将反粘结合涂层与高密度聚乙烯（HDPE）片材牢固的粘结在一起形成一个完整整体；最终，通过胶层、涂层共同的作用实现卷材整体与后浇砼的牢固结合。

（3）耐久性更好。高密度聚乙烯材料户外使用寿命超过50年，且基本不受酸、碱、盐的影响；高分子自粘胶膜卷材胶膜层均由热塑性弹性体组成，不含有机溶剂、增塑剂的高分子胶层在不受空气中氧气及紫外线照射的环境下，不存在因小分子物质迁移而导致的胶层变硬，卷材在暴晒和施工过程暴露2周以上也不出现因热氧及强光暴晒而产生的变黄现象，在水、热和化学介质处理后其性能保持率均在80%以上，其耐久性优异。

3.6.2基面处理

钢筋网等凸出部分，先切断后用锤铆平抹砂浆素灰；有凸出的管道时切断、铆平后用砂浆抹平；锚杆与凸出部位时，螺头预留5mm切断后，用塑料帽处理；初期支护应无空鼓、裂缝、松酥，表面应平顺，凹凸量不得超过±5cm。

3.6.3防水层敷设

（1）防水板超前二次衬砌1～2板施工，用自动爬行热焊机进行焊接，铺设采用专用台车进行。

（2）分离式防水板铺设采用从拱部往两侧的顺序铺设，松紧应适度并留有余量，环向松弛率按8%控制，纵向松弛率按6%控制。检查时要保证防水板全部面积均能抵到围岩。

（3）无纺布采用EVA垫片和水泥钉进行固定，水泥钉长度不小于50mm，EVA垫片密度：拱顶点3～4个/㎡，边墙点2～3个/㎡。

（4）PMH-3040高密度聚乙烯HDPE自粘胶膜防水卷材的检测应从防水板中截取平板部分进行检测，其指标应满足国标《高分子防水材料（第一部分片材）》（GB18173.1-2006），采用自动爬行热焊机进行焊接，焊接粘结剥离强度不小于防水板抗拉强度，防水板搭接长度不小于10cm。防水板外观呈白色透明，敷设如图3所示。

图3　防水板敷设示意图

（5）防水板施工控制关键点主要有：防水板表面平顺，无褶皱、无气泡、无破损等现象；当基面轮廓凸凹不平时，要预留足够的松散系数，使其留有余地，并在断面变化处增加悬挂点，保证缓冲面与砼表面密贴；焊缝若有漏焊、假焊应予补焊；若有烤焦、焊穿处以及外露的固定点，必须用塑料片焊接覆盖；焊接钢筋时在其周围用石棉水泥板进行遮挡，以免溅出火花烧坏防水层；灌注二衬砼时输送泵管不得直接对着防水板，避免砼冲击防水板引起防水板被带滑脱、防水板下滑。

3.6.4接缝防水处理

隧道二次衬砌施工后，每板接缝处是整个防水薄弱点，极易出现渗漏，因此必须加强接缝处防水施工。在结构变化处设置变形缝，长距离结构按间距不大于50m设置变形缝，施工缝设置钢板腻子止水带（厚度6mm），变形缝处设置背贴式止水带（厚度10mm）+橡胶止水带（厚度10mm）。

为更好地保护止水带，保证二衬接缝处防水的施工质量，靠模板台车面板加工25cm宽的弧形钢模，钢板腻子止水带及中埋橡胶止水带居中平放于钢模外边，既能保证止水带设置位置准确，又有效地避免了因止水带弯折损坏止水带。二次衬砌脱模后止水带位置如图4所示。