浅析九峰隧道涌水塌方综合处治技术

侯振鹏

福建第一公路工程集团有限公司 福建 泉州 362000

一、工程概况

1.1 九峰隧道项目简介

九峰隧道位于龙岩市东肖镇，采用分离式双洞布置，双洞三车道设计，最大埋深约600米。其中左洞全长4642米，起止桩号为ZK136+458～ ZK141+100；右洞全长4687米，起止桩号为YK139+416～YK141+103；属于特长隧道。九峰隧道是项目总体建设过程中重要节点工程、控制性工程，直接影响厦蓉高速扩建工程的总体建设进度。

九峰隧道按高速公路80km/h速度标准设计，双洞三车道采用复合式衬砌结构，隧道主洞内轮廓净空宽度为14.8米，高度为9.8米。

图1 隧道主洞净空断面

1.2 工程地质特征

九峰隧址区处于我国东部著名的巨型新华夏系第二个隆起带与南岭纬向复杂构造带的复合部位，闽西南拗陷带东部。受区域地质构造影响，进口及洞身断层发育地段见后期侵入的花岗岩体分布，出口段褶皱、断层活动均较发育，断裂特征多为挤压破碎，应力中心多见糜棱岩化。场区上覆坡积(含砾)粘土（Qdl），下伏基岩为二叠系下统文笔山组（P1w）粉砂岩、石炭系下统林地组（C1L）石英砂岩、石英砂砾岩、寒武-奥陶系（ε-0）变质细砂岩和燕山早期侵入花岗岩（γ52）及其风化层。

1.3 水文地质条件

九峰隧道区属构造-剥蚀低山地貌，地形起伏较大，山坡较陡，自然坡度25～30°，局部达35～45°，山脊(顶)平缓；山体雄厚，植被发育，山坡坡体较陡，隧道穿赿的沟谷深切地段，隧道中部沟谷地表水系发育，部分山沟谷中见常流水。

地下水按埋藏条件及赋存介质不同主要有：①基岩风化层网状裂隙水：隧道区岩性为花岗岩、变质细砂岩、石英砂砾岩及石英砂岩，为坚硬岩，碎块状强风化岩层裂隙较发育，富水性及导水性较强，接受大气降水的补给，厚度小，水量贫乏，主要对隧道进、出口围岩及施工有影响。②基岩构造裂隙水：主要为断裂构造带、节理密集带中的裂隙水，受裂隙、节理等地质构造的控制，赋存条件较好，水量差异大，受大气降水的补给和基岩风化裂隙水的补给。根据野外钻孔抽（注）水试验及水位恢复试验，经估算该隧道左洞正常涌水量为8823.2m3/d，最大涌水量为17766.6m3/d；右洞正常涌水量为8127m3/d，最大涌水量为16365.5m3/d。

二、隧道涌水塌方的过程及原因分析

2.1 九峰隧道涌水塌方发生的过程

九峰隧道自出口向进口方向施工，2017年11月1日上午9点许，右洞掌子面开挖掘进至YK140+159，掌子面围岩为断层破碎带，较破碎，拱顶围岩为碎块状强分化，局部已成砂土状，并且有出部分裂缝，局部开始涌水。随后9点35分，掌子面拱顶开始逐渐掉渣掉块，偶有细小异响声，9点50分拱顶突然坍塌，形成较大塌腔，如下图2图3。灾害发生后，为了防止塌腔的进一步扩大和涌水大面积软化掌子面土体、浸泡拱脚，项目部采取了应急措施，拱脚两侧用沙包土填护，同时开挖临时排水沟引排掌子面涌水，经初步检测，掌子面涌水量为23.4L/S，进一步准备对掌子面进行初步的回填反压注浆加固措施。

图2 隧道YK140+159掌子面涌水

图3 隧道YK140+159拱顶塌方

2.2 九峰隧道涌水塌方的成因分析

九峰隧道右洞YK140+159掌子面沟处于沟谷深切地段，埋深较大，有冲沟发育， 围岩为构造破碎带方f4-9及F4-10，根据LSSID钻孔，带内岩石受力挤压变质，褐铁矿比较普遍，局部糜棱岩化，裂面多严重铁锰质渲染。隧道施工至该里程段时，根据超前地质预报结果及掌子面开挖情况来看，围岩处于挤压破碎带，岩体比较破碎，局部已经土状，节理裂隙极发育，富水性好，地下水水量丰富，该地质纵断面图如下图4。

图4 九峰隧道 YK140+159纵断面地质图

涌水突泥发生的实质是围岩的原力学平衡状态在隧道施工开挖过程被打破，是原围岩中应力的一种调整和释放。在隧道施工过程中，断层破碎带围岩在水的作用下更加软弱，岩体强度低，稳定性差，部分围岩体和围岩间水的混合物在较高水压力和围岩压力的作用下，在掌子面上形成突裂隙破口，丰富的地下水或者混合物呈流塑状态突然涌出，从而形成突水或者涌水突泥。

初步判断，九峰隧道右洞塌方段围岩成强风化状，较破碎，水量丰富，围岩自身稳点性差，在周围土体压力及水的浸泡软弱作用下拱顶土体失稳塌落，形成了此次的涌水塌方灾害。

三、隧道涌水塌方段的施工要点

3.1 隧道塌方段设计参数

根据工程项目原设计图纸，九峰隧道右洞YK140+159段原设计为III级围岩，按Z3型复合支护设计图支护，但是早前时间施工工程中根据超前地质预报及现场围岩实际开挖情况，施工方通过相关的变更手续，该里程段已变更为V级围岩，涌水塌方前，按Z5型复合支护图开挖支护施工。

图5 Z3型复合支护设计图

图6 Z5型复合支护设计图

3.2 涌水塌方地段的施工特点

3.2.1 涌水地段

涌水地段施工要做好施工调查，根据设计文件对隧道可能出现的涌水地段的涌水量大小、补给方式、变化规律及水质成分等进行详细的调查，选择既经济合理，又能保证围岩稳定，并保护环境的治水方案。

一般地，隧道涌水的治理主要采用排水和止水相结合的方式，以排为主，排、堵结合。排水主要是通过排出坍体及坍体前方围岩中的部分水，以减小涌水压力，并改善岩土体的物理力学性能。止水主要是通过向松散的围岩体中压注化学浆液，将原来呈松散软弱的岩土体变得相对密实和硬化，同时，浆液在岩体的裂隙中凝固后，可将这些裂隙和其他空洞等封堵，以截断岩体中前方来水的过水通路。

常见的处理涌水辅助施工方法有：超前钻孔或辅助坑道排水、超前小导管预注浆堵水、超前围岩预注浆堵水、轻型井点降水及深井降水等措施。

3.2.2 塌方地段

隧道塌方通常是多方面的因素引起的，塌方的原因大致分为两种，一是自然因素，即地质状态、受力状态、地下水变化等；二是人为因素，即设计参数不适当，或者施工作业的方法措施不适当。预防隧道塌方，选择安全合理的施工方法和措施至关重要。在掘进到不良围岩破碎地段或者有水地段，应遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，应采取“先治水、短开挖、若爆破、强支护、早衬砌、勤测量”的施工方法，必须制订出切实可行的施工方案及安全措施。

隧道施工过程中，应加强施工技术管理，保证围岩及支护的稳定，预防隧道塌方的发生应做好下列工作：

（1）全面了解设计提供的地质状况，并及时与现场实际情况对比，明白设计意图，严格按照设计文件及施工组织设计要求进行施工，未经批准，不得擅自改变开挖方法及支护形式。

（2）认真开展监控量测工作，并及时反馈量测资料，加强超前地质预报工作，发现开挖面前方有异常情况出现时，应及时研究并采取相应对策措施，，指导现场施工。

（3）应根据喷锚构筑法的基本要求进行开挖，合理选定开挖方法，同时采用光面爆破和预裂爆破技术，减少对围岩的扰动。软弱围岩、特殊岩土和不良地质地段，应采取正确的开挖方法及有效的支护手段。在开挖过程中，如果发现任何特殊情况发生时，应暂停施工，待处理后方可继续掘进。

（4）初期支护，必须及时施作并保证质量，在特殊情况下，应采取特殊的支护措施。二次衬砌不得严重滞后初期支护，施工安全步距应符合设计及规范相关要求。在软弱围岩地段宜紧跟开挖，III、IV级围岩中，应根据监控量测的结果确定二次衬砌的最佳施作时间。

（5）根据《公路工程施工安全技术规范》JTG F90-2015，公路隧道施工安全步距要求如下：①仰拱与掌子面的距离，III级围岩不得超过90m，IV级围岩不得超过50m，V级及以上围岩不得超过40m；②软弱围岩及不良地质隧道的二次衬砌应及时施作，二次衬砌距离掌子面的距离，IV级围岩不得大于90m，V级及以上围岩不得大于70m。

四、九峰隧道涌水塌方综合处治技术措施

4.1 隧道塌方初步处理意见

九峰隧道右洞发生涌水塌方后，项目部应及时迅速处理，仔细观测了塌方的范围、形状、数量大小及坍体的地质状况、地下水的分布、活动情况等，根据隧道塌方部位、规模及地质条件，采取“治塌先治水、治塌先加强”的原则，准备采取喷锚支护、超前小导管注浆、管棚预注浆、后期加强二次衬砌等技术措施来进行处理，必要时进行围岩帷幕注浆加固或者超前大管棚支护等辅助施工措施，此次涌水塌方处理施工流程如下图7所示。

图7 九峰隧道涌水塌方治理施工流程

隧道涌水塌方初期要加强洞内观察，特别是监控量测中净空变化和拱顶下沉观测，同时做好引排水工作，在灾害治理过程中，实时掌握围岩的变化情况，根据围岩实际情况及时反馈信息，及时调整治理措施技术参数，指导塌方段安全施工。

经过业主、设计、监理、施工四方在现场查勘并结合地质纵断面图和超前地质预报情况，决定在掌子面回填反压、小导管注浆加固的基础上，分步骤分阶段进行塌腔泵送水泥浆液填充加固，然后施作超前大管棚预支护，进行帷幕注浆加固前方30米整体围岩的强度和稳定性，并变更支护设计参数，加强初期和二次衬砌支护。

4.2 隧道塌方综合处理技术方案

4.2.1 掌子面回填反压封闭

（1）九峰隧道右洞YK140+159段涌水塌方灾害发生后，项目部根据此次塌方的性质、规模以及涌水量的初步观测数据，在掌子面塌方土体稳定后，立即组织对掌子面进行核心土回填，进行反压，现场施工如图8。

（2）掌子面核心土反压拍实后，采用C20喷射混凝土进对掌子面进行喷砼封闭，喷砼厚度30cm，同时反压面两侧及坡底设置排水孔，现场施工如图9。

图8 掌子面核心土回填反压

图9 掌子面喷砼封闭

4.2.2 拱顶周边超前小导管注浆

（1）掌子面喷砼封闭后，在拱顶及周边环向按间距1.0m打入5.0m长的Ø50mm小导管26根，在反压的核心土坡面上按间距1.0m打入5.0m 长的Ø50mm小导管80根，进行全断面小导管注浆，加固拱顶周边围岩及掌子面坍体的整体稳定性，如图10。

（2）超前小导管注浆浆液为水泥浆，其中水泥浆水灰比为0.5:1，注浆压力为0.5～1Mpa，小导管注浆施工如图11。

4.2.3 围岩周边帷幕注浆

第一阶段：泵浆填充隧道塌腔。根据掌子面小导管注浆情况，在掌子面拱顶斜向上方向钻入1根长6mØ108mm*6mm的泵送管至塌腔上方，并对掌子面进行补喷砼加固封闭，然后进行双浆液注浆（水玻璃）加固。其中，双浆液配比参数为：水泥:水玻璃体积比C:S=1:0.6～1.0，水泥浆水灰比0.5:1～1:1，注浆压力为：初压0.5～1Mpa，终压3～5Mpa。

第二阶段：帷幕注浆。在YK140+159涌水塌方段在第一阶段注浆填充加固后，根据超前地质预报、监理量测数据分析报告以及现场观察，为了进一步改善围岩的物理力学性能，提高其强度和整体稳定性，采取一个了循环的帷幕注浆对掌子面前方30米的围岩进行预加固，根据相关设计要求，采用30米长管棚预注浆加固。

隧道治理施工过程中，首先，用超前钻机在拱顶周边环向钻孔，然后逐孔插入30米长导管（管壁有出浆孔），共计30根导管形成管棚，最后，通过管棚注浆预加固技术来稳定周边围岩，提高围岩整体强度和稳定性。

图13 掌子面超前大管棚钻孔

4.2.4 隧道支护参数调整

针对此次涌水塌方灾害，为了进一步加强隧道整体的强度和稳定性，业主、设计、监理、施工四方在现场查勘并结合地质纵断面图和地质超前地质预报结果，经过相关设计变更程序，对右洞掌子面后20米范围内支护设计参数进行了调整加强变更，YK140+159～140+139按ZDK-1复合支护设计进行施工，初支工字钢型号由20b调整为22b，工字钢立架间距由70cm调整为50cm，喷砼厚度由28cm调整为30cm，二衬由50cm厚的C25防水砼调整为60cm厚度的C30防水砼。

同时，二次衬砌施工前应加强该塌方段隧道初支净空尺寸、围岩背后空洞的检测，如有不符合设计的要求应及时处理，经检测合格后，方可进行下一道工序。九峰隧道该塌方段经过相关检测，净空尺寸符合图纸设计要求，初支背后无空洞，隧道二次衬砌顺利完成施工。

五、塌方治理效果及总结

5.1 隧道涌水塌方治理效果

九峰隧道右洞YK140+159涌水塌方段，历经两个多月的不懈努力，成功治理了掌子面特别是拱顶拱要的涌水情况，有效加固拱顶塌方的的松软破碎岩层，并对前方30米范围内进行超前围岩预加固处理，最终成功通过了该涌水塌方地段。由于此次塌方造成的相邻初支工字钢部分发生沉降及变形，局部侵限，对相邻段YK140+159-165进行了换拱加固处理。总之，在安全、环保、文明施工前提下和较经济合理的措施治理下，九峰隧道顺利通过了该断层破碎带，成功治理了该不良地质的涌水塌方灾害。

5.2 综合处治技术总结

（1）公路隧道施工要应加强施工地质调查、做好地质预测预报工作，同时做好监控量测工作，隧道地质预测预报、隧道施工监测量测应作为必备的重要工序纳入施工组织设计和施工组织管理。

（2）隧道施工应做好组织技术管理，做好的隧道供水供电、通风、防尘、防排水等工作，严格执行相关安全生产管理制度。

（3）隧道施工过程中，应严格按照设计文件及施工组织设计要求进行施工，保证施工质量，应加强施工技术管理，保证围岩及支护的稳定性，做好隧道涌水突泥、塌方等灾害的预防措施。

（4）遇到不良地质软弱围岩地段，应加强地质探测和预报工作，结合实际情况，考虑在开挖面布置超前钻孔，探明前方地质，预防水囊、暗河、高压涌水突泥等危害。

（5）如遇隧道塌方，应及时迅速处理，不得随意拖延时间，应根据塌方的部位、规模、类型结合当地水文地质条件，正确客观的分析塌方的原因，制定切实可行的科学经济处理方案。

六、 结束语

通过对九峰隧道YK140+159涌水塌方灾害过程的回顾及成因分析，简析了造成此次涌水塌方的客观原因，浅析了涌水及塌方地段的施工要点、注意事项及预防措施；并通过对此次隧道塌方事故的综合处治措施分析，浅谈了常见的隧道塌方处理措施及效果分析，为类似的、同类型的隧道塌方处理提供了一定的参考性；最终九峰隧道成功度过涌水塌方地段，为后续的隧道施工提供了宝贵的施工经验和可靠的技术保障，为九峰隧道节点工程的顺利贯通奠定了坚实的基础，九峰隧道左右洞已经分别于2018年8月31日、9月25日顺利完成贯通工作。