长大隧道塌腔处理及发达裂隙水的引排施工研究

谢艺伟

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

云南省昭通市翠屏隧道为云南省在建第二长隧，隧址区位于震区中心。受地震影响，用于辅助施工和通风的翠屏隧道2#斜井地质复杂、围岩破碎、裂隙水发达，施工过程中发生掉块、坍落形成塌腔；洞内围岩裂隙水出水量较大，呈淋雨状或涌流状，洞内纵坡达9%，反坡排水困难，对施工造成了很大的影响。文章以此为例分析塌腔处理措施及发达裂隙水的引排方法。

1 工程概况

翠屏特长隧道2#斜井起点位于主线ZK51+200附近，全长1455m，净空尺寸为8m×6.35m，纵坡达9%，属构造侵蚀剥蚀中、高山地貌，地势为单斜斜坡，高差变化大。隧道穿过区域相对高差367m，最高点位于主线附近，高程约为1932m；最低点位于斜井出口附近，高程约为1565m。隧道区属地质构造中等复杂程度地区，穿过活动断层，断层对隧道主要影响为导水作用，影响了局部地段的岩体完整性。

2 塌腔处理

2.1 塌腔形成原因

隧道塌腔的形成不仅是围岩破碎造成的，更大的原因在于裂隙水的影响。掌子面的开挖会导致原本稳定的围岩应力场与渗流场重分布，原本稳定或较破碎的岩体在重新分布的应力场和渗流场作用下自稳能力逐渐降低，最终失稳，发生坍落。下面对施工时遇到塌腔形成的不同原因进行具体分析。

（1）岩性界限及裂隙水导致塌腔：岩性分界面节理裂隙稍发育，围岩裂隙水较发达。由于围岩岩性较软，遇水易软化，且岩体整体性差导致发生坍落，形成塌腔，坍落体为散装砂岩碎石夹杂块状、层状岩体。

（2）砂质页岩段由于发达裂隙水导致的塌腔：中风化砂质页岩为软岩，节理裂隙发育，层间结合差。由于砂质页岩遇水软化且整体性差，而围岩裂隙水呈线流状遍布整个掌子面，导致整个掌子面岩石软化发生坍落形成塌腔，坍落体为颗粒状碎石夹砂质结构物，坍落范围广（见图1）。

（3）多种节理裂隙切割导致围岩不稳定形成的塌腔：受地震影响，掌子面围岩出现横向、纵向、斜向多种节理，且较密集。在不同节理影响下，掌子面局部出现由节理裂隙切割形成的不稳定区域。开挖后，在岩体自重影响下该不稳定区域发生小型坍落形成塌腔，坍落体为受切割影响的小型块状岩体（见图2）。

图1 砂质页岩遇水软化大范围坍落

图2 受节理裂隙切割形成不稳定区域

2.2 塌腔处理方案选择及可行性分析

塌腔处理根据坍落程度和塌腔大小以及裂隙水出水情况采取不同的措施进行处理。

（1）塌腔情况：掌子面拱顶少量岩体发生掉块，导致拱顶高度约为1～2m、环向宽度3m、纵向长度2～3m的塌腔，围岩裂隙水呈淋雨状出水。

处理方案：①将掌子面围岩裂隙水用排水管引排至固定点抽出。②采用湿喷机械手对塌腔进行初喷处理。③立架工字钢紧贴掌子面，防止发生后续坍落事故。④采用湿喷机械手先对拱架进行喷射，保证其他部位的稳定，再用喷射砼将塌腔补满。

可行性分析：因为塌腔较小，所以采用速喷填补塌腔快速治理的方式，防止周围岩体因暴露时间过长不稳定发生持续坍落。该方法可快速处理塌腔，资源投入未见明显增加且便捷有效，避免塌腔暴露在空气中时间过长引起持续坍落。

（2）塌腔情况：围岩裂隙水较大，掌子面整体发生坍落，导致高度约为6～8m、环向宽度约为8～10m、纵向长度约为3～4m的塌腔，此时可探知拱脚周围岩体完整性及对其硬度进行分析。

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处理方案：①掌子面采用土石方反压回填，回填后采用喷射混凝土封闭掌子面，分别于隧底左右留出排水孔，使围岩裂隙水可顺隧底流出。②根据塌腔尺寸预埋泵送混凝土管道，采用C20混凝土泵送至拱圈形成高约1m的护拱并吹细砂形成缓冲层，吹砂高度3m。③待混凝土终凝后，采用φ42小导管作为锁脚钢管并注浆将护拱两侧和岩体连接，保证护拱强度。④后续塌腔段开挖缩短工字钢间距，加强超前支护，控制进尺，及时支护。

可行性分析：由于掌子面坍落范围较大，但可探知塌腔周围及拱脚下部岩体情况，护拱两侧可落到围岩较好、较完整的实地，再以锁脚小导管加固护拱两侧，因此采用反压回填泵送混凝土形成护拱并吹砂的方式处理，在护拱保护下进行后续开挖，护拱上部细砂保护层可起到良好的缓冲作用，防止拱顶掉落石块对护拱及拱架造成过大冲击。泵送混凝土相较于注浆可节省大量时间，所需机械、材料等资源都较常规，可迅速实现塌腔的处理，达到快速处理的效果，保证后续开挖的安全性。

（3）塌腔情况：围岩裂隙水较大，掌子面整体发生坍落形成体积不明的塌腔，坍落体多为小块状夹泥砂岩。

处理方案：①掌子面采用土石方反压回填。②采用喷射混凝土封闭掌子面，并于拱脚预埋排水管。③进行全断面水泥-水玻璃双液注浆（见图3）。④后续塌腔段开挖缩短工字钢间距，加强超前支护，控制进尺，及时支护。

图3 反压回填封闭掌子面径向注浆

可行性分析：因为具体塌腔太小不可探知且掌子面为软弱围岩，因此采用反压回填再注浆的方式对掌子面岩体进行固结，使之形成一个整体再进行后续开挖。若塌腔纵向长度过长，围岩又较软弱，则需采用中管棚注浆法来固结松散的岩体。此方法所需投入潜孔钻施作中管棚，在小端面大纵坡隧道内操作较困难，所需时间较长。若可知塌腔纵向长度较短，则可采用超前小导管注浆的方式进行注浆固结岩体。此方式处理消耗时间长，但在塌腔情况不可知且持续坍落的情况下，能让安全性得到最大保障。

3 裂隙水的引排

3.1 围岩裂隙水的出水方式

掌子面经开挖影响和爆破松动对围岩裂隙的影响，地下渗流场重新分布，导致围岩裂隙水呈现出三种出水方式。

（1）掌子面呈潮湿或点滴状渗水。由于岩体完整性较好，层间结合较好且节理单一，节理密度小，围岩受爆破松动影响较小，可以保持较好的整体性，裂隙水只能较少的从掌子面渗出，大部分会顺着层间结合差的部位流出或从隧底渗出。

（2）掌子面整体呈淋雨状出水。由于整个掌子面处于砂质页岩段，岩体完整性较差，节理复杂多变且层间夹泥。受爆破松动影响较大，掌子面整体呈现较松散状态，岩层与岩层之间衔接不够密实，导致掌子面整体呈淋雨状出水。

（3）掌子面局部呈涌流状出水。掌子面岩体为灰岩夹砂岩，灰岩整体性好，围岩硬度较硬；砂岩较软，岩体破碎呈小块状和颗粒状。在围岩裂隙水压力作用下，掌子面局部破碎段夹泥砂岩被冲出，导致裂隙水从破碎带呈涌流状涌出。

3.2 大纵坡小端面隧道的反坡排水措施

翠屏隧道2#斜井纵坡达9%，掌子面围岩破碎、夹泥，在裂隙水的作用下形成泥浆汇聚到掌子面，给掌子面的开挖造成了极大的困难。前期在电压不稳定的情况下无法满足大功率水泵作业且会造成资源浪费，成本投入过高，因此在前期采用制作水箱逐级排水的方式进行裂隙水的引排。掌子面可根据水量大小选择使用水泵的功率和数量，并在洞内每100m处设置一个宽度60cm、长度4m、高度2m的水箱，刚好不会影响洞内施工所需空间。每个水箱口采用2台11kW增压泥浆泵外接内径200cm抽水管并安装红外测水感应装置，在水位达到一定高度可自动抽水，较为方便。随着隧道进尺加深且解决了当地电压不稳、电容不足等外部因素的影响，后可采用185kW定制大功率、高扬程水泵代替多级排水的抽水方式，每1000m设置一个水箱，实现三级或两级排水，减少因分级过多而造成排查、维修困难的问题。同时，根据分析前中后期的抽水影响因素、资源投入和成本问题后分别采用不同的抽水方式，将资源利用最大化，减少不必要的投入，控制成本。

4 塌腔和反坡排水的谨慎治理

小断面、大纵坡隧道的塌腔和反坡排水的治理对隧道施工有着巨大影响，应做好应急预案，并根据实际情况进行方案比选，塌腔处理方案应安全、合理、迅速，以防止塌腔持续扩散；反坡排水方案选择应结合实际情况，保证排水的及时性，并将对隧道施工的影响降到最低。同时，在隧道施工过程中还应加强超前预报的探测，对前方探出的地质及出水情况做好预防措施；对于已支护段落应加强监控量测，及时测量位移并做好位移量过大时的应对措施，待位移量趋于稳定后尽早进行二衬施工，保证二衬步距，确保隧道施工安全。