明月山隧道塌方突水治理分析

宋建

摘要：文章以明月山隧道塌方突水治理为例，提出隧道经过破碎断层时塌方，遇高压水，可采取以止浆墙全断面封闭，然后注浆回填处理塌方，超前预注浆加固围岩并堵水的处理措施穿过该断层，为破碎且突水量和水压大的隧道施工提供经验借鉴。

关键词：破碎带;突水;水压高;塌方;止浆墙;帷幕注浆

0 引言

随着全国高速公路里程的不断增长，隧道数量与里程不断增多，我国已步入交通强国时代。隧道施工会遇到各类复杂的水文地质条件，对施工质量与安全产生不良影响，耗费大量人力、物力以及财力。因此，需对各类复杂地质条件的隧道采取不同的处治措施，基于此，本文对断层且突水隧道的塌方和围岩加固进行阐述。

1 工程概况

明月山隧道全长6 555 m，位于四川省邻水县和重庆市垫江县两县交界处，是忠县至垫江高速公路控制性工程。其地質条件复杂，地下水丰富，主要地质问题有岩溶、突泥、突水、薄煤层低瓦斯、煤层采空区、老窑积水、断层破碎等。隧道支护方式为超前小导管注浆+钢筋网片+钢拱架+喷射混凝土。当施工到约900 m时，拱部发生坍塌，形成长10 m、宽6 m、最高11 m的塌腔，水质浑浊，水流夹带碎石流出，粒径最大12 cm，单洞最大水流量达到14.8万 m 3/d，从出现塌方涌水到制定方案开展施工，经历了半年多。

2 坍塌处治方案制定

明月山隧道2016年1月开始出现涌水、塌方现象，每天涌水量均达到10万 m 3以上，水压大且夹带碎石流出，如何封堵涌水并固结围岩成为关键问题。截至2016年7月涌水也未有变小的迹象，由于水压大，在围岩上直接钻孔注浆会导致塌方，经过专家的多次勘察研究，最终确定采用浇筑止浆墙封堵掌子面及塌方段，然后泵送混凝土回填塌腔的方案。为了确保安全，经计算止浆墙厚度设计为6 m，在围岩与止浆墙空隙之间预埋泵送混凝土导管，然后超前预注浆加固围岩和封堵涌水。

3 止浆墙浇筑

3.1 止浆墙方案

经过半年时间，塌腔已基本稳定，为了确保安全，在距离塌方位置3 m处浇筑止浆墙。止浆墙采用C20混凝土，墙底厚6 m。在墙体预埋10根200 mm钢管作为排水通道，在塌方段预埋泵管和压浆管。

3.2 止浆墙浇筑

止浆墙浇筑分4次进行，在墙身与围岩、墙身与墙身连接处预埋钢筋连接，浇筑顺序与布设位置按照图1进行。最下一层浇筑分左右幅，施工左幅时先将水全部引入右幅，使左侧无水或者少水，然后安装模板，预埋排水管后浇筑混凝土。待左幅混凝土浇筑5 d且混凝土强度达到70%以上后将水全部引入左侧，立模浇筑右幅混凝土，完成后依次浇筑3号、4号混凝土。在压浆回填坍塌处时，为确保围岩稳定、安全，防止水从初期支护处涌出，待全部混凝土浇筑完成后对止浆墙后10 m范围内初期支护段进行注浆加固，加固厚度为10 m。

3.3 坍塌处回填

止浆墙浇筑完成，对初期支护加固后，把预留排水管全部关闭，使掌子面和止浆墙之间流动的水变为静止。原方案计划泵送混凝土进行回填，但静水压力达到0.8 MPa，混凝土无法泵入，改为压力更大的注浆施工工艺进行回填。由于空隙处充满水，最终确定浆液为水泥+浆水玻璃+砂，确保浆液注入后短时间凝固且有一定强度，注浆终压为1 MPa。

4 超前注浆预加固围岩

4.1 钻孔次数和长度

坍塌处压浆回填后该处无渗漏水且充填密实，但向前开挖需对前方围岩超前预加固，确保施工中不塌方和不涌水。钻孔注浆分3次进行，钻孔注浆深度为30 m，最外一圈外插角度为9°，确保前方全断面围岩及开挖轮廓线10 m范围内填充密实浆液。第1次钻孔注浆是为了孔口管安装牢固密实，确保后续钻孔注浆不渗水。第2次钻孔注浆主要是加固掌子面附近不稳定围岩，确保后面钻孔时围岩不坍塌。第3次钻孔注浆是对围岩及周边加固，确保注浆后围岩不渗漏水，具有一定的自稳能力，能为开挖提供安全的工作面。

4.2 注浆方案

4.2.1 浆液选择

最初注浆方案考虑水泥+水玻璃，因为浆液注入围岩很快便会迅速固结封堵裂缝，起到立即止水和固结围岩的效果，提高注浆效率。该方法不适合水压较大的断层裂隙水围岩注浆，水泥加水玻璃虽然止水和固结围岩的速度快，但浆液扩散范围小，迅速凝结不利于浆液沿裂隙慢慢扩散，对围岩的加固范围有限，不能确保有效地加固。最后确定裂隙较大的采用水泥加砂，对裂隙较小的采用直接注水泥浆的方案。水泥浆液渗透性强，既能填充大空隙，也能渗透进细小的裂缝，强度高，效果好，操作简单容易。注浆结束再开挖后证明注浆效果理想，浆液扩散范围大，浆液完整填充围岩裂隙，能很好地加固围岩和堵水，防止塌方和涌水。

4.2.2 浆液配合比

由于该段处于断层上，需根据围岩裂隙大小确定配合比，使浆液更好地填充孔洞并和岩体良好结合，最终达到注浆止水的效果。最佳的浆液浓度需根据现场经验和不断的实践来确定，配合比则取决于注浆孔的吸浆量和压力。浆液太稠会过早地堵塞空隙，不利于浆液扩散，水泥太少则起不到注浆效果。因而在配合比设计上，根据具体情况，及时调整，浆液浓度采用1∶1、1∶0.8、1∶0.5三个等级。

4.2.3 注浆压力

为了使浆液能压入围岩并充分填充，注浆压力需高于净水压力，且能密实填充注浆范围，但压力不宜过高，太高则注浆填充范围过广，造成不必要的浪费，增加投资。现场测得净水压力为0.8 MPa，考虑注浆目的和范围，确定注浆压力为1.2 MPa。

4.2.4 注浆结束标准

单孔注浆效果依据注浆压力、注浆量、注浆时间以及串浆情况进行综合判断。当单孔注浆压力达到设计要求，且进浆量在10 min内基本无变化时停止压浆，隔10 min后继续往该孔压浆，当压力再次达到设计且进浆量≤5 L/min，稳压10 min后方可结束压浆工作。

4.2.5 注浆设备

采用杭探SGIA型钻机、杭探SGB9-12型灌浆泵、JJS-2B型浆液搅拌机、储浆桶、清水桶、孔口法兰、球阀和泄浆阀等。

4.3 第1次钻孔注浆

第1次在止浆墙上钻孔1 m，目的是安装孔口管，使孔口管和止浆墙牢固结合在一起，便于后续钻孔注浆。

孔口管长1 m，外径为220 mm，间距为1 m左右，梅花形全断面布置，达到注浆全覆盖，不留死角。因钻孔时在止浆墙内，所以无渗漏水，便于安装孔口管和法兰盘，成孔后在孔口管四周绑扎麻绳，增加管壁和孔壁的摩擦力。放入孔口管后，注漿填筑管壁与孔壁之间的空隙，防止注浆时水从孔壁溢出。存在高压水的隧道孔口管安装是关键工序，后面第2次、第3次钻孔和注浆都通过该孔，其安装质量的好坏直接决定着后续钻孔注浆能否顺利进行。

4.4 第2次钻孔注浆

第2次钻孔在220 mm孔口管内钻进，钻头为54 mm，钻进长度为15 m，扣除止浆墙和坍塌处注浆的长度，基本上深入岩层5 m。钻孔太浅对钻孔围岩加固有限，钻孔太长则因水压太大容易造成涌水太大，不利于围岩稳定。此次钻孔注浆的目的是加固前方3～5 m未塌围岩，让浆液缓慢进入裂隙加固围岩。

4.5 第3次钻孔注浆

前2次钻孔注浆都是为第3次注浆做准备工作，确保孔口管周边不渗水和围岩薄弱地段不涌水塌方，达到注浆效果，以便后续开挖围岩不塌方，不渗漏水。注浆范围为止浆墙前方30 m及开挖外轮廓线外10 m和底板4 m范围。对全断面进行注浆，注浆孔间距为1 m。本次钻孔注浆的顺序和一般注浆不同，采用先中间后外圈，由近到远，同一圈由下往上的间隔施作，让浆液把水挤压封堵到外面，起到彻底加固围岩和堵水的效果。钻进深度根据水压大小确定，采用分段式或者全孔一次性注浆，无突泥或水压小则一次钻孔到位注浆，水压大则分段前进式注浆，每段长度为5～7 m，直到终孔。

4.6 异常情况处理

在注浆过程中若突发异常，如发生突水或冒浆现象等，需要加强孔口管封堵，采用间歇性注浆，并辅以改变浆液配合比及加入或减少用砂量，对串浆的孔需重新打孔注浆。进浆量突然减少，需检查注浆管路是否堵塞，注浆孔是否坍塌;注浆量突然增加，应考虑是否遇到溶洞或者岩层裂隙变大，需调整浆液稠度或增大用砂量，否则应停止注浆，待查出原因后再施工。

5 注浆段开挖长度

隧道施工需重视开挖前的超前地质预报工作，开挖前必须对注浆地段做超前钻芯取样，了解浆液在围岩的填充、扩散和固结情况，以及堵水和加固效果。开挖后可以看出，破碎带填充密实，浆液在宽缝中渗透较远，窄缝中渗透相对较近，注浆效果好，强度高，岩体自稳能力强。最终确定开挖长度为20 m，预留10 m作止浆岩盘，确保未开挖部分不渗水不塌方，为下一循环注浆加固围岩提供安全、稳定的工作面。

6 结语

隧道从出现坍塌到顺利度过该断层带花费了1年左右的时间，隧道塌方和涌水严重影响隧道进度、安全以及质量。本次成功注浆堵水加固围岩有以下几个关键点：

（1）当遇到断层且有高压水时，需要先设置止浆墙或止浆岩盘封堵渗涌水，止浆墙厚度、密封性以及止浆岩盘的预留厚度需确保围岩稳定及注浆时不渗水。

（2）注浆孔的布设和外插角度根据需加固围岩范围确定，最好不少于开挖轮廓线5 m，注浆孔应全断面布设。

（3）裂隙水注浆需使用水泥浆液，便于扩大注浆范围，更好加固围岩。

（4）开挖长度根据水压确定，确保预留的止浆岩盘能抵抗围岩压力和堵水。

参考文献：

[1]岩石锚固与注浆委员会.锚固与注浆技术手册[M].北京：北京电力出版社，1999.

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