某隧道穿越水库施工技术研究

孙方岛,张立军,袁新顺

(1.中交二航局第五工程分公司，武汉 430040；2.中交二航局建筑科技有限公司，武汉 430040；3.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430040)

穿越水库及富水软弱破碎带施工是隧道施工的技术难题。地下水丰富和围岩断层软弱破碎，都是隧道掘进中非常不利的条件，二者同时具备的隧道，施工难度将会成倍增加，也使施工质量存在病害，并使穿越地段的地下水流失，影响水库安全及周围居民的生产和生活用水[1]。隧道注浆堵水的方式一般可分为超前预注浆、径向注浆、局部注浆和补强注浆四种[2]。经验表明，处理好地下水，才能保障施工和隧道运营安全，防止出现涌水现象，避免地下水资源遭破坏，才能防止地表生态环境恶化，从而节约成本，增加效益[3]。

1 工程概况

山海高速畅好隧道位于海南省五指山境内，为进口小净距，出口及洞身分离式隧道，属长隧道。左线起讫桩号ZK22+723～ZK23+975，长1 252 m，隧道最大埋深约95 m，位于ZK23+620处；右线隧道起讫桩号YK22+730～YK24+050，长1 320 m，隧道最大埋深约103 m，位于YK23+630处。

施工区内地表水系较发育，隧道进出口端坡下为鱼塘、小溪流，YK23+200右侧有一水库，水库长约100 m，宽约60 m，大坝长约80 m，高约8.0 m，枯水期水深1.0～4.0 m，丰水期约为枯水期3～5倍，常年有水流，坝体为片石混凝土结构，坝顶过道为浆砌体。畅好隧道右线开挖边线右侧与水库坝体最小距离约10.2 m，最大距离为42 m，整体呈斜交。隧道YK23+130～YK23+140段埋深最浅约20 m，下穿水库段施工主要影响范围为右洞YK23+080～YK23+250段。

2 围岩情况

畅好隧道YK23+090～YK23+170段为低阻异常区，围岩主要为强、中风化花岗岩，岩石破碎富水，裂隙发育，自稳性差，围岩纵波速度Vp=2 510～3 480 m/s，岩体完整性系数Kv=0.55，岩石饱和抗压强度Rc=30.0 MPa，围岩分级为Ⅳ级。地下水水量较小，雨季水量大。开挖易变形坍塌，有渗漏水现象，需进行加固补强，及时做好支护和防排水工作，水库水对隧道的施工开挖有较大的影响。

3 总体施工方案

加强洞内超前地质预报，结合超前探孔、TST测试、地质雷达、红外探水等多种手段探明地质断层及岩石破碎带的位置、富水情况；严格控制爆破，采用短进尺、多打眼、少装药的措施，减少振动对水库大坝影响，加强监控量测，对水库大坝进行监测，包含水位、坝体裂缝观察、沉降、位移、爆破振动等[4]。为加固破碎岩体，封堵涌水，防止发生突水、突泥、塌方等安全事故，采用注浆堵水的方法封闭裂隙，以减少洞内涌水量，阻止地下水的流失，必要时对水库蓄水进行抽排水至无水状态施工。

4 处理措施

4.1 超前帷幕注浆堵水

当隧道开挖至YK23+080掌子面时，围岩为中～强风化花岗岩，岩层节理发育，岩层较破碎，掌子面涌水较大，超前探水钻孔测定单孔流量在3.2～4 m3/h，总出水量>15 m3/h，需进行注浆加固围岩，防止突泥、涌水，避免发生事故。

1)注浆孔布置

隧道YK23+080～YK23+200段设计4循环超前帷幕注浆加固围岩，每循环设3环共58个注浆孔，1#环布设20个注浆孔，孔深12 m；2#环布设20个注浆孔，孔深20 m；3#环布设18个注浆孔，孔深30 mm，注浆孔掌子面以隧道中轴伞状布置。注浆孔布置如图1所示。

2)注浆材料

注浆材料采用水泥-水玻璃双浆液，配合比在实际施工中根据岩体条件调整。水泥∶水玻璃(体积比)=1∶(0.6～1.0)，水泥浆水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模数2.6～2.8，水玻璃浓度35°Be′，注浆压力0.5～1.5 MPa。各项参数均需试验验证，并根据隧道涌水量及围岩裂隙情况选用合理参数。

3)配合比试验

根据注浆堵水方案，工地试验室进行了注浆水泥-水玻璃双浆液配合比试验，并确定了双浆液胶凝时间。试验材料选取的硅酸盐水泥和水玻璃按一定比例配成两种配合比分别用两台注浆泵同时注入。

试验温度为24 ℃，基本与洞内温度一致。试验目的是取得双浆液胶凝时间，选定适宜的水泥/水玻璃配合比。该配合比既要满足双浆液的使用要求，如胶凝体强度、初凝时间、可注性，又要经济、耐久、环保，施工操作人员能够完成操作。根据围岩的岩性及节理发育情况，确定双浆液胶凝时间为4分30秒(初凝时间过长或过短，都会影响堵水效果)，可加入适量缓凝剂(磷酸氢二钠)来控制，具体试验结果如表1所示。

表1 畅好隧道双浆液配合比试验数据

4)注浆孔的钻进

孔口管开孔直径115 mm，长3 m，后面部分采用φ75 mm钻头钻进。孔口管采用φ108×4 mm无缝钢管，孔口外漏20～30 cm，用沾有CS胶泥的麻绳固定孔口管。钻孔由外向内，同一圈孔采取跳孔施工。为防止串浆，钻进顺序应按照上、中、下、左、右孔分别错开，长短孔错开。挖孔口段安装3 m套管，每钻进5～7 m开始注浆，注浆达到设计效果后开始下一阶段钻孔注浆，最后将长压注浆管插到预定位置，提高底部压注效果和压注效率。

5)注浆施工工艺

注浆前，进行试泵、管路调试及压水试验。通过试验，测定岩体相对透水性，掌握裂隙发育程度，为注浆泵及注浆参数的选择提供参考。选用双液注浆泵，注浆参数见表2。

表2 注浆参数表

6)注浆结束标准

注浆结束后，总涌水量小于2 m3/h且有一孔出水量小于0.6 m3/h，方可结束注浆。从隧道挖掘情况检查注浆质量，及时调整注浆参数，如不满足设计要求，进行二次注浆。

4.2 爆破控制方案

超前地质预报采用地质雷达结合红外探水、超前探孔、TST测试，查明掌子面前方35 m围岩情况和地下水分布状况，为围岩级别判定提供依据，并测量地下水涌水量[5]。本次探水钻孔布设6个孔，完成探孔210.8 m，获得了掌子面前方35 m及周边6 m区域内围岩的岩性、节理构造及富水情况。

掌子面前方及隧道轮廓外延岩体较破碎，裂隙张开度较大，岩性为中风化花岗岩夹强风化岩，岩质偏软，[BQ]=257.5，单孔涌水量一般在3.2～4 m3/h。针对超前地质预报结论，采取如下措施控制爆破：

1)超前支护

增设超前锚杆支护，采用Φ22药卷锚杆，纵向搭接长度大于1 m，长度L=4.5 m，环向间距40 cm，沿轮廓线以12°外插脚打入围岩。

2)进行光爆试验，根据试爆结果规定单次掘进进尺和光爆参数。结合地质情况，穿越水库段采用两台阶开挖，单次开挖进尺控制在1.2 m，周边眼间距控制在40 cm以内，坚持多打眼、少装药，以减少对围岩扰动和坝体振动影响。

3)加强洞内监控量测和水库水位及坝体沉降、位移、爆破振动监测，水库水位有异常，则立即查明原因，若是隧道开挖后涌水造成，则要立即根据实际情况，采取超前帷幕注浆封堵涌水；加密洞内监控量测点布设(5 m一个断面)，加大量测频率(8 h/次)，如有异常立即采取应对措施；根据《爆破安全规程》(GB6722—2014)，考虑到大坝年代较久(建成20年)，规定爆破振动安全允许振速为2 cm/s，减小爆破对隧道洞顶岩体破坏。

5 结 语

针对畅好隧道下穿水库及破碎透水带施工时带来的安全隐患，研究制定了隧道超前帷幕注浆堵水及爆破控制方案，严格按照“弱爆破、短进尺”原则，强化洞内监控量测、加大坝体爆破振动和水库水位监测以及大坝的日常巡视。经过一系列措施的实施，畅好隧道的整个施工过程中，水库水位未见明显下降，坝体无裂缝及沉降、位移，洞内未发生任何险情，表明畅好隧道安全、顺利地通过水库段施工。