强涌水隧道长距离反坡施工及涌水处治关键技术研究

2021-11-24夏邵君

施工技术(中英文) 2021年18期

夏邵君，党亮

(中交四公局第五工程有限公司，陕西西安 710065)

0 引言

当前，地下空间的利用已成基建发展的一种重要方式[1-3]，隧道施工过程中面临着复杂环境和不良地质所带来的施工安全问题的挑战，其中在构造裂隙发育的区域施工隧道，在隧道长距离反坡掘进后遇到围岩高承压构造裂隙水涌出等对隧道施工安全和运营造成极大隐患[4]，提高对隧道涌水机理及特征的认识越来越重要。可见，研究高承压水隧道长距离反坡掘进施工技术也尤为重要。

为保证隧道施工过程和后期运营的安全性，相关学者对隧道施工中高承压水影响做了大量研究[5-14]。吴明玉等[4]认为断层是地表水对结构裂隙涌水补给的主要条件，层间岩体破碎在地下水和地表水长期作用下形成的富水构造物下泄造成涌水。以上研究为强涌水隧道长距离反坡施工关键技术研究提供了思路和理论参考。

基于此，以跑马山2号隧道通风横洞长距离大反坡施工中发生的围岩脉状高承压涌水为工程依托，对深埋隧道长距离大反坡施工中高承压水产生的机理、处治措施、施工关键技术、组织方式进行研究。强涌水隧道长距离大反坡施工关键在于分析围岩裂隙水的特征、变化规律，研究结合涌水机理采用合理的施工方法和支护参数对隧道长距离大反坡施工方法进行总结，对出现的涌水灾害进行处治。本研究成功处治了构造裂隙产生的强涌水并通过强涌水治理有效地提高了后期强涌水段的施工进度，减小了围岩裂隙水的带压涌出，表明结构裂隙发育的富水围岩采用的处治技术和施工关键技术是成功的。本研究期望对类似强涌水隧道长距离反坡施工和涌水的处治提供工程参考。

1 工程概况

跑马山2号隧道是四川省康定—新都桥高速公路项目康定过境试验段的重要工程之一。隧道建设标准为双向4车道高速公路，设计速度80km/h，抗震设防烈度≥9度。隧道主洞建筑限界净宽10.25m，净高5.0m。隧道左线长6 772.171m，右线长6 655.318m。

2 工程与水文地质条件

2.1 工程地质条件

地质勘察表明，跑马山2号隧道斜井洞口高程为2 759.460m。在斜井处重新布置了物探，同时结合现场开挖情况和超前水平钻情况，根据最新斜井地质勘察报告，斜井区域位于Y字形构造交汇部位，断层较多，强烈的构造作用导致岩体极为破碎。结合现场施工开挖地层情况与区域地质资料，斜井目前开挖地层应为震旦系上统观音崖组(Zbg)地层(沉积岩、变质岩)，岩性主要为灰～深灰色薄～中层状泥质白云岩、千枚岩、灰色千枚岩，现场开挖岩体破碎，多呈碎块状、散体状；地层与区域地质资料显示，地层存在差异且岩体破碎，推测F1跑马山断裂从跑马山2号隧道斜井洞身段经过，该断裂为一逆断层，上盘地层为震旦系上统观音崖组(Zbg)的灰～深灰色泥质白云岩、千枚岩，下盘地层为澄江-晋宁期(δo2(3))浅灰～灰白色闪长岩。

2.2 水文地质条件

隧道斜井口上方存在3股地表径流，宽度约为0.80，0.6，0.5m，水流量为3～5，1～3，0.5～2L/s。施工洞口截水沟将此地表水从洞口上方沿急流槽引流，以避免对隧道施工造成影响。隧道斜井洞口雨季时地表径流较大。

1)含水岩组根据跑马山2号隧道斜井地层结构以及岩体渗透性和富水性，将隧址区的含水岩组划分为松散岩类孔隙水岩组、弱～中等富水的裂隙水含水岩组，以及导水裂隙密集发育带含水岩组和相对隔水层。

2)裂隙水类型斜井区按含水岩组不同，主要划分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水、断裂破碎带孔隙裂隙水及可溶岩溶隙-裂隙水三大类型。

3 强涌水的特征及原因分析

3.1 强涌水段特征分析

隧道涌水灾害发生区域围岩涌水量大、压力高、涌出水位置沿裂隙分布。基于物探和现场监测统计，该段围岩为Ⅳ级中风化石英闪长岩，属较软岩，岩体呈块状，完整性一般，节理、裂隙较发育，地下水类型为基岩裂隙水，呈淋雨状或涌流状出水，出水量为23 000m3/d，局部出水压力达1MPa，出水量远大于设计最大涌水量。在爆破后水量与水压稍许减少，但钻孔后水量、水压呈增加趋势，个别时段水压增大至2MPa左右。

受山体断层及节理发育影响，隧道围岩出水部位具有显著的水量大、涌水点不对称现象，初期支护完成后，部分拱腰靠上表面存在淋雨状出水，局部为股状水，不同段落隧道围岩体初期支护完成后渗水量具有显著差异。钻孔时水量呈明显增加趋势，爆破完成后出水位置改变，水量稍有减少。

隧道掘进中出现的高承压水与围岩构造裂隙发育密切相关。另外，受长距离7.49%的大反坡开挖影响，围岩初期支护渗水、二次衬砌背后防水系统排水等所有水量通过中央排水沟汇集回灌至掌子面前方，进一步使得洞内排水量增大，甚至形成淹井风险。

3.2 强涌水原因分析

工程勘察分析结果表明，隧道发生强涌水灾害与地下水补给、径流与排泄特征和围岩节理、裂隙发育作用密切相关。

3.2.1地下水补给、径流与排泄特征

根据隧道区地层特性，该涌水段汇水面积约4.03km2，以花岗岩、闪长岩为主，坡较陡，且裂隙发育，岩体较破碎，受大气降水及冰雪融化水补给，排泄条件一般，槽谷两侧斜坡上的地表水多顺坡而下入渗补给本区，为弱富水岩组。

1)补给条件斜井区地下水主要接受融雪水和大气降雨的入渗补给，区域内最高地面高程约5 200.000m，在山地海拔较高处常有降雪，每年5—9月冰雪融化。其他时间地表水呈冰冻状态，地下水呈封闭状态，故地下水的补给源中，冰雪融水也占有重要位置。隧址区构造发育，岩体破碎，地形切割强烈、谷岭相间，为地表水入渗和贮存提供一定条件。

2)径流、排泄特征隧址区地下水的径流严格受地势控制，由山岭高处到低洼谷地沿斜坡顺裂隙、断裂不均匀地向就近沟谷径流，受场地地形控制，部分沿基岩裂隙向深部或坡下径流，或就近渗出于陡崖脚部，部分地势更低的河流排泄中以径流形式排泄。

3)动态变化特征大气降水以面状渗入或点状灌注的方式进入地下，致使其地下水的动态变化与降雨量的变化呈明显的线性关系。

施工现场监测发现，隧道强涌水段在受到地下水补给、径流与排泄后发生掌子面高承压涌水。

3.2.2围岩节理、裂隙发育作用

受区域构造作用的影响，隧址区形成了大量的构造裂隙，根据现场查看掌子面，主要发育2组裂隙：①裂隙1 278°∠80°，走向与隧道轴向大致垂直，与区域地质构造主要构造方向(鲜水河NW向构造带)近似平行，裂隙微张，无充填，间距0.2～0.8m；②裂隙2 192°∠65°，走向与隧道轴向小角度斜交，与区域地质构造主要构造方向(鲜水河NW向构造带)近似垂直，裂隙闭合～微张，无充填，间距0.4～1.2m。这些裂隙为地下水的赋存提供了良好的存储空间。

4 隧道强涌水段整治与施工

隧道强涌水段的施工及处治原则是“超前泄压，排堵结合，以排为主”。掌子面超前钻孔后，经一段时间的泄水泄压后，水量和水压得到一定释放。根据水压、水量监测分析，针对初期支护股状水处采取径向局部帷幕注浆方法进行处治。掌子面部分水排泄后采取三台阶先行导坑法施工，必要时辅助超前环向堵水，下台阶前方形成倒坡储水载体及时跟进仰拱施工方法。

4.1 涌水灾害整治

通过隧道施工过程实践，隧道强涌水段洞壁及初期支护淋雨状水和涌流股状水采取径向局部帷幕注浆方法处治，掌子面掘进遇到的承压水在超前钻孔减压泄水后采取三台阶先行导坑法施工，水量较大难以施工时辅助超前周边环向注浆堵水处治。

4.1.1洞壁及初期支护渗流水特征

对于洞壁及初期支护大面积渗水、淋水和股状水频发段，采取周边局部注浆堵水处治，主要是周边注浆有效范围为隧道开挖轮廓线外5m，孔口间距1.5m×1.5m(环向×纵向)，梅花形布置，如图1所示。注浆孔径46mm，孔口设0.5m长φ54mm热轧无缝钢管作为孔口管，注浆孔与隧道轴线呈60°角，孔深4.5m。采取纯压式全孔一次注浆，从两边到中间，一个注浆段分两序隔排施工，同一排孔按由上到下顺序施工，采用CS浆液，C∶S=1∶(0.4～0.6)(体积比)，水泥浆水灰比为0.8∶1～1∶1，P·O42.5水泥，水玻璃模数2.8，水玻璃浓度35°Bé。

图1 洞壁及初期支护渗流水整治方案

对于局部注浆堵水后仍有股状水涌出的，根据出水口径大小采取插入带止水阀楔形同口径钢管引流，待水量明显减少后关闭止水阀；对于水量无明显减少的采取波纹管引流至中央排水沟。

4.1.2掌子面涌水特征

结合现场基岩裂隙观察及水量监测情况，掌子面右侧股状承压水喷出时，主要采取超前钻孔排水泄压处治，掌子面采取大功率潜孔钻距拱顶约1.2m左右、距拱腰0.8m左右布设φ110mm超前钻孔，水量及水压较大时，在基岩裂隙部位增设φ110mm超前钻孔泄水孔(见图2)。

图2 掌子面强涌水整治方案

4.2 强涌水段长距离反坡施工技术

对强涌水的处治分析认为，受地下水快速补给影响的节理发育隧道，尤其在长距离反坡施工时，应加强超前钻孔排水泄压，同时进行水量、水压监测，在此基础上采用三台阶先行导坑法施工。根据水量、水压监测结果适时调整开挖工法，考虑静水压力对后期结构影响，局部调整支护参数。

4.2.1围岩涌水监测

采用TRT进行超前100m和地质雷达超前20m预报前方围岩富水情况，结合超前预报情况采用φ110mm潜孔钻进行超前20～30m钻孔，探明围岩前方富水情况，并验证TRT和地质雷达预报结果，同时做好涌水量监测，如图3所示。在拱顶和拱腰围岩收敛处共布设5个监测点，监测点布置于两拱架之间纵向，间隔5m，并采用反光标识。监控量测频率按照1次/d，根据地质预报数据适时调整开挖方法。

图3 围岩富水段超前预报及涌水量监测曲线

由图3b可看出，隧道涌水量曲线总体呈“缓慢增加，趋于稳定”状态，而由图3c可知围岩开挖前后涌水量呈“钻孔时水量、水压大，爆破后水量明显减少” 2个阶段，爆破前后涌水量呈两段近似线性变化趋势。11月6—13日，涌水量基本维持在23 000m3，拱顶沉降值增加6.50mm；11月15日以后涌水量基本维持在20 000m3。爆破后掌子面涌水量约在430m3/h,明显减少。

4.2.2开挖方案选用

通过超前钻孔进行排水泄压，掌子面水压有一定减小，掌子面采取三台阶先行导坑法施工，必要时辅助超前环向注浆，如图4所示，下台阶前方形成倒坡储水载体及时跟进仰拱施工方法。

图4 涌水段超前环向注浆

将台阶自上而下分为上台阶先行导坑，高度约3.9m，右侧中台阶预留临时坑道排水，中台阶预留右侧2m宽临时排水坑道后全宽开挖，高度约3m，左侧下台阶预留2.5m临时坑道排水，最后剩余约2m高台阶进行清底爆破，清底后暂不清渣，利用反坡施工作为仰拱开挖时的储水载体，方便仰拱区域少水开挖。

工序1开挖前，在上台阶掌子面左、右两侧各打设4个φ110mm集中排水孔，其余根据围岩裂隙情况打设裂隙泄水孔，在围岩裂隙泄水孔水量较大时采取0.5m长φ110mm楔形管道栓接6m专用排水管集中引排后开挖，如图5所示。工序1开挖时在工序3顶部同时开挖处排水坑道排除工序1的涌水。工序2开挖时在工序4左侧开挖集中排水坑道排出工序1～3的涌水。工序4清底持续跟进爆破暂不清渣，作为仰拱储水载体预留一定长度施工仰拱，最终完成隧道围岩开挖。

图5 涌水段台阶法施工

4.2.3综合排水方式

隧道已单向反坡掘进700m，洞内外高差约49m。针对大水量、长距离反坡、高扬程的特点，设计双水箱式固定泵站、多条管路串并联及局部截水并网等技术措施，确保能够迅速高效地排出掌子面积水，如图6所示。

图6 长距离反坡施工综合排水

掌子面处根据水量大小采用若干20kW水泵连接活动软管，将涌水集中抽排至仰拱前端的临时集水箱中，临时水箱通过管道集中抽排在双水箱固定泵站内，经临时沉淀后通过接力泵站抽排于洞外，经沉淀和污水处理后排放。主排水管道采用φ300mm钢管，并预留φ200mm钢管，仰拱每200m设置1道2m全宽的仰拱截水井，集中引排隧道排水系统汇集在中央水沟的水，双水箱泵站采取2台200kW水泵集中抽排，接力泵站采用4台50kW水泵进行抽排。

4.2.4防排系统及支护形式

强涌水段围岩裂隙发育，静水压力较大，原排水系统管路排水能力有限，围岩富水区水头高度增加，隧道衬砌完成后可能会承受较大压应力。隧道环向排水管沿纵向设2m/道，并直接与中央排水沟连接。防水层采取1.5mm厚单面自粘复合防水板。

涌水段采用加密小导管超前支护，宜每架设2榀钢架施作1次，根据围岩裂隙程度，采用长3～4.50m、间距40cm导管分大小外插角施作，小导管尾部与钢拱架牢固焊接，注浆饱满。采用I20b@100cm钢拱架，φ8@200×200钢筋网，26cm厚C20喷射混凝土，二次衬砌为50cm厚C30混凝土(配筋：φ22@250×250)，4根长4.5mφ42锁脚锚杆。在涌水较大段落，加强二次衬砌中埋式和背贴式止水带安装，做好防水、止水措施。

4.3 涌水预防措施

隧道开挖施工时虽采取了一定的超前预报，但受施工地质复杂、人为经验等影响，预报仍会出现预判位置不准、情况描述不清等，所以隧道施工中必须坚持有效的超前地质预报，检查长短预报结合、超前钻孔验证的方式，尤其是地质复杂地段，必须要坚持超前钻孔，一方面为了验证超前地质预报的准确性，另一方面对于富水基岩可起到超前泄压降水作用，避免因预报漏报、误报等造成安全事故。

对于裂隙发育的围岩，洞壁渗水、淋雨状水较大时，以加固为主时采取纯水泥浆注浆，以堵水为主时采取CS注浆，一般情况下采取全孔一次注浆，当成孔性差时应分2段采用前进式注浆。涌水段水量较大时掌子面采取小导管周边环向注浆。同时采用分级泵站进行排水，泵站距离宜≤400m，水泵选型根据水量大小选择，固定泵站宜采用大功率水泵。