關(guān)角隧道突涌水機(jī)理分析及處治技術(shù)

錢富林

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司西格二線工程指揮部，青海西寧 810000)

關(guān)角隧道突涌水機(jī)理分析及處治技術(shù)

錢富林

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司西格二線工程指揮部，青海西寧 810000)

為保證關(guān)角隧道順利穿越巖溶富水區(qū)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、連通試驗(yàn)及對(duì)隧道突涌水水文地質(zhì)概念模型的分析，研究關(guān)角隧道突涌水發(fā)生的機(jī)理。研究結(jié)果表明，關(guān)角隧道突涌水屬揭穿型，受蓄水構(gòu)造和降雨的影響明顯。對(duì)隧道掌子面、洞身突涌水模式進(jìn)行了理論分析，對(duì)不同的突涌水模式制訂了針對(duì)性的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、注漿或地表導(dǎo)流方案。論述了突涌水預(yù)防和治理方案的應(yīng)用條件、施工工藝和技術(shù)要點(diǎn)。

隧道 突涌水 機(jī)理 超前探測(cè) 注漿

關(guān)角隧道穿越長(zhǎng)大段落巖溶富水區(qū)域，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中涌水壓力超過2 MPa，涌水量較大，對(duì)工程施工帶來了極大影響。其中，最為突出的問題是隧道內(nèi)地下水的補(bǔ)給及處治。隧道的開挖改變了原有的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和地下水流場(chǎng)，傳統(tǒng)的施工方法受到挑戰(zhàn)［1］。為了克服富水環(huán)境對(duì)施工的影響，通過對(duì)隧道突涌水機(jī)理分析，采取了必要的超前探水、水泥—水玻璃漿液和化學(xué)漿液相結(jié)合的注漿堵水措施，確保了隧道順利穿越富水區(qū)域，為同類隧道建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 關(guān)角隧道突涌水機(jī)理分析

1.1 突涌水形式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，關(guān)角隧道的地下水類型為基巖裂隙水和巖溶裂隙水。施工沿線共揭露溶腔3處，均為靜態(tài)儲(chǔ)水，短時(shí)間內(nèi)水量較大，釋放完后對(duì)工程影響不大。施工中遇到的突涌水災(zāi)害主要出現(xiàn)在3，4號(hào)斜井巖體質(zhì)量較好(Ⅱ～Ⅳ級(jí))的灰?guī)r地層中，突涌水主要表現(xiàn)為兩種形式：①涌水點(diǎn)主要分布在拱部及邊墻，以股狀涌水及淋雨?duì)钣克问窖亓严冻雎叮哂谐鏊c(diǎn)多、單孔涌水量小、總涌水量大及水壓較低的特點(diǎn)。②涌水點(diǎn)較為集中，股狀涌水，涌水量較大，水壓較高(1.3～4.5 MPa)。

1.2 地表水流量監(jiān)測(cè)

2008年8月16日，分別在3，4號(hào)斜井所處的克德攏溝距4號(hào)斜井口約1.2 km的上游處和距斜井口約0.4 km的下游處布置流量測(cè)試斷面，對(duì)地表水流量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試采用浮標(biāo)法，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 地表水流量測(cè)試結(jié)果

由表1可看出，地表水在流經(jīng)斷面Ⅰ和斷面Ⅱ(間距約0.8 km)的過程中流量損失約23 093 m3/d。由此可見，克德攏溝谷地表水對(duì)斜井有一定的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

1.3 連通試驗(yàn)

為進(jìn)一步查明地表水與3，4號(hào)斜井的水力聯(lián)系，在3，4號(hào)斜井上游布置試驗(yàn)坑進(jìn)行連通試驗(yàn)，試驗(yàn)試劑采用紅色氧化鐵粉，同時(shí)在洞內(nèi)觀測(cè)顏色并取樣化驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)經(jīng)過72 h的觀測(cè)，3，4號(hào)斜井洞內(nèi)涌水未見顏色的變化。這是由于洞內(nèi)涌水較大，涌水對(duì)顏色的稀釋是導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果不理想的直接原因。

2)水質(zhì)分析結(jié)果：4號(hào)斜井未投放示蹤劑前水樣的鐵離子含量＜0.005 mg/L，投放示蹤劑24 h后鐵離子含量＜0.005 mg/L，48 h后為0.032 mg/L，鐵離子含量為試驗(yàn)前的6.4倍。3號(hào)斜井未投放示蹤劑前水樣的鐵離子含量＜0.005 mg/L，投放示蹤劑24 h后鐵離子含量＜0.005 mg/L，48 h后為0.011 mg/L，鐵離子含量為試驗(yàn)前的2.2倍。

試驗(yàn)結(jié)果表明，克德攏溝地表水與4號(hào)斜井具有較好的水力聯(lián)系，與3號(hào)斜井具有一定的水力聯(lián)系，是斜井涌水的重要補(bǔ)給來源。

1.4 突涌水水文地質(zhì)概念模型

關(guān)角隧道巖溶區(qū)普遍發(fā)育強(qiáng)徑流帶，地下暗河極不發(fā)育。巖溶地下水系統(tǒng)不論是地下水賦存空間，還是徑流空間，主要受構(gòu)造裂隙(巖溶裂隙)控制，主干裂隙是徑流通道(強(qiáng)徑流帶)，次級(jí)裂隙為賦存空間［2-3］。關(guān)角隧道圍巖含水介質(zhì)為裂隙—溶隙含水介質(zhì)。按照隧道所處的巖溶水系統(tǒng)的垂向循環(huán)帶、季節(jié)變動(dòng)帶、水平循環(huán)帶、深部循環(huán)帶和強(qiáng)徑流帶，可將其概化為如下五種水文地質(zhì)概念模型：

1)隧道位于區(qū)域最高地下水位以上，一般不存在穩(wěn)定的突涌水問題，主要表現(xiàn)為沿裂隙和溶隙的滴水和滲水。雨季會(huì)有短期的小流量股狀涌水，由于埋深淺，沒有形成自由水面，基本不會(huì)形成較大的水壓力，對(duì)工程正常施工影響不大，風(fēng)險(xiǎn)性較小。這種模式通常位于隧道的進(jìn)出口部位。

2)隧道處于區(qū)域地下水最高水位和最低水位之間，主要表現(xiàn)為沿裂隙和溶隙的滲水、涌水，在枯水期水量較小或無水，在雨季或豐水期洞內(nèi)裂隙出水量增大或會(huì)形成新的涌水點(diǎn)，水量集中、變幅大、突發(fā)性強(qiáng)，危害性也較大，在排水能力充足的情況下，對(duì)工程正常施工影響不大。

3)隧道位于區(qū)域最低地下水位下方數(shù)十米，基巖裂隙發(fā)育程度較低，主要表現(xiàn)為沿裂隙和溶隙的涌水現(xiàn)象，雨季時(shí)涌水量會(huì)增大，涌水量相對(duì)比較穩(wěn)定，揭示涌水量與正常涌水量差異不大，在采取相應(yīng)的堵水、排水措施條件下，對(duì)工程正常施工影響不大，一般不存在嚴(yán)重的突水問題。

4)隧道位于區(qū)域地下水位下方數(shù)百米，其突水的特征一般以清水為主，裂隙—溶隙不發(fā)育，水量相對(duì)比較穩(wěn)定，初次揭示涌水量與正常涌水量差異不大。由于地下水的水壓力較大，易發(fā)生大規(guī)模突涌水，風(fēng)險(xiǎn)性較大。

5)隧道處于裂隙—溶隙極發(fā)育的構(gòu)造破碎帶含水介質(zhì)中，處于地下巖溶水系統(tǒng)的強(qiáng)徑流帶，隧道涌突水量與地表降雨和地表水體關(guān)系極為密切。當(dāng)隧道處于巖溶水系統(tǒng)的下游，在高水壓作用下容易同時(shí)誘發(fā)破碎圍巖崩塌，突水災(zāi)害的危害性巨大。該模式突水特征為初次揭示涌水量、正常涌水量和水壓力極大，且相對(duì)比較穩(wěn)定。

隧道突涌水發(fā)生除與水文地質(zhì)概念模型有關(guān)外，還與降雨期有關(guān)。不同降雨時(shí)期降水量不同，洞內(nèi)涌水量大小也不一樣。根據(jù)天峻縣氣象站的降雨資料，關(guān)角隧道地區(qū)7月份最大降雨量為153.7 mm，為30年一遇的強(qiáng)降雨，相比歷史同期增加了92%，單日最大降雨量為2008年7月28日的42.8 mm。

關(guān)角隧道4號(hào)斜井2008年7月30日實(shí)測(cè)涌水量為8 100～9 200 m3/d，之后水量持續(xù)增大，9月28日實(shí)測(cè)水量為24 000 m3/d。7月19日實(shí)測(cè)洞內(nèi)涌水量為8 617.2 m3/d，9月16日實(shí)測(cè)水量為16 456.0 m3/d(峰值涌水量為23 000 m3/d)，不同時(shí)段的涌水量相差巨大。隧道在雨季的突涌水風(fēng)險(xiǎn)性大，而枯水季節(jié)突涌水的風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)較小。

2 突涌水模式

通過以上對(duì)不同水文地質(zhì)概念模型下隧道涌突水特點(diǎn)的分析可以看出，關(guān)角隧道突涌水是揭穿型，受蓄水構(gòu)造和地區(qū)大氣降水因素的影響明顯。將各種突涌水按發(fā)生條件和機(jī)理劃分為洞身突涌水和掌子面突涌水兩種模式。

2.1 掌子面突涌水模式

掌子面突涌水模式包括裂隙—溶隙和構(gòu)造帶兩種突涌水模式，兩種模式的突水機(jī)理差異較大［4］。

1)裂隙—溶隙型突涌水模式主要表現(xiàn)為地下水從掌子面局部節(jié)理和裂隙中淋出或涌出，由于裂隙—溶隙含水介質(zhì)的過水和蓄水能力有限，涌水的水量和水壓較小。

2)構(gòu)造帶突涌水模式主要是由于掌子面前方的構(gòu)造帶中賦存豐富的地下水，由于儲(chǔ)水構(gòu)造形成時(shí)間較長(zhǎng)，賦存了較大的水量，具有較大水壓，當(dāng)較完整的隔水層不足以承受構(gòu)造帶的水壓而發(fā)生破壞時(shí)，大量的地下水隨之突然涌出。

2.2 洞身突涌水模式

關(guān)角隧道3號(hào)斜井長(zhǎng)1 667 m、4號(hào)斜井長(zhǎng)1 571 m，斜井坡度大，長(zhǎng)距離反坡排水是施工面臨的一大難題，因此對(duì)斜井洞室開挖后洞身突涌水模式的研究至關(guān)重要。

已有的研究表明，與巖溶弱徑流區(qū)(裂隙—溶隙不發(fā)育)比較，強(qiáng)徑流帶地下水相當(dāng)穩(wěn)定，無論是地下水位還是流量，其變化幅度都比弱徑流區(qū)小得多。這是因?yàn)榫藓竦陌鼩鈳Ъ叭鯊搅鲄^(qū)對(duì)地下水調(diào)蓄作用的結(jié)果。強(qiáng)徑流區(qū)地下水位年變幅一般為3～13 m，弱徑流區(qū)地下水位年變幅可達(dá)16～112 m，隧道通過強(qiáng)徑流區(qū)時(shí)可不考慮地下水變化的影響。

關(guān)角隧道巖溶段屬于裸露型巖溶，受大氣降水補(bǔ)給明顯，弱徑流區(qū)地下水位變幅大。當(dāng)洞身穿越季節(jié)變動(dòng)帶，在枯水期時(shí)，地下水處于低水位，洞身地下或無水或滲水。在豐水期時(shí)，地下水達(dá)到高水位，巨大的水位差會(huì)造成洞身段出水點(diǎn)涌水量劇增或出現(xiàn)新的涌水點(diǎn)。這種枯水期和豐水期涌水量的巨大差距，往往會(huì)導(dǎo)致在枯水期施工時(shí)不能準(zhǔn)確判斷地下水狀態(tài)，沒有采取相應(yīng)的處理措施就繼續(xù)施工。而在豐水期時(shí)，由于斜井內(nèi)反坡排水能力有限，當(dāng)涌水量高于排水量時(shí)就會(huì)釀成大型突涌水災(zāi)害。

洞身段處于垂直循環(huán)帶和水平循環(huán)帶時(shí)，由于水頭不高，主要表現(xiàn)為地下水沿隧道壁匯集，成股狀或點(diǎn)狀，通過注漿即可控制。處于深部循環(huán)帶時(shí)，高壓突水地段在開挖施工時(shí)已進(jìn)行超前封堵處理，洞身也不會(huì)出現(xiàn)大的涌水點(diǎn)，因此一般不會(huì)對(duì)地下工程造成很大的排水壓力，對(duì)地下工程的襯砌也不會(huì)產(chǎn)生很大的水壓力。綜上所述，洞身突涌水模式應(yīng)以洞身處于季節(jié)變動(dòng)帶時(shí)為典型進(jìn)行預(yù)防和處理。

3 關(guān)角隧道突涌水防治技術(shù)

針對(duì)關(guān)角隧道突涌水制訂了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案和處理方案。在以堵為主地段實(shí)施洞內(nèi)外綜合處治技術(shù)。洞內(nèi)采用注漿堵水的方法，注漿方案根據(jù)突涌水模式及地層揭露情況確定。洞外采用地表導(dǎo)流方式，減少地表對(duì)洞內(nèi)水源的補(bǔ)給，再利用反坡抽排水技術(shù)將滲入隧道的地下水排出，以控制地下水的影響［5］。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

3.1.1 預(yù)報(bào)原則及方法

針對(duì)關(guān)角隧道地質(zhì)的復(fù)雜性和多變性，施工中采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，按照“長(zhǎng)短結(jié)合、上下對(duì)照、定性與定量相結(jié)合”的原則，在隧道風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的基礎(chǔ)上，采用相對(duì)應(yīng)的綜合預(yù)報(bào)方案。其中長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)在本標(biāo)段隧道連續(xù)進(jìn)行，短期地質(zhì)預(yù)報(bào)只在重點(diǎn)地段如斷層破碎帶、富水區(qū)段進(jìn)行。

3.1.2 施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

針對(duì)隧道不同段落的地質(zhì)復(fù)雜程度和既有的地質(zhì)資料，將關(guān)角隧道的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)劃分為A，B，C三個(gè)等級(jí)，具體分級(jí)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)項(xiàng)目見表2。

3.1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)TSP203預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的最有效距離是掌子面前方100 m，并且兩次預(yù)報(bào)應(yīng)有至少10 m的搭接，保證不遺漏隧道不良地質(zhì)。當(dāng)預(yù)報(bào)前方工程地質(zhì)極不良時(shí)，應(yīng)當(dāng)提高預(yù)報(bào)頻率，并且縮小預(yù)報(bào)距離，同時(shí)還應(yīng)增加預(yù)報(bào)位置的搭接長(zhǎng)度。

2)地質(zhì)雷達(dá)的預(yù)報(bào)距離應(yīng)嚴(yán)格限定在30 m以內(nèi)，20 m以內(nèi)效果最好。兩次預(yù)報(bào)之間的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)＜5 m。

3)紅外線超前探水預(yù)測(cè)距離應(yīng)在30 m以內(nèi)，兩次預(yù)報(bào)之間的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)＜5 m。

4)掌子面地質(zhì)素描需要在隧道施工全程實(shí)施，每個(gè)開挖循環(huán)做一次。

表2 關(guān)角隧道施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)項(xiàng)目

5)超前鉆探主要應(yīng)用于長(zhǎng)期、短期預(yù)報(bào)確定的主要不良地質(zhì)區(qū)段。依據(jù)工程地質(zhì)情況，鉆探法可以分為長(zhǎng)距離超前水平鉆探、短距離超前鉆探和加深炮孔三種。其中長(zhǎng)、短距離超前水平鉆探是采用水平地質(zhì)鉆機(jī)完成的，加深炮孔是通過加深掌子面鉆孔完成的。①長(zhǎng)距離超前水平鉆探應(yīng)用在規(guī)模較大的重大災(zāi)害隱患地段，鉆探的距離30～100 m，應(yīng)當(dāng)一次性穿過不良地質(zhì)地段。掌子面中部探孔水平布置，拱底和拱頂探孔終孔位置應(yīng)布置在輪廓線外3～4 m處。鉆好的孔應(yīng)進(jìn)行壓水滲漏性試驗(yàn)。②短距離鉆探法鉆探距離20～30 m，搭接長(zhǎng)度5 m，對(duì)于一般斷層破碎帶，每個(gè)掘進(jìn)工作面布設(shè)超前取芯探孔1～3個(gè);對(duì)于多水、富水帶，應(yīng)增設(shè)2～3個(gè)探水孔，分別位于拱頂和拱腰部位，超前探水孔終端位于隧道開挖輪廓線外1.5～3.0 m。③超長(zhǎng)炮孔法通過加深炮孔到5～10 m探測(cè)前方的工程地質(zhì)情況，沿掌子面周邊布置，并分別以30～45°的外插角實(shí)施。

3.2 裂隙—溶隙型掌子面突涌水注漿技術(shù)

根據(jù)掌子面裂隙—溶隙型突涌水模式的機(jī)理，當(dāng)水量較小、出水點(diǎn)比較分散時(shí)，采取“以排為主”的原則，后續(xù)施工中，一般情況下應(yīng)帶水作業(yè)，強(qiáng)行通過，以保證掘進(jìn)為主。當(dāng)涌水量較大、出水比較集中時(shí)，采用“以堵為主、超前封堵”的原則，當(dāng)未開挖段掌子面單孔涌水量＞40 m3/h時(shí)，對(duì)出水點(diǎn)采取頂水注漿為主的方式進(jìn)行治水。

當(dāng)出水點(diǎn)較多、涌水量較大時(shí)，基于基巖裂隙水體空間分布，采用分區(qū)注漿技術(shù)，首先將注漿區(qū)分為左上、右上、左下、右下4個(gè)區(qū)域，并根據(jù)探孔出水量判別標(biāo)準(zhǔn)劃分為弱水區(qū)或強(qiáng)水區(qū)。當(dāng)出水量≥5 m3/h時(shí)，為強(qiáng)水區(qū);當(dāng)出水量＜5 m3/h時(shí)，為弱水區(qū)。對(duì)弱水區(qū)進(jìn)行一般性注漿，弱水區(qū)可以少開孔或者不開孔。強(qiáng)水區(qū)開孔進(jìn)行重點(diǎn)性注漿。

3.3 構(gòu)造帶型掌子面突涌水模式注漿技術(shù)

掌子面構(gòu)造帶突涌水模式的力學(xué)機(jī)理是，當(dāng)構(gòu)造裂隙和隧道之間的巖柱不足以抵抗構(gòu)造裂隙中的水壓時(shí)，構(gòu)造裂隙中的水就可能向著臨空面及隧道方向突出，形成災(zāi)害。因此，為有效預(yù)防掌子面突涌水現(xiàn)象的發(fā)生，需要預(yù)留足夠厚度的巖盤抵抗水壓力。

3.4 掌子面預(yù)留巖盤安全厚度分析

根據(jù)文獻(xiàn)，可將掌子面前方巖墻簡(jiǎn)化為彈性厚板，根據(jù)邊界條件解答出巖墻中的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以拉破壞和剪切破壞為控制條件［6］。

1)抗拉強(qiáng)度控制的安全厚度

采用Reissner厚板理論確定巖盤安全厚度，力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 彈性厚板突水計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)假定止水巖盤周邊固定，均勻連續(xù)、各向同性。按軸對(duì)稱問題求解抗拉強(qiáng)度控制的安全厚度S。公式如下

式中：μ為巖體泊松比，p為水壓力，R為巖盤等效半徑，σt為巖體的抗拉強(qiáng)度，γi為第i層巖層的重度，hi為第i層巖層的厚度。

以關(guān)角隧道正洞不同級(jí)別圍巖為例，R=3 m，p=2 MPa，其中Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖取完整巖塊的抗拉強(qiáng)度，統(tǒng)一取5 MPa。Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)，由于完整性較差，高壓水主要通過裂隙通道涌出，此時(shí)可認(rèn)為圍巖抗拉強(qiáng)度為0。計(jì)算得掌子面最大拉應(yīng)力σ1與巖盤厚度的關(guān)系如圖2所示，巖盤厚度與埋深的關(guān)系如圖3所示。

圖2 掌子面最大主應(yīng)力σ1隨巖盤厚度的變化規(guī)律

圖3 巖盤厚度隨埋深的變化規(guī)律

由圖2可以看出：相同水壓下，巖盤越厚，巖盤的最大應(yīng)力越小，巖盤的最大應(yīng)力隨厚度的增大呈指數(shù)型衰減趨勢(shì);相同巖盤厚度時(shí)，不同級(jí)別圍巖的巖盤最大應(yīng)力相差不大。

由圖3可以看出，以抗拉強(qiáng)度控制計(jì)算安全厚度時(shí)，在不同埋深下，Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖的安全厚度基本相同，安全厚度/隧道等效直徑為0.13～0.18，變化不大。Ⅳ級(jí)圍巖安全厚度明顯大于Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖，安全厚度/隧道等效直徑為0.16～0.35。

2)抗剪強(qiáng)度控制的安全厚度

根據(jù)隧道力學(xué)理論，隧道開挖后，其掌子面前方將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)塑性區(qū)，該區(qū)內(nèi)巖層的滲透系數(shù)增大，巖層的阻水能力急劇下降，為保障安全，只考慮真正能起阻水作用的巖層。構(gòu)造裂隙在隧道前方，設(shè)隧道半徑為r0，取巖柱塊體用結(jié)構(gòu)力學(xué)剪切破壞理論進(jìn)行分析，此塊體的受力如圖4所示?？辜魪?qiáng)度控制的巖盤安全厚度L滿足如下的塊體平衡方程

式中：C為巖盤周長(zhǎng);φ為飽和內(nèi)摩擦角;c為飽和黏聚力;λ為側(cè)壓力系數(shù);Hi為巖柱中心的埋深;A為安全巖盤的斷面面積。

圖4 巖柱塊體受力

隧道為圓形斷面，將安全厚度表示為隧道等效洞徑(2r0)的倍數(shù)，可寫成以下形式

安全厚度目前尚無法用解析方法計(jì)算，需要采用數(shù)值計(jì)算的方法求解。

由式(3)看出，巖柱的安全厚度隨隧道半徑、構(gòu)造裂隙水壓力以及側(cè)壓力系數(shù)增大而增大，隨巖體的強(qiáng)度參數(shù)(c，φ)的增大而減小。在不同埋深、圍巖等級(jí)、側(cè)壓力系數(shù)條件下，巖柱安全厚度/隧道等效直徑隨構(gòu)造裂隙水壓力的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 巖柱安全厚度與水壓力的關(guān)系

由圖5(a)看出：同一水壓力時(shí)，圍巖質(zhì)量越好，所需的安全厚度越小。以關(guān)角隧道正洞等效6 m洞徑計(jì)算，水壓力1.5 MPa時(shí)，Ⅲ級(jí)圍巖需要的安全巖盤厚度為洞徑的0.39倍即2.34 m，而Ⅳ級(jí)圍巖需要的厚度為洞徑的0.67倍即4.02 m;質(zhì)量越好的圍巖，當(dāng)水壓力增大時(shí)，所需安全厚度的增量越小。水壓力由0.2 MPa增大至3.0 MPa時(shí)，Ⅱ級(jí)圍巖安全厚度與隧道等效直徑之比由0.21增至0.29，增量?jī)H為0.08;Ⅴ級(jí)圍巖由0.83增至1.14，增量為0.31。說明圍巖完整、巖塊強(qiáng)度高時(shí)，水壓力的增大對(duì)巖柱安全厚度的影響不大。

由圖5(b)看出，隧道埋深越大，當(dāng)水壓力增大時(shí)，所需安全厚度的增量越小。水壓力由0.2 MPa增大至3.0 MPa時(shí)，埋深50 m時(shí)安全厚度與隧道等效直徑之比由0.23增至0.70，增量為0.47;埋深500 m時(shí)由0.35增至0.43，增量?jī)H為0.08。這說明埋深較淺時(shí)，巖柱安全厚度主要取決于水壓力的大小;當(dāng)隧道埋深增大到一定程度后，巖柱安全厚度主要受地應(yīng)力控制，水壓力的增大對(duì)巖柱安全厚度的影響不大。

由圖5(c)看出，同一水壓力下，隨側(cè)壓力系數(shù)增大，安全厚度明顯增大。水壓力0.2 MPa時(shí)，λ=0.5時(shí)安全厚度與隧道等效直徑之比為0.14;λ=2.0時(shí)為0.55，增量較大，為0.41，說明在確定巖盤安全厚度時(shí)，應(yīng)重視構(gòu)造應(yīng)力的影響。

通過以上對(duì)抗拉強(qiáng)度控制和抗剪切強(qiáng)度控制的安全厚度的計(jì)算分析可看出，以抗剪切強(qiáng)度控制的安全厚度明顯大于以抗拉強(qiáng)度控制的安全厚度，因此關(guān)角隧道的安全厚度采用抗剪切強(qiáng)度控制方法計(jì)算，安全厚度/隧道等效直徑取值如表3所示(實(shí)際使用時(shí)應(yīng)考慮安全系數(shù))。

表3 各級(jí)圍巖預(yù)留安全厚度/隧道等效直徑建議值

在關(guān)角隧道現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，采取超前探孔預(yù)測(cè)到前方存在大型隱伏蓄水構(gòu)造時(shí)，如果前方蓄水構(gòu)造突水壓力大，水量豐富，根據(jù)圍巖質(zhì)量等級(jí)和水壓力，保留3～10 m的防突巖盤(圍巖質(zhì)量差時(shí)取大值，圍巖質(zhì)量好時(shí)取小值);如果水壓力不大，水量不太豐富時(shí)，應(yīng)采取超長(zhǎng)炮孔加強(qiáng)探測(cè)，在保證掌子面穩(wěn)定的前提下，盡量靠近蓄水構(gòu)造，以減少采取超前預(yù)注漿時(shí)的鉆孔和注漿工作［7］。

4 隧道突涌水處治技術(shù)

4.1 突涌水處理措施選擇

為減小施工期間的排水壓力，保證隧道運(yùn)營期間斜井內(nèi)匯水可通過正洞安全排出，根據(jù)涌水的形式，針對(duì)不同情況，采用不同的注漿堵水措施。注漿漿液類型根據(jù)實(shí)際情況確定，優(yōu)先考慮水泥單液漿。如水量大則先用水玻璃、水泥雙液漿堵水，待水量控制后補(bǔ)注水泥單液漿。確定的關(guān)角隧道涌水處理措施選擇標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 涌水處理措施選擇標(biāo)準(zhǔn)

4.2 漿液種類及配合比選擇

注漿漿液共有兩種：普通42.5水泥單液漿(水泥∶水=1∶1);普通42.5水泥、水玻璃雙液漿，水∶水泥∶水玻璃 =1∶1∶(0.6 ～0.7)，水玻璃濃度 35Be'，模數(shù)3.2;馬麗散堵水材料(樹脂∶催化劑=1∶1)膨脹系數(shù)為3～25倍，無水時(shí)膨脹系數(shù)＞3，有水時(shí)膨脹系數(shù)＞10。

4.3 施工方案、工藝及實(shí)施

4.3.1 止?jié){墻及預(yù)埋孔口管施工

由于涌水面多存在集中出水點(diǎn)，水壓較大，孔口管施工難度大，圍巖較破碎，封水施工難于控制。為確保安全，不能進(jìn)行擴(kuò)孔及加強(qiáng)支護(hù)，因此在不存在搭接注漿段落施工止?jié){墻，在施工過程中預(yù)埋端部帶法蘭盤的孔口管。止?jié){墻設(shè)計(jì)厚度3 m，采用C25混凝土澆筑，嵌入隧道開挖周邊輪廓1 m。采用架立鋼模板、腳手架加固、輸送泵泵送混凝土的方法施工。除長(zhǎng)距離持續(xù)注漿段落出現(xiàn)特殊情況影響注漿施工及安全情況下補(bǔ)做止?jié){墻外，其余均預(yù)留5 m作為下循環(huán)注漿止?jié){巖盤。

4.3.2 止?jié){墻出水部位埋設(shè)孔口管及封閉止?jié){墻施工

止?jié){墻施工完成后，在周邊及拱部局部出現(xiàn)涌水，故在止?jié){墻出水部位鉆孔后安裝端部帶法蘭盤的孔口管，孔口管采用錨固劑及棉、纖維、木楔等固定于鉆孔內(nèi)，并安裝閥門。安裝完成后進(jìn)行封閉止?jié){墻注漿施工。注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水玻璃濃度35Be'，模數(shù)3.2，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.7，保證漿液的膠凝時(shí)間在20 s之內(nèi)。注漿封閉效果達(dá)到孔口管閥門關(guān)閉時(shí)止?jié){墻整體不能出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象。

4.3.3 鉆機(jī)鉆孔并埋設(shè)孔口管(導(dǎo)向管)

采用C6鉆機(jī)根據(jù)標(biāo)記的鉆孔位置及設(shè)計(jì)角度在止?jié){墻上鉆孔，鉆孔深度2.5～3.0 m，然后安裝端部帶法蘭盤的φ100孔口管，并對(duì)孔口管進(jìn)行加固處理。

4.3.4 鉆孔及前進(jìn)式注漿

采用C6鉆機(jī)通過預(yù)埋孔口管間隔鉆孔，先鉆最外圈的注漿孔，考慮注漿擴(kuò)散半徑對(duì)注漿效果的影響，一次性鉆孔長(zhǎng)度為8 m，然后進(jìn)行注漿，待漿液基本凝固后，再次對(duì)原注漿孔進(jìn)行鉆孔注漿，直至達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。按照上述前進(jìn)式注漿施工工序，依次完成3環(huán)超前帷幕注漿孔的鉆孔及注漿施工，要保證漿液的擴(kuò)散半徑、強(qiáng)度及耐久性。

4.3.5 止?jié){墻出水部位孔口管注漿施工

打開原止?jié){墻出水部位孔口管的閥門，發(fā)現(xiàn)局部出水較大，再進(jìn)行頂水補(bǔ)強(qiáng)注漿。一般采用水泥、水玻璃雙液漿，水灰比為1∶1～1∶0.6;馬麗散化學(xué)注漿，馬麗散樹脂與催化劑配比為1∶1。

4.3.6 施工注漿效果檢查孔

注漿漿液經(jīng)24 h后基本達(dá)到強(qiáng)度，然后施工注漿效果檢查孔。檢查孔根據(jù)注漿前現(xiàn)場(chǎng)的出水情況重新鉆孔進(jìn)行檢查(不可利用既有注漿孔)，施工8個(gè)檢查孔，檢查孔深度22 m，沿斜井方向鉆孔，鉆孔結(jié)果顯示沒有出現(xiàn)較大的出水。

4.3.7 掌子面開挖掘進(jìn)

探孔完成后，沒有發(fā)現(xiàn)探孔內(nèi)出現(xiàn)較大的涌水后，掌子面開始開挖掘進(jìn)。由于止?jié){墻與掌子面交接處屬帷幕注漿薄弱部位，止?jié){墻開挖到2 m時(shí)，采用長(zhǎng)度4 m的超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，確保掌子面開挖安全穩(wěn)定。為減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，爆破開挖時(shí)采用“短進(jìn)尺、弱爆破”的原則，且掘進(jìn)長(zhǎng)度每循環(huán)不能超過2 m，確保預(yù)留5 m長(zhǎng)巖盤作為下循環(huán)超前周邊帷幕注漿的止?jié){墻［8-10］。

4.3.8 補(bǔ)注漿處理

如開挖施工后掌子面周邊繼續(xù)出現(xiàn)較大的涌水，則再次對(duì)掌子面進(jìn)行周邊補(bǔ)注漿;如開挖后在拱墻范圍出現(xiàn)較大的集中出水點(diǎn)，則對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行局部頂水注漿;如開挖后在拱墻范圍出現(xiàn)大面積出水，且水量較大時(shí)，則進(jìn)行大范圍的徑向注漿堵水［11］。

5 結(jié)語

對(duì)關(guān)角隧道突涌水機(jī)理進(jìn)行了分析，確定了地下水類型為基巖裂隙水和巖溶裂隙水。溶腔構(gòu)造不發(fā)育，對(duì)施工基本無影響。施工中根據(jù)裂隙—溶隙型掌子面突涌水、構(gòu)造帶型掌子面突涌水模式的機(jī)理，制定了針對(duì)不同突涌水模式的注漿處理方案。按照“以排為主、以堵為輔”的原則，采用超前全斷面帷幕注漿的方法實(shí)現(xiàn)封堵。超前帷幕注漿預(yù)留的安全巖盤厚度根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果選取注漿圈厚度不超過6 m，注漿止水效果顯著。將超前探水、突涌水防治與處治技術(shù)相結(jié)合，保證了隧道施工順利、快速通過了富水區(qū)段。

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Mechanism analysis and treatment technology of gushing water in Guanjiao tunnel

QIAN Fulin
(Xige Second Railway Project Headquarters，China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Xining Qinghai 810000，China)

The paper aims to study the reasons of gushing water in Guanjiao tunnel，with the purpose of leading the tunnel out from the karst water-rich area.With that in mind，it takes the approaches of in-situ investigation，connected tests and model simulation of the surrounding geo-hydraulic environment.The research points out that the gushing water is subjected to the storage structure and rainfall.In this light，the paper carried out theoretical analysis on the working face and the body of such tunnel，and further proposes geological alarm，grouting，and surface discharge as solutions.Beyond that，conditions and techniques for such precautions scheme and treatment measures are outlined as well.

Tunnel;Gushing water;Mechanism;Forward probe;Grouting

(責(zé)任審編 李付軍)

U455.49

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.13

1003-1995(2014)10-0052-07

2014-06-15;

2014-08-10

錢富林(1980— )，男，內(nèi)蒙古多倫人，工程師。