巖石隧道涌水突泥后處治研究

黃楊勝　許智星　陳思遠(yuǎn)（福建省建筑科學(xué)研究院　福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　福建福州　350025）

巖石隧道涌水突泥后處治研究

黃楊勝許智星陳思遠(yuǎn)
（福建省建筑科學(xué)研究院福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福建福州350025）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)大隧道的不斷建設(shè)，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中不可避免的會(huì)遇到涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，若處理不當(dāng)，將造成施工器械毀壞、工程延期以及施工成本增加等問(wèn)題。其中預(yù)防和治理涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害成為隧道施工中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文結(jié)合龍廈鐵路象山隧道，通過(guò)分析涌水突泥后的治理措施，為類(lèi)似涌水突泥的工程提供借鑒和參考。

隧道；涌水突泥；治理措施

在隧道建設(shè)的過(guò)程中，當(dāng)隧道施工進(jìn)入巖溶高壓富水區(qū)段，很容易遇到突發(fā)性的大面積涌水、突泥現(xiàn)象，這種災(zāi)害不僅會(huì)對(duì)工程造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)更對(duì)對(duì)施工人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。如國(guó)外的仙妮斯峰隧道、阿爾卑斯山隧道在施工中遇到了巖溶突水、突泥和底板塌陷等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的大瑤山隧道的巖溶突水形成泥石流給隧道營(yíng)運(yùn)造成長(zhǎng)期危害。本文通過(guò)對(duì)進(jìn)行分析，探討了災(zāi)害形成原因，并對(duì)發(fā)生后的治理措施，為隧道突水涌泥治理提供幾點(diǎn)參考。

1　案例資料

1.1工程概況

新建龍巖-廈門(mén)鐵路屬?lài)?guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)速度200km/h。象山隧道位于福建省境內(nèi)，是全線(xiàn)最長(zhǎng)的雙洞單線(xiàn)隧道和最重要的控制工程。隧道起于福建省龍巖市新羅區(qū)曹溪鎮(zhèn)三坑村，經(jīng)過(guò)適中鎮(zhèn)新祠村、象山村，止于漳州市南靖縣和溪鎮(zhèn)樂(lè)土村。隧道左洞長(zhǎng)15898m，右洞長(zhǎng)15917m，最大埋深830m，分進(jìn)、出口和5座斜井共24個(gè)開(kāi)挖面施工。隧道地質(zhì)條件極為復(fù)雜，斜井和正洞穿越煤層、巖溶地層、斷層破碎帶，下穿村莊、水庫(kù)、河流等諸多不良地質(zhì)段，存在突水突泥、地表失水、地面塌陷、煤層瓦斯等地質(zhì)問(wèn)題。

1.2涌水突泥災(zāi)害分析

由于象山中地層分布以巖溶化地層為主，東西兩側(cè)則以非溶巖化地層分布為主，河間的地下水位和導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)集中，施工過(guò)程中多次出現(xiàn)涌水情況，實(shí)測(cè)水壓約為1.5MPa，在2012年11月21日隧道開(kāi)工挖到Y(jié)DK24+140時(shí)，工作面上突然出現(xiàn)大量的涌水和突泥，導(dǎo)致4.015km的隧道被淹沒(méi)，估算涌泥量大約為14000m3，因隧道反坡開(kāi)挖，導(dǎo)致涌水在洞內(nèi)積蓄無(wú)法排出，積水量約為49.56m3。同時(shí)災(zāi)害引起地表周?chē)霈F(xiàn)大規(guī)模的下沉，嚴(yán)重地區(qū)最大下沉量到達(dá)635mm，引發(fā)塌陷48處，受災(zāi)波及面十分廣泛，地表建筑物均出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂和破壞。由于降雨影響，饋口處再次發(fā)生涌水，最高峰值達(dá)到每小時(shí)6718m3。受到自然災(zāi)害的影響，隧道與地表水連通性增強(qiáng)，地表水可以更為直接的補(bǔ)水，增加了施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，并提高了淤泥清理、巖溶涌泥治理的技術(shù)要求。

1.3涌水突泥的形成原因和影響

隧道開(kāi)挖前，巖體受力處于自然平衡的狀態(tài)，開(kāi)挖后，巖體內(nèi)部出現(xiàn)臨空面，應(yīng)力平衡遭到破壞，地下水流狀態(tài)同時(shí)也發(fā)生改變。由于局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致原有巖體節(jié)理裂隙擴(kuò)大，地下水流量與流速同時(shí)增大，對(duì)圍巖的壓力也同時(shí)增大，圍巖的受力到達(dá)臨界點(diǎn)后，就會(huì)發(fā)生涌水突泥現(xiàn)象。該地區(qū)地層分布以巖溶化地層為主，地下水較為集中，開(kāi)挖后地下水集中涌向隧道內(nèi)，也即水溶腔，導(dǎo)致水溶腔壓力過(guò)大引發(fā)突水涌泥的現(xiàn)象。

若發(fā)生涌水突泥災(zāi)害后，沒(méi)有合理的應(yīng)對(duì)措施，則很有可能引發(fā)二次涌水突泥，因此治理中對(duì)有關(guān)技術(shù)和工藝的要求十分高，本文對(duì)泄水降壓的處理、注漿處理方案的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述與分析。

2　治理突水涌泥采取采取的措施

由于隧道為反坡開(kāi)挖，隧道內(nèi)淤積大量淤泥與地下水，為避免排淤排水的重復(fù)進(jìn)行，固采用地表深孔封堵，泄水降壓以及注漿加固的技術(shù)治理突水涌泥災(zāi)害。

2.1地表孔投料封堵技術(shù)

如圖1所示1#、2#、3#、6#和7#孔為投料孔，4#、5#孔為注漿孔。

①將1#、2#和3#孔作為骨料的投放口，利用鉆桿導(dǎo)出淤泥，伴隨泵送清水進(jìn)行清洗。清洗完畢后，先投入直徑約為2～3cm灰?guī)r石子作為過(guò)濾層，每投10m3的石子用電鉆進(jìn)行一次試探，防治石子堵孔，石子的填充高度要接近帽落頂。②6#孔和7#孔的淤泥較多，清洗后，從孔中注入水灰比為3：5的水泥漿，同時(shí)投入直徑為0.5～1.5cm的灰?guī)r石子，每頭5m3用鉆頭試探一次，防止堵孔。④通過(guò)4#、5#孔對(duì)松動(dòng)巖注進(jìn)行加固，由于松動(dòng)巖周?chē)信潘?，避免在排水時(shí)涌出的泥沙將洞口堵住，要用含石灰水60%的單泥漿液進(jìn)行填充，對(duì)松動(dòng)巖的加固在高出拱頂4m以上，注漿量不要超過(guò)加固范圍的30%，注漿完成后，用速凝水泥進(jìn)行封孔。

地表投料完成后，實(shí)現(xiàn)了“堵泥排水”的目標(biāo)，涌水量穩(wěn)定在每小時(shí)150～180m3，水中的含沙量不超過(guò)5%，地表封堵完工后，實(shí)現(xiàn)在排水泄壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行淤泥清理工作，為治理潰口提供了有利條件。

2.2泄水降壓措施

通過(guò)對(duì)象山輔助洞周邊的地理環(huán)境和地質(zhì)條件的分析，采用“只堵不排”的治理方針進(jìn)行施工[3-5]。通過(guò)分析可知象山輔助洞涌水點(diǎn)具有如下特點(diǎn)：突發(fā)性、高壓、流量穩(wěn)定等，給涌水的封堵工作帶來(lái)了很大難度，比較可行的辦法是在封堵前先做好涌水的導(dǎo)流工作，之后采用帷幕注漿進(jìn)行堵水。

圖1　地表孔投料封堵孔位圖

具體施工步驟如下：①施作減壓進(jìn)行分流，先用自制鋼罩罩住鉆爆孔內(nèi)高壓噴射水，令施工人員可以靠近高壓噴射孔進(jìn)行工作，在利用施作減壓分流孔降低涌水壓力，在降低噴射壓力的同時(shí)有效消除涌水化霧現(xiàn)象，如果涌水壓力過(guò)大可以采用多孔分流，令高壓噴射涌水變成可控水。②加套管進(jìn)行施工，在分流孔上安裝套管，灌入水泥漿進(jìn)行加固，之后檢查能否與高壓噴射孔貫通，減壓分流成功后采用大直徑鉆頭在高壓噴射孔上進(jìn)行鉆孔，之后將套管安裝與鉆爆孔和減壓分流孔上，注入水泥漿進(jìn)行加固，將鉆爆孔的涌水變?yōu)榭煽厮?，如圖1。④當(dāng)涌水轉(zhuǎn)為可控水之后，要及時(shí)用混凝土封閉掌子面，混凝土厚度根據(jù)涌水情況和地質(zhì)環(huán)境而定，但不能低于3m。在漿孔的位置預(yù)留埋口管，制作導(dǎo)管起導(dǎo)向作用，通常采用無(wú)縫鋼管進(jìn)行制作，外露范圍控制在30cm左右為佳。

2.3注漿處理方案的設(shè)計(jì)

待處理涌水突泥段里程為YDK24+177～YDK24+140，為了提高高壓富水巖溶區(qū)的注漿效果，加快施工進(jìn)度，同時(shí)對(duì)掌子面和潰口墻進(jìn)行注漿加固。YDK24+140工作面為潰口墻的涌水突泥處，鉆孔必須穿過(guò)該地段初期支護(hù)，在鉆孔過(guò)程中極易對(duì)初期支護(hù)造成破壞，對(duì)后期的開(kāi)工安全造成很大影響，因此在開(kāi)鉆前需對(duì)潰口處用松散的泥沙進(jìn)行局部加固。鉆孔時(shí)，根據(jù)加固的實(shí)際情況適當(dāng)?shù)耐卣辜庸堂?，以保證終孔里程穿過(guò)涌水突泥的潰口區(qū)。加固范圍直徑為7.8m，以硫酸鋁鹽水單液漿作為主要注漿材料，與水的配比為0.8：1到1：1.2，漿液的凝膠時(shí)間不得低于45min，但也不要超過(guò)80min?？v向的加固里程為YDK24+140～ YDK24+160，該區(qū)域未經(jīng)開(kāi)挖，作為涌水突泥巖溶段的重點(diǎn)加固段，需采用全斷面超前預(yù)注漿。

2.4注漿中應(yīng)該注意的技術(shù)問(wèn)題

①進(jìn)行加固注漿前對(duì)排水管實(shí)施頂水注漿，減少加固前出現(xiàn)突發(fā)涌水的概率。由于注漿加固采用的是全斷面前進(jìn)式分段注漿工藝，必須嚴(yán)格按照規(guī)定的工序，由外到內(nèi)的展開(kāi)，保證注漿的效果。②在加固過(guò)程中，從經(jīng)濟(jì)角度考慮要控制好漿液的擴(kuò)散范圍，避免不必要的浪費(fèi)，若漿液的粘稠度過(guò)高擴(kuò)散范圍太廣，容易堵住高位泄水孔。所以在注漿過(guò)程中要嚴(yán)格調(diào)配好漿液的比例，通過(guò)多次少注達(dá)到對(duì)加固范圍的控制。同時(shí)也可以在距注漿孔直徑不超過(guò)35mm的范圍內(nèi)用pvc進(jìn)行孔底注漿，提高注漿效果，并方便對(duì)地層成孔進(jìn)行檢查。④在注漿孔下加入玻璃纖維錨桿，增強(qiáng)加固體的抗變形能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，添加了玻璃纖維錨桿的加固體受壓變形程度減少了80%。

注漿完成后，在注漿薄弱區(qū)域鉆設(shè)鉆孔進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鉆孔處的出水量不超過(guò)每分鐘0.2L，符合國(guó)家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)孔內(nèi)成像進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)填充層密度高、穩(wěn)定性好，該潰口墻的加固到達(dá)預(yù)期效果，為隧道安全的開(kāi)挖提供了有利的保障。

3　總結(jié)

綜上所述，作為一種自然災(zāi)害，涌水突泥具有危害大，治理難等特點(diǎn)，本文以龍廈鐵路象山隧道突水涌泥為案例，并介紹了突水涌泥的治理方案和防治技術(shù)，為以后涌水突泥的治理提供了參考。

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U455.49

A

1673-0038（2015）06-0162-02

2015-1-25

黃楊勝（1988-），助理工程師，碩士，從事橋梁隧道檢測(cè)工作。