過富水?dāng)鄬铀淼赖叵滤幹渭夹g(shù)

冀 榮 華

(中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030032)

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過富水?dāng)鄬铀淼赖叵滤幹渭夹g(shù)

冀 榮 華

(中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030032)

通過理論分析和現(xiàn)場調(diào)研的手段，并結(jié)合雞公山隧道的實(shí)際情況，提出了“先加固、后封堵、先分流減壓、后逐步收口”的地下水處治原則，據(jù)此確定了相關(guān)工藝參數(shù)、設(shè)備及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為斷層破碎帶內(nèi)大流量、高水壓和環(huán)境地下水豐富條件下施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

隧道，斷層，地下水，質(zhì)量控制

1 工程概況

西部山區(qū)大量建設(shè)的高速公路及鐵路工程橋隧比例較高，部分線路甚至超過了90%[1]，且煤層、斷層、巖溶等不良地質(zhì)條件十分常見，是隧道施工控制性工程[2]。

畢都高速雞公山隧道區(qū)位于納雍縣龍場鎮(zhèn)與勺窩鄉(xiāng)交界地段，右線起訖里程YK131+310～YK134+295，長2 985 m，其中Ⅲ級圍巖80 m，Ⅳ級圍巖1 790 m，Ⅴ級圍巖1 120 m，主要集中在隧道進(jìn)出口段，其中在隧道里程YK131+620～YK131+795區(qū)間內(nèi)發(fā)育了F1斷層，該斷層地表處存在一處典型的山體凹地，是地表水匯集滲流至地下的重要通道。F1斷層走向與線路夾角約為50°，傾角約76°，隧道通過斷層區(qū)間長度共約175 m(見圖1)，該區(qū)段內(nèi)圍巖破碎，掌子面開挖至里程YK131+590附近時(shí)，隧道整體出水量出現(xiàn)了顯著增加(見圖2)。

隧道過斷層帶出現(xiàn)大量出水甚至涌水在隧道施工過程中十分常見，地下水不僅引起施工困難[3,4]，也對后期結(jié)構(gòu)的受力帶來不利影響[5,6]，因此，對地下水的處理就顯得非常重要，良好的處理措施在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的效益明顯。許多隧道工程在施工過程中都采取了各種有利于封堵或疏導(dǎo)或兩者結(jié)合的手段對各種過斷層隧道涌水進(jìn)行了處理，楊會軍等[7]分析了新七道梁隧道滲涌水情況,提出地下水滲流以靜儲量為主時(shí),采用以排為主的方式,地下水滲流以動儲量為主時(shí),采用以堵為主的方式，并提出了相應(yīng)的處理措施。王建宇等[8]認(rèn)為山嶺隧道地下水處理應(yīng)同時(shí)滿足控制地下水排放流量和消減作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力荷載兩個(gè)要求，地下水水頭大于60 m的隧道應(yīng)在襯砌中設(shè)置合理的排水口；地下水排放流量應(yīng)主要通過圍巖注漿方式封堵。王靖華[9]認(rèn)為斷層帶高水頭區(qū)隧道單純堵水效果有限，超前鉆孔引排水可以減少掌子面前方水頭壓力，可提高施工效率及結(jié)構(gòu)安全性。

已有的研究成果表明，斷層帶高水頭隧道地下水的處理應(yīng)當(dāng)排堵結(jié)合，單純排水靠二襯防水并不合理；僅采取堵水措施在施工上存在難度高，不經(jīng)濟(jì)的問題。針對雞公山隧道的實(shí)際情況，提出了一系列適用于本隧道斷層破碎帶圍巖條件差、出水量大、水壓高、環(huán)境地下水異常豐富條件下的山嶺隧道地下水處理措施。

2 地下水處理總體思路研究

地下水在揭露前通常處于靜止或者相對靜止?fàn)顟B(tài)，因而采用帷幕注漿的方法可以在一定范圍內(nèi)形成不透水帷幕，具備較為優(yōu)秀的防滲性。然而超前止水帷幕灌漿周期長，容易導(dǎo)致隧道后期施工出現(xiàn)延誤，一般只在地下水對隧道施工安全構(gòu)成威脅時(shí)才予以采用，雞公山隧道斷層中也存在較為豐富的地下水，但整體而言并不會對施工安全造成重大威脅，因此對地下水采取先揭露再封堵的處理措施是較為高效的手段。

地下水揭露后容易出現(xiàn)集中涌水段，大出水段處理是綜合、系統(tǒng)工程，必須綜合考慮施工場地、環(huán)境、區(qū)域水文地質(zhì)情況，其處理主要流程為“先表面封堵次大流量的出水點(diǎn)、段，再深層加固圍巖形成一定厚度均一防滲固結(jié)圈,最后對集中涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵”。雞公山隧道斷層帶涌水處理施工主要遵循的原則和處理思路如下：

1)總體按照“先易后難、先引后堵、先拱后墻再底板、局部集中處理；兼顧其他部位，系統(tǒng)處理，綜合治理”的思路進(jìn)行處理。

2)對于少部分集中出水量較大且出水壓力較高的部位按照“先疏后堵，深排淺堵、遠(yuǎn)排近堵、擇機(jī)收口”的思路和順序。

先疏后堵：對于大流量出水點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)有序設(shè)置分壓排水點(diǎn)，待原出水點(diǎn)壓力降低至一定程度時(shí)，封堵該出水口。

深排淺堵、遠(yuǎn)排近堵：對于預(yù)設(shè)的分流減壓孔按先封堵淺層排水孔和距離原出水口近的出水孔，讓水流再次改道和束流由深層排水孔和距離原出水口遠(yuǎn)的排水孔進(jìn)行排放。

擇機(jī)收口、局部加固：在完成圍巖系統(tǒng)加固，確認(rèn)圍巖安全后，擇機(jī)對剩余排水孔進(jìn)行封堵或可控排放，最后對相對薄弱環(huán)節(jié)局部加固，完成施工。

3 地下水處理工藝流程研究

根據(jù)地質(zhì)資料可以確定，隧道斷層帶巖層孔隙率高，地下水豐富，在隧道開挖揭露后出現(xiàn)了較為集中的出水點(diǎn)，且流量較為穩(wěn)定。此類出水點(diǎn)形成原因在于斷層帶本身是良好的儲水點(diǎn)，且與周圍地下水富集區(qū)域相連通，在隧道開挖逐漸穿過斷層帶時(shí)，地下水滲流平衡被打破，地下水首先從圍巖較為薄弱的區(qū)域流出，所形成的出水點(diǎn)流量大，壓力大。對此類水的處理較為復(fù)雜，每個(gè)出水點(diǎn)均有其特殊性，需采用綜合手段及多種工藝進(jìn)行處理，其總的處理原則是“先加固、后封堵、先分流減壓、后逐步收口”。這便是大水封堵處理前需進(jìn)行邊頂拱表面封堵和全洞段系統(tǒng)高壓固結(jié)的原因。擬定該底板巖溶管道水的總體處理思路為“先探后堵、由淺入深、截?cái)鄟碓?、堵排結(jié)合、擇機(jī)封堵”。其主要施工步驟為：物探及鉆探→分流引排施工→封堵主通道→隨機(jī)加固→由近而遠(yuǎn)封堵分流引排孔→封閉。

3.1 集中涌水封堵灌漿參數(shù)設(shè)計(jì)

1)灌漿壓力的確定。

a.邊墻以上部位灌漿壓力的確定。

由于高壓水被揭露后，其壓力都有不同程度的衰減或設(shè)置減壓分流孔后，壓力一般在2 MPa以內(nèi)，但不低于1.5 MPa，屬于低壓灌漿。因此，灌漿壓力原則上為涌水壓力的2倍～3倍，但為了保證圍巖的穩(wěn)定，初定灌漿壓力為3.0 MPa，并根據(jù)灌漿實(shí)際情況酌情調(diào)整。

b.底板灌漿壓力確定。

經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

P=p0+p×D。

計(jì)算的灌漿壓力值由巖石的密度和巖性決定。

其中，p0為表層地層允許的壓力；p為巖石每增加1 m孔深，其允許增加的壓力；D為灌漿段頂以上的巖石厚度。若有壓重，灌漿壓力可以提高為：

P=k×r×h+p0+p×D。

其中，k為灌漿方法系數(shù)，可選1～3；h為壓重層厚度；r為壓重層的容重。

與此同時(shí)，應(yīng)根據(jù)采用的不同灌漿方法在表1中選取P值，若采用自下而上分段灌漿法，P宜取較小值。灌漿根據(jù)情況選用純水泥漿、水泥—水玻璃雙液漿、特種堵水漿液。

表1 p0,P與巖石類別取值表 MPa

2)漿液比級：水泥基漿的比級僅采用兩級0.8∶1,0.5∶1，特種漿液使用0.5∶1比級添加堵水專用材料。

3)變漿原則：一般情況不出水和出水較小的孔段灌漿，變漿原則采用DL/T 5148—2001灌漿規(guī)范所述原則進(jìn)行變漿，變漿達(dá)到0.5∶1漿液，灌注未出現(xiàn)異常情況的孔段不作限流。若灌注出現(xiàn)異常情況的孔段，首先采用0.5∶1的濃漿灌注，視情況采用水泥—水玻璃雙液漿或特種堵水材料進(jìn)行灌注；針對出水較大的孔段，首先采用0.5∶1的濃漿灌注，視情況再采用特種漿液材料灌注。

4)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：水泥基漿灌注結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在最大注入壓力下，吸漿量不大于1.0 L/min，繼續(xù)灌注10 min即可結(jié)束；水泥—水玻璃雙液灌漿和特種材料灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在最大注入壓力下，注入量小于1 L/min，即可結(jié)束，避免管路堵塞。

5)封孔：每孔灌漿結(jié)束后，采用全孔灌漿封孔法進(jìn)行濃漿封孔。

3.2 鉆孔設(shè)備與工藝

1)鉆孔設(shè)備：鉆孔設(shè)備的選擇根據(jù)出水量、出水壓力、地層情況及鉆孔類型與現(xiàn)場施工條件進(jìn)行合理配置。大涌水封堵多使用巖石電鉆、地質(zhì)鉆(150和300型)。

2)鉆孔工藝：a.結(jié)合出水構(gòu)造現(xiàn)場布置鉆孔，其孔間隔距離一般在0.5 m～2 m范圍布置。b.鉆孔作業(yè)過程中必須注意：孔深一般控制在2 m～6 m，集中高壓大流量涌水處理孔深達(dá)20 m，具體因?qū)嶋H情況而定，要求穿過出水構(gòu)造，其鉆孔方向要與出水構(gòu)造大角度相交。當(dāng)富水區(qū)水流過大，必須事先鉆減壓分流孔，孔徑要大。c.孔口管安裝，孔口管規(guī)格至少備用三種型號及以上，其管長控制在1 m～5 m、管徑32～200。孔口管可采取雙液漿或純水泥漿或麻絲等方式固定。

3.3 灌漿設(shè)備選型與灌漿工藝

1)堵水灌漿設(shè)備選型的原則。

設(shè)備應(yīng)滿足灌漿設(shè)計(jì)壓力的要求。灌漿規(guī)范規(guī)定：機(jī)械的額定工作壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)最大灌漿壓力的1.5倍，選取適合不同灌漿壓力要求的灌漿泵且壓力波動范圍宜小于灌漿壓力的20%。

設(shè)備的排漿量應(yīng)滿足圍巖的最大注入率的要求。

設(shè)備輕便，拆卸運(yùn)輸安裝簡單，機(jī)械運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)固，能夠滿足各類灌漿材料，包括：砂、惰性材料、雙液灌漿等。

2)鉆灌設(shè)備。

a.鉆灌臺架。

雞公山隧道過斷層帶出水量大，且斷層帶與周圍環(huán)境富水區(qū)域連通性好，并且與其他工序平行施工，干擾較大，在保證灌漿質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減小施工干擾，提高施工效率是保證進(jìn)度的關(guān)鍵。擬采用鉆灌臺車進(jìn)行鉆孔灌漿作業(yè)。鉆灌臺車是根據(jù)隧洞灌漿特點(diǎn)設(shè)計(jì)的簡易專用臺車，有以下優(yōu)點(diǎn)：可分解后運(yùn)輸進(jìn)洞安裝；鋪設(shè)鋼軌，可沿軸線移動；臺車兩邊設(shè)升降平臺，可方便鉆不同高度的鉆孔；龍門架方便車輛出入；設(shè)專用位置固定灌漿設(shè)備及監(jiān)測設(shè)備。

b.鉆孔灌漿設(shè)備。

國產(chǎn)分體鉆灌設(shè)備配合鉆灌臺架使用，主要包括如下設(shè)備：巖石電鉆(或潛孔鉆機(jī))：設(shè)備輕便，結(jié)構(gòu)簡單，易于搬遷和維護(hù)。安裝在鉆灌臺車上使用，功效較低，但一個(gè)臺車上可安裝8臺～10臺同時(shí)使用。

高壓灌漿泵：設(shè)備輕便，結(jié)構(gòu)簡單，易于搬遷和維護(hù)。安裝在鉆灌臺架上使用。

鉆灌設(shè)備的適用條件：回填灌漿；灌漿壓力不高于10 MPa的破碎圍巖固結(jié)灌漿；灌漿壓力不高于10 MPa防滲固結(jié)灌漿；在不安裝專用鉆孔灌漿封閉裝置的條件下，涌水壓力不大于3 MPa的固結(jié)灌漿。根據(jù)本工程情況，大部分洞段將采用此類鉆灌設(shè)備。

阿特拉斯(atlas)多功能液壓鉆機(jī)：該設(shè)備能在高壓大流量的情況下安全鉆進(jìn)，并結(jié)合止水裝置能夠一次性完成灌漿。

適用條件：所有工況的鉆孔灌漿，但考慮設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性及對其他工序的影響，多功能液壓鉆機(jī)作為國產(chǎn)設(shè)備的補(bǔ)充，可用于灌漿壓力10 MPa～25 MPa的固結(jié)灌漿。

c.制漿站的設(shè)置和漿液的供應(yīng)。

表2 臨時(shí)制漿站主要設(shè)備配置表

在進(jìn)行地下水封堵灌漿施工時(shí)，在工作面附近搭設(shè)臨時(shí)制漿站、灌漿站和加工車間等，臨時(shí)制漿站布置在洞側(cè)邊，寬度不超過4 m。臨時(shí)制漿站的搭建一般包括水泥平臺、送漿站、值班房等。

臨時(shí)制漿站采用袋裝水泥，制漿時(shí)拆包。根據(jù)工作點(diǎn)需要的比級及漿液類型制漿。臨時(shí)制漿站的主要設(shè)備配置如表2所示。

4 封堵灌漿質(zhì)量控制及主要安全技術(shù)措施

堵水灌漿質(zhì)量控制要點(diǎn)有兩點(diǎn)：鉆孔布置的有效性、集中出水口及裂隙封堵。

1)鉆孔布置：開孔孔位與鉆孔方向需根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、裂隙通道走向的具體情況而設(shè)置，鉆孔布置的合理性是影響封堵灌漿質(zhì)量的關(guān)鍵。故針對每個(gè)集中出水點(diǎn)需根據(jù)情況仔細(xì)設(shè)計(jì)鉆孔布置。首先根據(jù)開挖的情況判斷分析地質(zhì)構(gòu)造，再根據(jù)初步分析的結(jié)果布置勘探孔，勘探孔需取芯，根據(jù)勘探孔的結(jié)果確認(rèn)地質(zhì)構(gòu)造、來水裂隙通道的分布和走向，從而布置鉆孔。

2)集中出水口及裂隙封堵：集中出水口及裂隙封堵的好壞直接影響漿液有效灌入和灌后結(jié)石強(qiáng)度，對集中出水口的封堵擬采用先進(jìn)的模袋灌漿技術(shù)和索囊灌漿技術(shù)進(jìn)行封堵。

5 結(jié)語

雞公山隧道通過F1斷層區(qū)段存在圍巖條件差、出水量大、環(huán)境地下水異常豐富的情況，給施工帶來了極大的困難。本文通過理論分析和現(xiàn)場調(diào)研，分析了高滲透性地層中高水頭地下水在揭露后的運(yùn)動特點(diǎn)，根據(jù)雞公山隧道的實(shí)際情況，提出了“先加固、后封堵、先分流減壓、后逐步收口”的處理原則。基于所提出的處理原則，對集中涌水封堵參數(shù)、設(shè)備選型及工藝等問題進(jìn)行了分析，確定出了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。最后結(jié)合本隧道現(xiàn)場施工情況，提出了封堵灌漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)安全措施?；陔u公山隧道F1斷層地下水治理的技術(shù)可對其他類似隧道施工提供有利參考。

[1] 代永輝.高橋隧比公路項(xiàng)目投資估算控制要點(diǎn)[J].西南公路,2012(2):63-65.

[2] 曹智綱.不良地質(zhì)隧道施工技術(shù)[J].工程技術(shù)(全文版)，2010(5)：54-55.

[3] 楊賽舟.地下水對隧道施工的不良影響綜述[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2014(6)：89.

[4] 張立輝.試論地下水對山嶺隧道施工的影響及對策[J].工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化,2014(10)：46.

[5] 信春雷.不同防排水模式對山嶺隧道襯砌水壓力影響關(guān)系研究[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[6] 高新強(qiáng).高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(5):1080-1081.

[7] 楊會軍,李豐果.深埋長大隧道地下水處理技術(shù)[J].礦產(chǎn)勘查,2006,9(3):63-65.

[8] 王建宇,鄭 波.隧道工程高水頭地下水的處治[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(1):46-52.

[9] 王靖華.斷層破碎帶下穿燃?xì)夤芩淼绹鷰r變形控制及管道保護(hù)技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

Water inflow treatment technology for tunneling through fault zone of rich groudwater

Ji Ronghua

(CR17BGNo.1EngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030032,China)

After a principle of “plugging after strengthening, bypass flow for pressure reduction, sealing off step by step”, the parameters of construction process, equipment and quality standard were determined, with theoretical analysis and field investigation based on the situation of Jigongshan tunnel, it has accumulated some construction experience for fault-fracture zone with large flow, high water pressure and rich underground water.

tunnel, fault zone, groudwater, quality control

1009-6825(2017)07-0172-03

2016-12-19

冀榮華(1983- )，男，工程師

U453.61

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