隧道涌水預(yù)測(cè)及整治技術(shù)

滕興成 曹佳慶 胡玉賀

（1. 林同棪（ 重慶） 國(guó)際工程技術(shù)有限公司，重慶 402473；2. 中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司，廣東 廣州 510000）

隧道涌突水是隧道施工過程中主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，不但嚴(yán)重威脅施工安全，還可能引起地表水或者地下水資源枯竭、導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化等環(huán)境問題。因此，必須通過采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，分析隧道涌水的原因，選擇合理有效的整治措施，進(jìn)而減少涌水對(duì)施工及環(huán)境的影響。

1 隧道環(huán)境地質(zhì)概況

1.1 工程概況

萬開周家壩-浦里快速通道工程鐵峰山隧道起點(diǎn)位于重慶市開州區(qū)長(zhǎng)沙鎮(zhèn)孟家院子，終點(diǎn)位于重慶市萬州區(qū)天城鎮(zhèn)萬河村，該隧道左線 （K0+457～K9+685） 長(zhǎng)9 228 m，右線（YK0+480～YK9+695） 長(zhǎng)9 215 m，1#通風(fēng)斜井左線長(zhǎng)1 090 m、右線長(zhǎng)1 140 m，1#斜井及風(fēng)機(jī)房位于隧道主線K3+889段。

1.2 涌水情況

隧道從1#斜井小里程向大里程施工至ZK4+393段掌子面時(shí)，隧道出現(xiàn)高壓涌水，涌水壓力達(dá)1.6 MPa，最高時(shí)涌水量達(dá)891 m3/h，計(jì)21 384 m3/d。由于隧道主洞口與斜井之間隧道未貫通，涌水需通過斜井抽水設(shè)備提升140 m排除至隧道外，大量涌水導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)停滯。

1.3 涌水段地質(zhì)情況

鐵峰山隧道左洞K4+182～K4+510段埋深513～570 m，根據(jù)詳勘報(bào)告，該段地層為須家河組上統(tǒng)T3XJ地層，巖性為砂巖，夾少量頁(yè)巖，巖石屬于較堅(jiān)硬巖，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，巖體較完整，屬于III級(jí)圍巖。K4+510后往大里程圍巖為巴東組第三段（ T2b3） 為灰色薄～中厚層狀微晶泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖，含石膏結(jié)核，頁(yè)巖主要集中在中上部及底部。

隧道上臺(tái)階施工至ZK4+393掌子面實(shí)際揭示圍巖：拱頂圍巖為砂巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，層理清晰，分層較明顯，掌子面圍巖為厚層砂巖，巖體較完整，屬于較堅(jiān)硬巖夾少量軟巖。

2 施工地質(zhì)預(yù)測(cè)

2.1 隧道水文及地質(zhì)分析

由于掌子面處于三疊系須家河地層，含煤、瓦斯等，且即將進(jìn)入巴東組第三段，隧道掘進(jìn)過程中易出現(xiàn)大的不良水體，必須采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)明確前方地質(zhì)及水文情況。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程：工程地質(zhì)綜合評(píng)估→長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào) （100～150 m） →短距離地質(zhì)預(yù)報(bào) （30 m） →超前鉆探。

2.1.1 工程地質(zhì)綜合評(píng)估

通過地質(zhì)素描及地勘資料綜合評(píng)估隧道施工區(qū)發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害的可能性。

2.1.2 長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào) （100～150 m）

長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)國(guó)內(nèi)外主要采用地震波勘探等儀器探測(cè)技術(shù) （如HSP、TSP、TGP、TRT、TST等）。預(yù)測(cè)前方100～150 m范圍內(nèi)不良地質(zhì)及水文情況；

2.1.3 短距離地質(zhì)預(yù)報(bào) （30 m）

主要采用紅外線、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法和聲波探測(cè)儀等手段，對(duì)前方30 m范圍內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，評(píng)定圍巖級(jí)別。

2.1.4 超前鉆探

通過鉆探設(shè)備對(duì)前方掌子面圍巖進(jìn)行取樣觀測(cè)，直接判斷圍巖級(jí)別，能夠直接發(fā)現(xiàn)前方是否存在斷層破碎帶、軟弱圍巖及富水情況，對(duì)富水段起到探水泄壓目的，一般鉆探深度在30 m左右。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)施

2.2.1 TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

發(fā)生涌水前已對(duì)K4+365～515段150 m 采用TGP206地震預(yù)報(bào)儀進(jìn)行了預(yù)報(bào)，結(jié)果如下：

K4+365～K4+431段：圍巖為中風(fēng)化砂巖，夾少量頁(yè)巖、煤層，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體完整性一般，自穩(wěn)能力較好，巖體為較硬巖?；鶐r裂隙水較發(fā)育，呈滲流狀產(chǎn)出。建議圍巖級(jí)別為III級(jí)偏弱。

K4+431～K4+467段：推斷為中～強(qiáng)風(fēng)化砂巖及煤層，夾少量頁(yè)巖，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，自穩(wěn)能力較差，巖體為較硬巖～較軟巖?；鶐r裂隙水較發(fā)育，呈滲流狀產(chǎn)出。建議圍巖級(jí)別為IV級(jí)。

K4+467～K4+515段：推斷圍巖為薄～中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁(yè)巖，局部夾少量石膏、石膏脈，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，自穩(wěn)能力較差，巖體為較硬巖。開挖后易掉塊，基巖裂隙水較發(fā)育，呈滲流狀產(chǎn)出。建議圍巖級(jí)別為IV級(jí)。

2.2.2 紅外探水

對(duì)K4+397掌子面采用進(jìn)行紅外探水，預(yù)測(cè)結(jié)論如下：掌子面紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)差值部分值大于允許的安全值10，且紅外探測(cè)曲線前端波動(dòng)較大，綜合判斷掌子面前方30 m范圍內(nèi)存在紅外異常，可能存在大面積積水。

2.2.3 地質(zhì)雷達(dá)

在紅外探水的基礎(chǔ)上再次對(duì)掌子面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，結(jié)果如下：巖性為砂巖，層狀結(jié)果，巖體較完整，較堅(jiān)硬巖，拱頂少量炭質(zhì)巖，較破碎，易坍塌；掌子面前方7.5～13 m裂隙發(fā)育，0～22 m掌子面左半部大面積富水，22～27 m位置含水量較小。 地質(zhì)雷達(dá)具體數(shù)據(jù)詳見圖1、圖2。

圖1 從右往左看

圖2 從左往右看

2.2.4 超前探孔

對(duì)K4+397上臺(tái)階掌子面采用超前水平鉆探測(cè)，先后均勻鉆進(jìn)6個(gè)Φ76 mm探孔，第一階段鉆進(jìn)約6 m，其后鉆至16.5 m，由于水壓力較大無法繼續(xù)鉆進(jìn)。從鉆孔情況可見：

（1） 當(dāng)各探孔鉆至掌子面前方2.5～6 m時(shí)，先后遇到富水層，出現(xiàn)高壓水，隨著鉆孔數(shù)量增加，后續(xù)鉆孔水量增加，先行成孔水量有減小趨勢(shì)；當(dāng)掌子面中央孔深達(dá)到16.5 m時(shí)，水壓力和水流量突然增大，水平水柱噴射距離穩(wěn)定達(dá)8.4 m，并不見變化；

（2） 位于掌子面左半幅鉆孔水量、水壓明顯高于右半幅，推測(cè)掌子面左半福節(jié)理裂隙更發(fā)育，滲水主要從掌子面左側(cè)而來；

（3） 所有鉆孔巖芯為砂巖，局部夾薄層頁(yè)巖，巖層無空洞、溶蝕現(xiàn)象。

2.3 涌水分析與地質(zhì)推測(cè)

（1） 通過以上探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，可以排除前方30 m內(nèi)存在空腔或者溶腔的可能。

（2） 隧道涌水掌子面ZK4+393設(shè)計(jì)標(biāo)高389 m。洞頂上原有廢棄中寶煤礦采空區(qū)范圍約為隧道ZK3+840-ZK4+890上方，采空區(qū)下界限標(biāo)高為608 m，上界限標(biāo)高為1 140 m。根據(jù)位于隧道洞頂中寶煤礦水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可見隧道涌水對(duì)煤礦巷道出水量變化影響不大，隧道涌水與中寶煤礦如有聯(lián)系，也是中寶煤礦坑道水通過巖層裂隙滲流至掌子面位置。

（3） 該涌水段已靠近須家河地層 （T3xj） 與巴東組第三段 （T2b3） 分界位置，由洞室開挖揭示情況看，巖層傾角較勘察成果緩，傾角僅15°。因此，可能提前進(jìn)入巴東組第三段 （T2b3） 地層，其巖性泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，有揭示到巖溶水的可能，由于溶蝕輕微發(fā)育，不存在大規(guī)模突水突泥條件。

（4） 涌水推測(cè)為裂隙水，可能因?yàn)榍胺綆r層為須家河組與巴東組接觸帶，受構(gòu)造影響，造成掌子面前方范圍存在富水裂隙帶，水通過裂隙及鉆孔滲入隧道內(nèi)。

3 綜合整治措施

為保證隧道安全施工，擬增加抽水設(shè)備，采用超前探水及地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前深孔帷幕注漿、調(diào)整開挖方法和支護(hù)參數(shù)，開挖后全環(huán)徑向注漿，施作抗水壓襯砌等措施進(jìn)行處理。

3.1 超前深孔帷幕注漿

（1） 止?jié){墻設(shè)置。涌水段上臺(tái)階掌子面全面實(shí)施做C30砼止?jié){墻，止?jié){墻厚度2 m，增加掌子面錨桿錨固于止?jié){墻內(nèi)，提高止?jié){墻穩(wěn)定性，止?jié){墻面預(yù)留若干套管、排水管路并安裝止水閥，控制泄水以減小涌水對(duì)止?jié){墻的壓力。

（2） 鉆孔布置。全斷面注漿按照每30 m一循環(huán)，每循環(huán)分3段實(shí)施，第一環(huán)長(zhǎng)10 m，第二環(huán)長(zhǎng)20 m，第三環(huán)長(zhǎng)30 m，注漿孔環(huán)向間距60 cm，每循環(huán)開挖25 m，保留5 m作為下一循環(huán)注漿止水巖盤（注漿孔布置圖見圖3） 。

圖3 注漿孔布置

帷幕注漿采用76 mm地質(zhì)鉆機(jī)分段打孔，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，漿液擴(kuò)散半徑約為2 m，孔底間距不大于3 m。

注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃玻鎂度30～40 Be，雙液體積比C/S=1.2，水灰比W/C=0.8，注漿壓力1.3～1.5倍靜水壓力，注漿壓力達(dá)設(shè)計(jì)終壓后保持10 min或者每孔一分鐘內(nèi)注漿量低于10 L可以終止注漿。

注漿完成后，鉆2個(gè)孔取芯觀察漿液充填效果及孔內(nèi)涌水情況以便確定是否繼續(xù)加密注漿。

3.2 臺(tái)階分部開挖及抗水壓襯砌

根據(jù)現(xiàn)掌子面情況，涌水均為掌子面左側(cè)，右側(cè)涌水量較小，且地質(zhì)雷達(dá)顯示前方圍巖較破碎的特點(diǎn)，將原臺(tái)階開挖法變更為臺(tái)階分部法開挖，并視現(xiàn)場(chǎng)情況采用增設(shè)仰拱，遵循超前探水、短進(jìn)尺、多炮孔、少裝藥原則進(jìn)行開挖掘進(jìn)。

考慮到雙液漿堵水耐久性不高，后期襯砌可能承受較大水壓，應(yīng)采用抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。隧道涌水區(qū)加強(qiáng)段長(zhǎng)度為涌水段及前后各15 m范圍。

抗水壓襯砌參數(shù)：隧道拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置長(zhǎng)5.0 m的Φ42超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間距320 cm×40 cm （縱×環(huán)），28 cm厚C20噴砼，鋼架采用I22a型鋼鋼架，系統(tǒng)錨桿采用4 m長(zhǎng)的Φ25中空注漿錨桿，錨桿間距80 cm×100 cm （縱×環(huán)），隧道二襯采取80 cm厚的C35鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

3.3 開挖后全斷面徑向注漿

帷幕注漿堵水主要解決開挖階段水影響，并不能完全地將涌水封堵，二襯前，對(duì)該段圍巖再次進(jìn)行全環(huán)徑向注漿，最大可能的封堵涌水，且能加固圍巖。

徑向注漿范圍采用Φ42小導(dǎo)管，間距1.2 m×1.2 m，注漿管長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)巖石軟硬程度、力學(xué)性質(zhì)及水壓力大小等條件，確保注漿加固圈圍巖不因水壓過大導(dǎo)致失穩(wěn)破壞為原則，經(jīng)受力計(jì)算后確定。

注漿漿液參數(shù)參照超前深孔帷幕注漿進(jìn)行，注漿順序由初支表面滲水較少的四周向涌水集中區(qū)進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束后，割除外露小導(dǎo)管，局部增加環(huán)向排水盲管，鋪設(shè)土工布、防水板施做二次襯砌封閉。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過地質(zhì)調(diào)查與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)隧道前方涌水段地質(zhì)進(jìn)行了綜合分析預(yù)測(cè)，推斷隧道涌水的形成原因，并采取了調(diào)整開挖工法，支護(hù)參數(shù)，設(shè)置抗水壓襯砌及徑向注漿等措施，保證了隧道的施工安全。按照以上施工方案，順利度過了前方約100 m的隧道涌水區(qū)，開挖后圍巖滲水量不大，通過巖層鉆芯取樣，注漿效果良好，漿液在巖石裂隙內(nèi)充填良好，采用徑向注漿堵水措施對(duì)局部初支表面滲水位置進(jìn)行處理后，初支表面只有滴狀滲水，二襯施工后經(jīng)一年的觀察，襯砌表面無開裂及滲水現(xiàn)象，施工經(jīng)驗(yàn)可以為同類工程提供參考。