鼓嶺隧道強涌水處治技術(shù)研究

王樹永

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

0 引言

在富水地區(qū)修建隧道， 最常見的工程問題即隧道突涌水，不僅影響工程進度，而且長期排水會影響地下水結(jié)構(gòu)平衡和生態(tài)環(huán)境。 據(jù)統(tǒng)計， 至今修成的公路隧道中約40%的隧道仍存在不同程度的滲水、涌水問題，影響公路正常通行。而在建隧道的突涌水情況更為普遍，國內(nèi)外眾多隧道都曾發(fā)生過嚴(yán)重的涌水事故， 造成極大的經(jīng)濟損失。如國內(nèi)的前碉3# 隧道、秦嶺某高速公路隧道，最大涌水量分別達到3600m3/d、5750m3/d[1-3]。

隧道涌水給工程安全和生態(tài)環(huán)境帶來極大的危害性， 分析涌水原因并制定合適的防治措施是工程施工迫切需要解決的問題[3]。 本文依托福建省104 國道鼓嶺隧道，引入一種新型注漿材料——SJP 型水泥漿[4]。 該漿液性能優(yōu)良且可控，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，對該工程的強涌水情況進行注漿處治。

1 工程概況

在建鼓嶺特長隧道位于福建省福州市， 為104 國道連江至?xí)x安段改線工程控制性工程之一， 采用雙洞分離式布置，全長5359m，進口標(biāo)高157m，出口標(biāo)高57m，隧道為單向下坡，縱坡為-1.9%，隧道最大埋深約490m。

鼓嶺隧道自開工至今， 左洞已出現(xiàn)多次較大突涌水情況，致使工程滯后嚴(yán)重。 其中，2018 年5 月，隧道左洞開挖至樁號ZK28+448 位置時， 掌子面左側(cè)開始出現(xiàn)大量涌水，洞內(nèi)加大排水力度，但直至2018 年7 月涌水始終未能減小，致使隧道停工。

2 鼓嶺隧道涌水分析

2.1 左洞涌水特征

左洞開挖至掌子面ZK28+448 位置后， 掌子面左側(cè)斷面出現(xiàn)多處突涌水情況，涌水面積約18m2，涌水量達到13200m3/d～18000m3/d，為探明掌子面前方圍巖賦水情況，在掌子面右下角處鉆超前探孔(1-1 號孔)至孔深18m時，該孔出現(xiàn)強涌水情況，壓力達2MPa，射程3～5m。根據(jù)掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育形態(tài)及不同位置涌水情況， 左洞圍巖突涌水主要表現(xiàn)為高壓集中涌水、線狀滲水、拱頂大面積淋水，呈涌水量大、分布范圍廣、涌水形態(tài)復(fù)雜以及水壓大等特點，并且左洞節(jié)理裂隙寬陡、張開度大小不一、發(fā)育度高，治理難度較大。

2.2 涌水原因分析

(1)地下水儲存與補給原因

鼓嶺隧道左洞ZK28+448 位置埋深380m 左右，該區(qū)段節(jié)理裂隙發(fā)育，包含富水性松散巖類和含水巖組，可儲存大量地下水。由于當(dāng)?shù)卮髿饨邓砍渑?，使得掌子面周邊區(qū)域內(nèi)儲存大量的地下水，尤其在5～9 月份，源源不斷的為地下水提供補給。

(2)連通原因

ZK28+448 掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育，傾角40～80°，裂隙面多平直光滑，少數(shù)呈現(xiàn)波狀粗糙狀，裂隙張開度高，存在多組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面；F08 斷層構(gòu)造帶位于ZK28+400～ZK28+465 處，傾角80°左右，斷層寬度2～6m，臨近掌子面。在節(jié)理裂隙帶和斷層構(gòu)造帶的共同影響下，使得巖體裂隙出現(xiàn)連通性，形成涌水的主要通道。

(3)隧道開挖原因

ZK28+448 掌子面開挖后，改變了原來地下水的遷移和流動方向。 在隧道開挖之前，地下水處于平衡狀態(tài)，其循環(huán)基本穩(wěn)定，在開挖后，尤其受到爆破振動影響，掌子面圍巖受到大幅度擾動，圍巖變形和裂縫擴張后，地下水的遷移和流動方向就會集中在隧道掌子面附近， 打破原來的地下水平衡狀態(tài)，為隧道涌水創(chuàng)造了不利條件。

圖1 左洞涌水情況

(4)盲目冒進原因

鼓嶺隧道ZK28+448 前后原設(shè)計勘探過程中發(fā)現(xiàn)存在節(jié)理密集帶和斷層構(gòu)造帶， 此段要求加強超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測， 在反射波法基礎(chǔ)上采用超前水平鉆孔進行預(yù)報， 明確掌子面前方圍巖賦水情況后采取帷幕注漿等方案進行超前堵水方案， 由于施工過程中未重視超前地質(zhì)預(yù)報工作，為趕工期，盲目冒進，致使掌子面前方大量地下水被開挖出。

3 治理方案及工藝

3.1 封堵漿液及性能

3.1.1 SJP 水泥漿和純水泥漿

SJP 水泥漿由水泥、水、三種SJP 型外摻劑1#、2#、3#按照一定比例配制成的一種粘度時變型漿液。 其中，1#摻量0.1%～0.3%、2# 摻量1.5%～2.2%、3# 摻量為0.6%～1.5%。通過調(diào)節(jié)三種外摻劑的配比，可實現(xiàn)SJP 型漿液性能可控。 SJP 水泥漿與純水泥漿部分性能指標(biāo)對比詳見表1。 通過對比分析SJP 水泥漿與純水泥漿各項性能指標(biāo)，鼓嶺隧道強涌水處治材料選擇SJP 水泥漿。

表1 SJP 水泥漿與純水泥漿部分性能

3.1.2 SJP 水泥漿性能特點

(1)SJP 水泥漿的起始稠度為10～12s(水是8s)，并且漿液稠度隨時間的延長而緩慢增加， 待漿液即將失去流動性時，稠度發(fā)生突變。

(2)SJP 水泥漿可泵期可控。 自水泥漿攪勻至可泵送的最后時刻，該段時間稱為可泵期。通過調(diào)節(jié)SJP 外加劑的摻量和漿液水灰比， 可促使?jié){液可泵期在5～60min 的范圍內(nèi)調(diào)控，以滿足可控注漿工藝對可泵期的需要。

(3)相比普通水泥漿，SJP 水泥漿的初凝時間短，為2～3h 初凝，4～6h 終凝，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)漿液在動水條件下寬大裂隙中留存、堆積、凝固，以達到封堵裂隙的效果。

(4)SJP 水泥漿固結(jié)過程中漿液析水率2%以下，根據(jù)穩(wěn)定性漿液配置完成后兩小時析水率小于5%的要求，該粘度時變漿液為穩(wěn)定性漿液。

(5)SJP 漿液的強度在同一齡期下均高于普通水泥漿，并且后期強度較純水泥漿提高了10%[5]。

3.2 SJP 可控注漿施工工藝

SJP 水泥漿的可泵期和凝結(jié)時間均可調(diào)控， 因此在施工過程中， 根據(jù)現(xiàn)場涌水和地層情況調(diào)整漿液的可泵期和凝結(jié)時間進行動態(tài)施工， 以達到對高壓涌水裂隙的成功封堵。 施工工序如圖2 所示：

圖2 可控注漿工藝流程圖

3.2.1 止?jié){墻

由于掌子面裂隙陡傾發(fā)育、涌水量大，因此在注漿封堵過程中，為防止水泥漿液和裂隙水泄露嚴(yán)重，確保漿液沿裂隙有效擴散，需要在工作面設(shè)計止?jié){墻。止?jié){墻采用人工砌筑混凝土的方式，具體有以下幾點要求：

(1)止?jié){墻澆筑前先設(shè)置隔水層，預(yù)留數(shù)個注漿孔，再對大面積裂隙涌水進行引流；

(2)采用C20 混凝土澆筑；

(3)根據(jù)規(guī)范[6]，平面型混凝土止?jié){墻的厚度計算經(jīng)驗公式為：

式中：B 為混凝土止?jié){墻厚度，m；K 為安全系數(shù)，一般取1.0～2.0；w 為作用在墻上的荷載，w=PS，N；S 為混凝土止?jié){墻面積，m2； b 止?jié){墻寬度，m；h 為巷道高度，m；[σ]為混凝土允許抗壓強度，MPa。

本隧道工程中C20 混凝土的設(shè)計軸心抗壓強度fc=9.6MPa，取其為混凝土允許抗壓強度，即[σ]=fc=9.6MPa；結(jié)合式(1)，假設(shè)止?jié){墻為圓形，即h=b；根據(jù)經(jīng)驗[7]，當(dāng)r＜2m 時，K=1.6；當(dāng)r=2m 時，K=0.9；當(dāng)r＞2m 時，K=2/3。 代入數(shù)值得到計算結(jié)果如表2 所示：

表2 止?jié){墻厚度

止?jié){墻厚度數(shù)據(jù)符合實際工程要求。

(4)混凝土達到強度后通過接縫灌漿使止?jié){墻與周邊圍巖連接成整體，保證施工優(yōu)良性。

3.2.2 孔口密封裝置

對于隧道內(nèi)單孔高壓涌水情況， 普通的止?jié){塞缺乏抵抗水壓的能力， 難以完成封孔。 現(xiàn)使用一種簡易裝置——鐵打塞，裝置結(jié)構(gòu)如圖4。 該裝置能夠隔離水泥漿與地下水，防治初始漿液在下行過程中被水稀釋等問題，鐵打塞通過與孔壁的擠壓摩擦，防治突塞等情況的發(fā)生。實踐證明鐵打塞可完成高壓涌水孔密封效果， 為下一步注漿創(chuàng)造有利條件。

3.2.3 SJP 水泥漿注漿施工

隧道內(nèi)根據(jù)不同形式的突涌水情況， 針對性地設(shè)計注漿方案。

(1)帷幕注漿

掌子面左側(cè)開挖面裂隙涌水點多，巖體較破碎，為防止注漿時串漿、漏漿情況，首先通過澆筑止?jié){墻封閉大面積涌水裂隙面，待止?jié){墻凝固后，進行接縫處理，使得止?jié){墻與開挖面巖體連成整體；其次，在止?jié){墻位置處，先對預(yù)留孔注漿處理，達到封孔要求后，再以1.5m 間距鉆孔，孔深30m，梅花型錯開布孔，自下至上，間隔注漿，先注一序孔，后注二序孔。 注漿施工完成后，打開引流管閥門，若無涌水，則局部注漿工作結(jié)束。

圖3 止?jié){墻施工

圖4 孔口密封裝置

掌子面全斷面帷幕注漿，采用多排孔注漿，以1.5m間距鉆孔，梅花型錯開布置，每鉆進5m，注漿一次，共鉆進30m，注漿順序滿足“由外到內(nèi)、先下后上、間隔調(diào)控”的原則。 具體布孔參數(shù)如圖5 所示：

(2)頂水注漿

基于鼓嶺隧道存在多處高壓涌水的情況， 采用頂水注漿的方式治理。 在涌水點處鉆孔，孔深30m，鉆孔完成后，安裝孔口密封裝置，關(guān)閉閥門并觀察孔口周圍是否存在漏水，若存在滲漏，可使用土工布和高分子材料進行封堵，待周圍無大量滲水時，接通注漿管，此過程“鐵打塞”閥門始終關(guān)閉， 以保證該注漿位置的巖體內(nèi)的水處于靜態(tài)，直至注漿開始時開啟閥門。

圖5 梅花型錯開布置

注漿壓力為涌水壓力的2 倍左右， 隨著注漿工作的進行，當(dāng)該注漿孔不進漿，注漿壓力逐漸升高至初始注漿壓力3~4 倍且持續(xù)平穩(wěn)于該值或者再升高時， 即可停止注漿，閉閥，卸管。 待漿液凝固后，在其周圍施做檢查孔，若仍存在滲流或者涌水，則繼續(xù)注漿堵水，直到注漿效果達到要求。

3.3 施工成效

通過對掌子面帷幕注漿和頂水注漿治理， 對比注漿前后涌水量變化(圖6)，單孔涌水量均小于1.5m3/h，掌子面整體涌水量降低了95%以上，因此，帷幕注漿和頂水注漿效果顯著，掌子面涌水問題得到有效解決。

圖6 檢查孔涌水對比

4 結(jié)論

以鼓嶺隧道工程案例為研究對象， 分析了掌子面強涌水原因，采用一種新型堵水材料和可控注漿技術(shù)，對該工程涌水進行治理。 得出以下結(jié)論：

(1)鼓嶺隧道地下水豐富，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在破碎帶、斷層構(gòu)造帶及外力的共同作用下，巖體裂隙貫通，形成涌水的主要通道。

(2)SJP 水泥漿可泵期和凝結(jié)時間可控， 漿液性能穩(wěn)定， 后期強度高， 為漿液封堵涌水裂隙提供強有力的保障。

(3)對不同涌水類型采用針對性注漿方案，結(jié)合SJP可控注漿技術(shù)，成功治理了鼓嶺隧道左洞涌水，整體涌水量降低95%以上，效果較好。