向斜儲(chǔ)水構(gòu)造隧洞開(kāi)挖涌水塌方治理研究

李慶國(guó)

(鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局(籌),湖北 武漢 430000)

0 引 言

隧洞開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生涌水、塌方事故將嚴(yán)重影響工程的施工安全以及成本控制,確立經(jīng)濟(jì)有效的隧洞涌水、塌方治理技術(shù),對(duì)隧洞掘進(jìn)施工意義重大。目前關(guān)于隧洞涌水、塌方治理技術(shù)已有較多的研究成果,梅爭(zhēng)貴、包德勇、郭小紅等[1-3]研究了隧洞涌水塌方治理技術(shù),采用了固結(jié)灌漿、超前支護(hù)等針對(duì)不良地質(zhì)洞段的有效措施;蔣國(guó)云[4]基于誘發(fā)深部巖溶隧道突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子群的識(shí)別,得到了巖溶突水的安全性參評(píng)指標(biāo)并構(gòu)建出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;楊會(huì)軍等[5]研究了隧洞監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)技術(shù)以指導(dǎo)隧洞施工;李術(shù)才、劉招偉等[6-7]研究了隧洞注漿擴(kuò)散機(jī)理及封堵技術(shù)。

本文以鄂北地區(qū)水資源配置工程鳳凰寨隧洞為例,綜合分析涌水塌方原因,提出輸水隧洞施工過(guò)程中針對(duì)涌水、塌方問(wèn)題的處理方案,可為類似隧洞的涌水塌方治理提供參考。

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程鳳凰寨隧洞位于湖北省廣水市,隧洞總長(zhǎng)10.153 km。隧洞線路走向總體從西北向東南,方位角S42.39°～63.62°E。隧洞設(shè)計(jì)引水流量7.4 m3/s,進(jìn)口底板高程103.49 m,出口底板高程102.43 m,設(shè)計(jì)縱坡為1∶9 600,設(shè)計(jì)斷面尺寸為標(biāo)準(zhǔn)圓拱直墻型,開(kāi)挖斷面尺寸(寬×高)為(4.2～4.6) m×(4.671～5.190) m,成洞洞徑為3.5 m×4.14 m(寬×高)[8]。鳳凰寨隧洞典型斷面如圖1所示。

圖1 鳳凰寨隧洞典型斷面(尺寸單位:mm)Fig.1 Typical section diagram of Fenghuangzhai Tunnel

2 工程地質(zhì)條件

隧洞沿線地面高程118.5～344.0 m,相對(duì)高差約225 m,為丘陵地形,地形坡度以小于15°為主,山頂渾圓,地表沖溝地貌發(fā)育。工程區(qū)屬秦嶺褶皺系一級(jí)構(gòu)造單元,隧洞位于北大巴山-隨縣加里東褶皺帶(二級(jí))、隨縣-會(huì)寨復(fù)背斜(三級(jí))、關(guān)廟倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜(四級(jí))與關(guān)廟倒轉(zhuǎn)背斜北翼。隧洞軸線與褶皺軸向呈小角度斜交。隧洞主要穿越4條區(qū)域斷層。穿越地層巖性主要為震旦-青白口系白兆山組(Z2b)黑云母片巖、鈉長(zhǎng)片巖夾條帶狀、透鏡狀大理巖;震旦-青白口系岔河組(Z2c)鈉長(zhǎng)片巖及震旦-青白口系隨縣群垸子灣組((Qn-Z1)y)絹云鈉長(zhǎng)片巖。鳳凰寨隧洞地質(zhì)構(gòu)造示意如圖2所示。

圖2 鳳凰寨隧洞地質(zhì)構(gòu)造示意Fig.2 Geological structure diagram of Fenghuangzhai tunnel

隧洞沿線地下水類型為孔隙水、基巖裂隙水及巖溶孔隙水。孔隙水主要分布在第四系松散堆積物中;基巖裂隙水主要分布在基巖的構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙中,水量較貧乏,且不均衡,主要靠大氣降水補(bǔ)給,河床為其排泄基準(zhǔn)面;巖溶孔隙水主要賦存于大理巖中,由于巖性的不均一,巖溶總體呈弱發(fā)育,富水性中等-貧乏,為條帶狀分布。地下水水位高程116.34～144.10 m,鳳凰寨隧洞處于地下水水位之下,最大深度約40 m,地表水僅通過(guò)大理巖巖溶孔隙與隧洞存在弱聯(lián)系。

鳳凰寨隧洞220+470～220+650段巖體巖性為震旦-青白口系白兆山組中厚層大理巖夾薄層片巖,呈弱-微風(fēng)化,巖石為中硬巖夾較軟巖,隧洞走向138°,有向斜褶皺發(fā)育。北翼片理產(chǎn)狀為175°∠35°,南翼片理產(chǎn)狀350°∠52°。向斜為良好的儲(chǔ)水構(gòu)造;大理巖條帶真厚度約50 m,主要為厚層大理巖夾薄層片巖,大理巖頂、底均為白兆山組薄層黑云母片巖、鈉長(zhǎng)片巖,大理巖溶蝕孔隙發(fā)育,連通性好,為儲(chǔ)水巖層,頂?shù)灼瑤r為隔水層。隧洞開(kāi)挖大理巖段易發(fā)生涌水險(xiǎn)情;由于洞室穿越向斜核部,其核部褶皺及裂隙極發(fā)育,開(kāi)挖過(guò)程中易出現(xiàn)塌方險(xiǎn)情。

隧洞220+555～220+562段為向斜構(gòu)造核部轉(zhuǎn)折端,小型褶皺極發(fā)育,節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖較破碎,局部極破碎,大理巖與片巖接觸面順層裂隙有線狀流水現(xiàn)象,水流總量約5 L/s;本段圍巖類別為Ⅳ類,圍巖不穩(wěn)定。220+578～220+625段褶皺發(fā)育,大理巖有小溶孔溶隙發(fā)育,大理巖與片巖接觸面順層裂隙有線狀流水和股狀涌水現(xiàn)象,其中220+578～220+585段水流量約為33 L/s,樁號(hào)220+585附近拱頂出現(xiàn)塌方現(xiàn)象;本段圍巖類別為Ⅳ類,圍巖不穩(wěn)定。

3 塌方涌水情況及原因分析

2018年8月14日,施工至樁號(hào)220+555～220+562時(shí),隧洞頂拱部位出現(xiàn)涌水,流量約為18 m3/h。掌子面揭露圍巖巖性為厚層大理巖夾片巖,圍巖褶皺發(fā)育,局部褶皺發(fā)生錯(cuò)斷,巖體破碎。按照Ⅳ類圍巖采取加強(qiáng)支護(hù)措施,將流水引至兩側(cè),加強(qiáng)洞內(nèi)排水。2018年8月18日施工至樁號(hào)220+582～220+585段,進(jìn)行6 m深探孔及爆破鉆孔時(shí)無(wú)明顯滲水現(xiàn)象;爆破完成后,進(jìn)行排險(xiǎn)處理時(shí),掌子面后方頂拱部位出現(xiàn)頻繁掉塊現(xiàn)象,隨后發(fā)生涌水,現(xiàn)場(chǎng)暫停施工,并將施工人員撤離現(xiàn)場(chǎng)。2018年8月20日,220+583～220+585段頂拱塌方,并伴有明顯股狀涌水,涌水水壓小于0.01 MPa,涌水流量為120 m3/h,頂拱塌方高度約2.5～3.0 m。

隧洞樁號(hào)220+470～220+650段向斜構(gòu)造為良好的儲(chǔ)水構(gòu)造,且隧洞位于地下水位以下,深部向斜構(gòu)造大理巖所儲(chǔ)地下水存在一定承壓性質(zhì),向斜翼部大理巖出露地表;地下水通過(guò)巖溶孔隙與隧洞存在一定水力聯(lián)系。厚層大理巖多夾片巖,層理構(gòu)造極發(fā)育,巖體受褶皺影響,裂隙極發(fā)育。大理巖的巖溶總體發(fā)育程度較弱,巖溶裂隙富水性中等,呈中硬巖,巖層軟硬相間,圍巖質(zhì)量分布極不均勻,互鎖能力弱。片巖為強(qiáng)水敏性巖石,經(jīng)長(zhǎng)期浸水軟化,為極軟巖;在地下水的長(zhǎng)期作用下,巖層互鎖能力進(jìn)一步減弱,在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中,有滴水、線狀流水、股狀涌水現(xiàn)象,并常發(fā)生剝落、坍塌等;此外,圍巖片理走向與洞軸線交角一般為13°～28°,不利于隧洞整體穩(wěn)定。層狀大理巖裂隙發(fā)育,層狀結(jié)構(gòu)未破壞時(shí),層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)巖塊呈鑲嵌結(jié)構(gòu),具有一定強(qiáng)度,但當(dāng)爆破臨空面形成,且受異常水壓沖擊或局部巖塊松動(dòng),巖層原有平衡將被破壞,致使整層大理巖發(fā)生垮塌。隧洞掘進(jìn)至該區(qū)域時(shí),洞室頂拱巖層裂隙發(fā)育并伴有地下水涌出,地下水與其他不利地質(zhì)條件共同作用,導(dǎo)致拱頂失穩(wěn)并最終造成塌方。

4 處理措施

隧洞涌水塌方問(wèn)題出現(xiàn)后,施工人員攜帶設(shè)備撤離掌子面,因涌水量過(guò)大,超出隧洞臨時(shí)排水能力,計(jì)劃在洞內(nèi)水量疏排后且涌水量有所減小再行施工。然而,經(jīng)過(guò)14 d,涌水量未減小。分析認(rèn)為涌水塌方的主要原因是洞室開(kāi)挖后,該段褶皺發(fā)育,而大理巖為剛性巖石,褶皺段發(fā)育大量裂隙,層狀巖層由裂隙切割成大小不等的塊體鑲嵌排列而成,層狀大理巖層面間多有片巖或泥化片巖夾層,當(dāng)巖層局部塊體松動(dòng),巖層極易沿層理面整體脫落誘發(fā)塌方。此外,該涌水段位于地下水位以下,向斜構(gòu)造為良好的儲(chǔ)水構(gòu)造,且該段大理巖直通地表。一方面,地下水通過(guò)向斜構(gòu)造持續(xù)補(bǔ)給;另一方面,該段隧洞施工期間施工現(xiàn)場(chǎng)降雨較多,隧洞可通過(guò)地表降水等直接補(bǔ)給地下水。涌水補(bǔ)給充足,等待水量減小或排空幾乎不可能,也有違新奧法施工原則,且不做處理的情況下,半填充狀態(tài)的溶蝕大理巖填充物被水流帶出,形成管道型涌水通道,可能導(dǎo)致更大突涌災(zāi)害;片巖為強(qiáng)水敏性巖石,極易軟化,大理巖局部夾片巖夾層受地下水持續(xù)浸泡侵蝕,巖體整體強(qiáng)度降低,可能導(dǎo)致塌方段進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)洞室變形觀測(cè),在14 d時(shí)間內(nèi),涌水塌方段無(wú)明顯變形,因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件,以加強(qiáng)排水方案進(jìn)洞施工,并按Ⅴ類圍巖加強(qiáng)支護(hù)措施,在塌方段設(shè)置超前小導(dǎo)管支護(hù),具體方案如下。

(1) 洞內(nèi)排水和監(jiān)測(cè)。定期觀測(cè)圍巖出水情況,增加洞內(nèi)抽排設(shè)備,加強(qiáng)洞內(nèi)施工抽排水,避免隧洞圍巖積水浸泡,保證正常施工。

(2) 塌方出水上游5 m洞段(樁號(hào)220+578～220+583):頂拱、邊墻采用系統(tǒng)錨桿Φ22 mm,長(zhǎng)度L=2.0 m,間排距1.0 m,梅花形布置,錨桿盡可能垂直節(jié)理裂隙面布設(shè);頂拱、邊墻掛網(wǎng)Φ6.5 mm@15 cm×15 cm,噴16 cm厚C25混凝土;采用I16鋼拱架支護(hù),榀距0.5 m,間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整。對(duì)鋼拱架拱腳處進(jìn)行混凝土地梁加固處理,地梁具體尺寸為0.4 m×0.3 m(高×寬),必要時(shí)利用型鋼全斷面封閉。在塌方空腔體拱架處布置一排Φ42 mm小導(dǎo)管,長(zhǎng)度6 m,環(huán)間距0.3 m,小導(dǎo)管前端2 m采用花管,外傾角5°左右;在靠近塌腔的第二榀拱架處布置一排小導(dǎo)管,外傾角為10°～15°,其他參數(shù)相同。

(3) 塌方出水段(樁號(hào)220+583～220+585):在已安裝固定好的小導(dǎo)管上部覆蓋薄鋼板或者鐵皮,并用鐵絲固定,將出水引至洞內(nèi)兩側(cè)通過(guò)隧洞抽排水系統(tǒng)排至洞外。同時(shí),在塌方體左右兩側(cè)從上至下緊貼巖壁布置2道聚丙烯盲溝管。邊墻采用系統(tǒng)錨桿Φ22 mm,L=2 m,間排距1.0 m,梅花形布置,掛網(wǎng)Φ6.5 mm@15 cm×15 cm,在頂拱塌腔周邊合適位置布設(shè)隨機(jī)錨桿Φ22 mm,L=2.5 m,外露長(zhǎng)度50 cm。采用I16鋼拱架支護(hù),榀距0.5 m,間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整。鋼拱架與樁號(hào)220+578～220+583相同。待塌方段支護(hù)施工完成后,利用預(yù)留的混凝土注漿管及時(shí)對(duì)已經(jīng)形成的空腔部分進(jìn)行混凝土回填,最后在混凝土和圍巖之間進(jìn)行回填灌漿(圖3)。

圖3 鳳凰寨隧洞220+583～220+585段塌方處理設(shè)計(jì)(尺寸單位:mm)Fig.3 Design of collapse treatment for 220+587～220+583 section of Fenghuangzhai Tunnel

(4) 塌方出水段下游5 m洞段(樁號(hào)220+585～220+590):在塌方段處理完畢之后,采用超前鉆孔進(jìn)行探測(cè),在掌子面頂部、中部的左、右兩側(cè)布置3個(gè)探孔,孔深不小于10 m,并采取物探方法探測(cè)掌子面前方圍巖以及賦水情況。樁號(hào)220+585～220+590洞段的支護(hù)參數(shù)與220+578～220+583洞段相同。在樁號(hào)220+585附近鋼拱架頂拱布置一排Φ42 mm超前小導(dǎo)管,小導(dǎo)管長(zhǎng)度6 m,間距0.4 m,外傾角5°左右。必要時(shí)利用小導(dǎo)管注漿,對(duì)頂拱圍巖進(jìn)行加固。該洞段爆破循環(huán)進(jìn)尺不大于1 m。

(5) 安全監(jiān)測(cè)。為及時(shí)觀察隧洞塌方段圍巖變形情況,在隧洞樁號(hào)220+580、220+595處設(shè)置臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面,進(jìn)行隧洞斷面收斂變形監(jiān)測(cè),當(dāng)觀測(cè)相對(duì)收斂值超過(guò)0.2%時(shí),施工人員及時(shí)撤出并報(bào)告參建各方。

(6) 隧洞固結(jié)灌漿。隧洞在施工通過(guò)涌水塌方洞段后,對(duì)此段隧洞進(jìn)行固結(jié)灌漿加固處理,固結(jié)灌漿孔孔徑為50 mm,采用Φ50 mm、長(zhǎng)4 m的花管,灌漿方向與隧洞開(kāi)挖面垂直,灌漿孔間排距3.0 m,梅花形布置。灌漿料采用凈水泥漿,漿液水灰比變化范圍為 0.45∶1～0.65∶1,根據(jù)地下水埋置深度及涌水水壓情況,灌漿壓力宜大于外水壓力0.2～0.3 MPa,灌漿壓力宜控制在0.3～0.5 MPa,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況具體確定其壓力。為保證后期隧洞襯砌安全,在隧洞頂拱設(shè)置排水孔減壓。

5 施工效果

按照設(shè)計(jì)方案,進(jìn)洞后先對(duì)塌方段影響帶220+587～220+583段圍巖擴(kuò)挖,并進(jìn)行拱架支護(hù),以防止塌方段擴(kuò)大,保證施工安全。隨后在塌方段進(jìn)行小導(dǎo)管施工,并上掛薄鋼板導(dǎo)水,邊墻采用錨桿加噴混凝土加固,安裝拱架,整個(gè)施工過(guò)程加強(qiáng)導(dǎo)排水;支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后,在塌方段充填混凝土。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,在保證排水有效的情況下,對(duì)塌方段影響帶220+585～220+590段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),以短進(jìn)尺、拱架支護(hù)通過(guò)隧洞;固結(jié)灌漿加固后,隧洞滲水量明顯減少。涌水塌方處理全過(guò)程歷時(shí)11 d。隧洞典型斷面安全監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖4)表明:塌方段變形量為2.3～5.1 mm,洞頂相對(duì)變形量0.052%～0.116%,隧洞變形量小于規(guī)范允許值,隧洞變形趨于穩(wěn)定,處理效果良好。后續(xù)施工采用超前小導(dǎo)管先進(jìn)堵水,及時(shí)排水。通過(guò)采取短進(jìn)尺、加強(qiáng)支護(hù)等措施,后續(xù)施工進(jìn)展順利。

圖4 220+580斷面收斂監(jiān)測(cè)變形曲線Fig.4 220+580 section convergence monitoring deformation curve

6 建 議

(1) 向斜儲(chǔ)水涌水洞段處理的首要任務(wù)是排水減壓。處理洞內(nèi)水時(shí)應(yīng)遵循“排堵結(jié)合、限量排放”的原則,及時(shí)對(duì)涌水洞段進(jìn)行灌漿處理。可采用聚丙烯盲溝管處理涌水部位,將頂拱塌方處的涌水沿洞室邊墻引至集水井。安全開(kāi)挖通過(guò)后,后續(xù)施工洞段應(yīng)預(yù)留或打設(shè)排水孔,以減小水壓對(duì)洞室穩(wěn)定的影響。

(2) 對(duì)于由巖層水平片理構(gòu)造而非大斷層或破碎帶造成的洞室頂拱塌方,可采用超前小鋼管的強(qiáng)支護(hù)配合常規(guī)拱架及錨噴支護(hù)手段來(lái)通過(guò)塌方段,鋼管棚護(hù)作用明顯。利用超前小鋼管進(jìn)行注漿(即超前小導(dǎo)管注漿),以固結(jié)頂拱破碎巖體。超前小導(dǎo)管方案施工工期短,且經(jīng)濟(jì)合理。

(3) 洞內(nèi)塌方涌水等問(wèn)題,應(yīng)以預(yù)防為主。針對(duì)不良地質(zhì)洞段,除了控制每循環(huán)進(jìn)尺,還應(yīng)及時(shí)采取超前探孔或超前物探等超前地質(zhì)探測(cè)措施,探明前方圍巖地質(zhì)條件,以便提前采取措施應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

(4) 對(duì)于塌方段前后影響帶,應(yīng)采取拱架、錨桿、掛網(wǎng)噴混等強(qiáng)支護(hù)措施,在清楚分析原因的情況下盡快組織施工,避免塌方段擴(kuò)大。

(5) 固結(jié)灌漿能有效提高圍巖自穩(wěn)性?；ü芄酀{施工簡(jiǎn)單,但易產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象,因此作業(yè)時(shí)應(yīng)控制好灌漿壓力并選用合適的灌漿方法。

7 結(jié) 語(yǔ)

斷層帶、向斜褶皺在補(bǔ)給條件較好的條件下易形成儲(chǔ)水結(jié)構(gòu),隧洞施工在穿越此類地層時(shí),容易發(fā)生涌水災(zāi)害,進(jìn)而在水壓力作用下發(fā)生塌方。處理涌水塌方一般采用固結(jié)灌漿封堵,加上超前支護(hù)、拱架支撐等強(qiáng)支護(hù)措施,同時(shí)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上,通過(guò)短進(jìn)尺、弱爆破預(yù)防涌水塌方。鄂北地區(qū)水資源配置工程鳳凰寨隧洞涌水塌方處理采用疏堵結(jié)合、灌漿固結(jié)、超前支護(hù)和拱架支撐等措施,取得了較好的處理效果。