朵生君

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司,西安 710043)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路、鐵路的建設(shè)任務(wù)越來(lái)越多，同時(shí)修建的長(zhǎng)大、特長(zhǎng)隧道也越來(lái)越多。在長(zhǎng)大隧道施工過(guò)程中，難免會(huì)遇到涌水，出水后給施工造成很大影響，同時(shí)有可能發(fā)生淹井事故；如遇隧道埋深大、反坡施工距離長(zhǎng)，掌子面涌水會(huì)存在水量、壓力大的特點(diǎn)，單一的采用全排方案施工風(fēng)險(xiǎn)大，高水壓條件下，傳統(tǒng)的帷幕注漿方式很難實(shí)施。在中天山隧道遇到高壓富水段后，通過(guò)方案比選、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、專家論證，采用“分區(qū)定位、注漿減排、泄水降壓、合理步距”的處理原則，有效減少排水量，達(dá)到安全的施工條件，解決了高壓富水段施工難題。

1 工程概況

中天山隧道是南疆吐庫(kù)二線重點(diǎn)控制性工程，設(shè)計(jì)為雙單線，線間距36 m，隧道全長(zhǎng)22.449 km，為單面上坡；進(jìn)口采用TBM施工，出口采用鉆爆法施工；左、右線各設(shè)1座長(zhǎng)約2.5 km的斜井。

隧道穿越中天山主脈，最大埋深1 700 m，通過(guò)的地層有泥盆系片巖夾大理巖，志留系變質(zhì)砂巖夾片巖、角斑巖，元古界片巖夾大理巖、混合巖夾片麻巖，華里西期花崗巖，加里東期閃長(zhǎng)巖等；通過(guò)一級(jí)斷層3條，次級(jí)斷裂7條，硬質(zhì)巖中分布有節(jié)理密集帶。

2 高壓富水段涌水情況及地質(zhì)特征分析

2.1 涌水情況

2011年10月6日，出口右線掌子面開(kāi)挖至DyK154+901處(隧道埋深約1 400 m)出現(xiàn)較大涌水，涌水量約5 000 m3/d；2012年5月3日左線掌子面開(kāi)挖至DK154+856后，采用RPD-150C多功能地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆孔探水，探孔實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。

2.2 地質(zhì)特征分析

2.2.1 區(qū)域地質(zhì)特征

涌水段地處于中天山山地嶺脊附近，隧道埋深超過(guò)1 400 m。地表沿隧道中線右側(cè)0～200 m有一深切溝谷(溝底高程2 600～2 700 m)伴行線路約1 km，地層巖性為華力西期閃長(zhǎng)巖。涌水掌子面位于閃長(zhǎng)巖與志留系片巖夾砂巖的接觸帶的過(guò)渡帶附近，前方約300 m為f7逆斷層，N60°W/70°S，破碎帶寬3～5 m。涌水段地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 涌水段地質(zhì)縱斷面

2.2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

(1)為進(jìn)一步探明地質(zhì)情況，首先采用TSP超前物探進(jìn)行探測(cè)，判斷掌子面前方150 m范圍內(nèi)地質(zhì)情況；

(2)之后完成4個(gè)超前水平地質(zhì)探孔(編號(hào)為E1、S1、S4、S9)，探孔孔位布置見(jiàn)圖2，探孔參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 涌水段地質(zhì)縱斷面(單位：cm)

鉆孔編號(hào)開(kāi)孔座標(biāo)X/cmY/cm水平角/(°)豎直角/(°)孔深/mE131.46110.938.3S1-109.4159.1-8.214.431.3S4-228.140.8-15.9531.3S9-122.350.4-6.62.930.2

根據(jù)物探資料結(jié)合超前鉆孔資料成果綜合分析：富水段長(zhǎng)度73～106 m，圍巖以Ⅲ、Ⅳ級(jí)為主，其他地段Ⅱ、Ⅲ級(jí)。如圖3所示。

圖3 涌水段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析結(jié)果示意

2.2.3 左、右線連通性

對(duì)左、右線掌子面各3個(gè)安裝閥門及壓力表的探孔進(jìn)行連通性測(cè)試，情況如下：

(1)左線出水孔全部關(guān)閉，右線排水，觀測(cè)左線3個(gè)孔的最大壓力分別為0.35、0.6、0.6 MPa；

(2)右線出水孔全部關(guān)閉，左線排水，觀測(cè)右線3個(gè)孔的最大壓力分別為1.6、1.8、1.9 MPa。

(3)左線3個(gè)出水孔全部關(guān)閉后，40 min后再關(guān)閉右線所有出水孔，右線3孔壓力變化曲線如圖4所示，在測(cè)試過(guò)程中由于右線1個(gè)閘閥出現(xiàn)泄水現(xiàn)象，最大壓力值為4.9 MPa。

圖4 右線掌子面探孔壓力變化情況

2.2.4 涌水壓力測(cè)試

關(guān)閉左、右線掌子面排水孔閘閥，對(duì)右線掌子面2個(gè)孔進(jìn)行水壓觀測(cè)。水壓在50 min內(nèi)上升到5.8 MPa，其后呈緩慢上升趨勢(shì)，200 min后水最大靜水壓力6.3 MPa，排水孔水壓變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 右線掌子面排水孔水壓變化曲線

2.2.5 單孔壓力、流量觀測(cè)

關(guān)閉左線所有泄水孔的水閥，同時(shí)右線僅打開(kāi)E1號(hào)泄水孔(孔深為38.3 m，為最深的探孔)的水閥，進(jìn)行單孔壓力、流量測(cè)試。

關(guān)閉E1孔水閥，壓力由0到4.0 MPa，用時(shí)28 min，壓力在4 MPa左右時(shí)流量約350 m3/h。然后打開(kāi)E1孔水閥，到排水量穩(wěn)定時(shí)，用時(shí)21 min，共排水98.44 m3。

2.2.6 水文地質(zhì)特征分析

通過(guò)補(bǔ)充勘察工作結(jié)果分析，掌子面前方地層受f7斷層影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，巖體較完整～較破碎，地下水極發(fā)育。地下水類型主要為巖性接觸帶層間水，賦存于節(jié)理密集帶、寬張節(jié)理中，呈條帶狀分布，含水體傾向隧道小里程方向，總體走向與節(jié)理延伸方向一致，相對(duì)隔水體分布明顯；受地質(zhì)構(gòu)造、埋深等影響，地下水具有補(bǔ)給充分、水壓高、水量大、突發(fā)性強(qiáng)、衰減緩慢、連通性好等特點(diǎn)。

根據(jù)超前水平鉆孔、水壓及水量觀測(cè)，采用古德曼經(jīng)驗(yàn)式、水壓力法及單長(zhǎng)水量估算法進(jìn)行涌水量估算，高壓富水段的正常涌水量1.6萬(wàn)m3/d，最大涌水量3.2萬(wàn)m3/d。

3 注漿堵水設(shè)計(jì)[5]

地下水具有補(bǔ)給充分、水壓高、水量大、衰減緩慢等特點(diǎn)，若采用全排水處理方式，在高壓水作用下破碎圍巖易發(fā)生突水突泥或坍塌現(xiàn)象，綜合考慮施工安全、工期、經(jīng)濟(jì)等因素，確定采用超前帷幕注漿，以提高巖體的整體穩(wěn)定性，并降低地層的滲透系數(shù)，減小涌水量，確保施工安全。

由于在高水壓狀態(tài)下，直接采用超前帷幕注漿方式很難達(dá)到注漿效果，因此本次注漿設(shè)計(jì)遵循“分區(qū)定位、注漿減排、泄水降壓、合理步距”的原則，即注漿時(shí)通過(guò)設(shè)置泄水降壓孔，邊泄水降壓，邊進(jìn)行注漿堵水。

3.1 分區(qū)定位，劃分注漿區(qū)域

為提高注漿效率，先施做6個(gè)鉆孔作為注漿孔兼超前地質(zhì)探孔，分析探孔涌水量大小以及在掌子面的涌水部位分布情況，劃分多個(gè)注漿區(qū)域，針對(duì)性進(jìn)行布孔及注漿堵水，使地層中涌水量得到有效控制。

3.2 對(duì)角泄水降壓

注漿前，在掌子面附近左上、左下、右上、右下，各布設(shè)2個(gè)泄水孔并設(shè)置閘閥，注漿時(shí)，采用“對(duì)角泄水降壓”的原則，即對(duì)左上部位注漿時(shí)，右下部位泄水，以加大注漿、泄水孔空間距離，減少串漿幾率。

3.3 合理鉆孔步距

根據(jù)所劃分的不同注漿區(qū)域，適當(dāng)調(diào)整注漿孔眼間距；重點(diǎn)注漿區(qū)域增設(shè)注漿鉆孔，以縮小注漿孔步距，涌水量較少區(qū)域可減少注漿鉆孔，增大鉆孔步距，減少鉆孔量。

3.4 注漿堵水設(shè)計(jì)

3.4.1 注漿范圍

根據(jù)超前鉆探探測(cè)地質(zhì)情況，分別設(shè)計(jì)5 m及8 m環(huán)向加固圈，縱向每循環(huán)30 m；注漿孔5 m范圍內(nèi)為45個(gè)，8 m范圍內(nèi)為69個(gè)。注漿方式采用前進(jìn)式分段注漿。每循環(huán)均施做2 m厚的止?jié){墻，開(kāi)挖時(shí)，預(yù)留4 m厚止?jié){巖盤。注漿設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖6。

圖6 5 m范圍帷幕注漿示意(單位：cm)

3.4.2 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)(表2)

注漿材料采用以普通水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，如以上材料注漿效果不好時(shí)，可考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿進(jìn)行試驗(yàn)。

4 節(jié)理密集帶富水段注漿實(shí)施

4.1 注漿順序及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)先施作6個(gè)注漿孔兼超前地質(zhì)探孔，然后按由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔的方式進(jìn)行，對(duì)局部水量大的區(qū)域注漿完成后有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿。

(2)單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以定量定壓相結(jié)合的方式控制。當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可用雙液注漿等措施結(jié)束該孔注漿；當(dāng)壓力逐漸上升，流量逐漸下降，壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力并維持5～30 min可結(jié)束該孔注漿。當(dāng)所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，可結(jié)束本循環(huán)注漿。

表2 注漿主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 注漿過(guò)程P-Q-t曲線[4]

注漿量和注漿壓力隨注漿時(shí)間變化情況如圖7所示，主要表現(xiàn)為2種形式：涌水量較大的注漿孔，初始?jí)毫? MPa左右，在2～4 MPa期間壓力上升緩慢，4～7 MPa期間壓力上升較前速度加快；7 MPa至終壓為瞬間上升，注漿流量也隨之降低，達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)；涌水量較少的孔注漿初始?jí)毫θ詾? MPa左右，但注漿壓力上升較快，地層吸漿較小，隨著注漿壓力的快速上升并達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，出水裂隙被漿液充填密實(shí)，達(dá)到預(yù)期的堵水效果。

圖7 注漿P-Q-t曲線

4.3 堵水效果[4]

先施工的注漿孔水量最大達(dá)到239 m3/h，平均達(dá)176 m3/h，隨著注漿進(jìn)行，大的寬張裂隙被封堵后，達(dá)到一定的堵水效果；在后序的內(nèi)圈孔完成后，大部分出水裂隙已全部封堵，平均涌水為12 m3/h，，注漿堵水減排效果明顯。

4.4 檢查孔

檢查孔鉆設(shè)過(guò)程中鉆進(jìn)速度較快，未出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，且孔內(nèi)出水量都達(dá)到開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)；孔內(nèi)攝像結(jié)果顯示孔壁光滑，成孔性較好、無(wú)塌孔現(xiàn)象，孔壁有較明顯的漿液充填痕跡。

5 節(jié)理密集帶富水段施工

注漿完成后，采用上、下臺(tái)階法施工，揭露圍巖內(nèi)的所有滲水通道都被漿液有效填充，掌子面涌水量比注漿前明顯減小，能夠保證順利開(kāi)挖。

由于注漿的局限性，不可避免存在盲區(qū)，局部存在滲水現(xiàn)象，為保證后期運(yùn)營(yíng)安全，高壓富水帶初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)，C25噴混凝土厚30 cm，設(shè)置I22b型鋼鋼拱架，間距0.5～0.8 m；二次襯砌按承受1 MPa水壓進(jìn)行設(shè)計(jì)[11-12]，采用70 cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語(yǔ)

由于中天山隧道埋深大，施工距離長(zhǎng)，所遇到高壓富水段涌水具有水壓大、水量大、衰減緩慢等特點(diǎn)，采用全排方式或直接全斷面帷幕注漿方式，施工風(fēng)險(xiǎn)高，難度大；通過(guò)“分區(qū)定位、注漿減排、對(duì)角泄水降壓、合理步距”的處理方式，成功地解決了施工難題，為加快中天山隧道建設(shè)提供了技術(shù)保障。

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