李立民

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

1 工程概況

秦嶺隧洞是陜西省引漢濟(jì)渭工程的重點(diǎn)工程，為規(guī)劃的陜西省內(nèi)南水北調(diào)跨流域調(diào)水工程之一，隧洞全長81.779 km。隧洞位于秦嶺西部山區(qū)，區(qū)內(nèi)山峰高聳，溝壑縱橫，橫穿秦嶺山脈，最大海拔為2 705 m，進(jìn)出口與主峰相對高差1 900～2 100 m，埋深在500 m以上的洞段長達(dá)35 km，最大埋深約2 000 m。工程位于秦嶺褶皺系，地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜，斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，對施工影響較大。

2 隧洞突泥涌水概述

隧洞突泥涌水段位于K26+760～K26+810段內(nèi)。隧洞埋深1 120～1 170 m，受石英巖、片麻巖及花崗巖巖性接觸帶的影響，巖體破碎。2011年10月23日13∶10隧洞下游爆破后(未出渣)，K26+760掌子面拱頂位置出現(xiàn)突泥涌水，自裂隙處涌出灰黑色、淡黃色巖屑及伴隨粒徑大于50 cm孤石，極為渾濁，經(jīng)估算當(dāng)時突泥涌水量約100 m3/h。至15∶00突泥涌水裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大至拱頂120°范圍，突泥涌水呈現(xiàn)間歇性突發(fā)，經(jīng)現(xiàn)場測算突泥涌水量約150 m3/h。險(xiǎn)情發(fā)生后，現(xiàn)場項(xiàng)目部立即采取應(yīng)急預(yù)案，并迅速組織人員撤離，沒有發(fā)生任何事故。自10月23日至10月31日間在清淤過程中共發(fā)生4次較大潰口突泥，持續(xù)時間6～10 min，涌泥(水)量100～120 m3。2011年10月31日掌子面涌出泥渣累計(jì)約1 000 m3。截止2011年11月4日潰口處突泥仍間歇性發(fā)生，涌泥(水)量約100 m3/h。

3 隧洞突泥涌水原因分析

突泥涌水點(diǎn)裂隙視傾角30°～45°，裂隙寬度約為25 cm，貫穿拱部偏右，范圍拱頂30°，掌子面開挖巖性主要為石英巖、片麻巖及花崗巖，片理產(chǎn)狀N75°W/45°S，呈灰白色—黑灰色，主要礦物成分為石英、長石、角閃石，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀—片狀構(gòu)造，巖體較破碎，圍巖極不穩(wěn)定。掌子面多見印支期花崗巖侵入接觸，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石多呈塊狀及碎塊狀，巖體完整性差，圍巖不穩(wěn)定。巖體富水性較好，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，導(dǎo)致巖性不整合接觸帶產(chǎn)生較大突泥涌水，并形成了塌腔體。

結(jié)合隧洞掌子面及地表地質(zhì)調(diào)查資料分析，突泥涌水段埋深大于1 100 m，隧洞所涌之水均為儲存于非均質(zhì)各向異性的裂隙含水介質(zhì)中的靜儲量，與地表水體無直接水力聯(lián)系，其補(bǔ)給源有限，突然涌水初期會伴有一定壓力，隨時間推移，水壓和水量會逐漸衰減，衰減至一定量時可實(shí)施封堵及對圍巖進(jìn)行支護(hù)、加固處理。

4 施工設(shè)計(jì)方案

施工處理前先期安排了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以探明掌子面前方地質(zhì)圍巖情況。掌子面剩余渣體不予擾動，為確保已開挖完段的結(jié)構(gòu)安全，自里程K26+740采用Ⅲ類圍巖加強(qiáng)支護(hù)，自K26+755開始擬采用超前加強(qiáng)支護(hù)。待支護(hù)到現(xiàn)渣腳時(里程K26+750處)開始施作止?jié){墻，止?jié){墻分2層從下至上分段施工。在止?jié){墻施工過程中預(yù)留下部泄水孔，并在最上一層止?jié){墻施工過程中預(yù)留混凝土輸送孔和排氣孔;待止?jié){墻封閉整個臨坡面后開始對空腔體進(jìn)行灌注混凝土，完成后施作超前地質(zhì)鉆孔驗(yàn)證。如鉆孔結(jié)果與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果一致時，確定按照超前大管棚施工，開挖支護(hù)施工中采用邁式錨桿超前預(yù)支護(hù)，初期支護(hù)緊跟掌子面逐步掘進(jìn);如鉆孔結(jié)果與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果相差較大，出現(xiàn)地質(zhì)異常、地下水異常豐富、巖質(zhì)極差等時，重新確定超前加固措施方案。

5 TSP與紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯成果

(1)K26+761～+774段巖性為石英巖夾片麻巖和花崗巖分界帶，探測后分析認(rèn)為巖體片理及節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎—破碎，圍巖極不穩(wěn)定，建議為Ⅴ類圍巖，施工中可能產(chǎn)生坍塌、掉塊，并可能產(chǎn)生較大基巖裂隙涌水，建議加強(qiáng)對該段圍巖及地下水進(jìn)行觀測，增強(qiáng)排水及初期支護(hù)措施。

(2)K26+774～+794段巖性為石英巖夾片麻巖和花崗巖接觸帶，探測后分析認(rèn)為巖體片理及節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育，巖體完整性差—較破碎，圍巖不穩(wěn)定性，建議為Ⅳ類圍巖，施工中可能產(chǎn)生坍塌、掉塊，并可能產(chǎn)生較大基巖裂隙涌水，注意加強(qiáng)對該段圍巖及地下水進(jìn)行觀測，增強(qiáng)排水及初期支護(hù)措施。

(3)K26+794～+839段巖性為花崗巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性差—較完整，圍巖局部穩(wěn)定性差，建議為Ⅲ類圍巖，施工中拱部可能產(chǎn)生小的掉塊，且可能發(fā)育一定基巖裂隙水滲出，應(yīng)加強(qiáng)排水及初期支護(hù)措施。

(4)K26+810～+861段巖性為花崗巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，巖體較完整，圍巖基本穩(wěn)定，建議為Ⅱ類圍巖，可能發(fā)育一定基巖裂隙水滲出，同時拱部可能因巖爆而產(chǎn)生剝落、掉塊，應(yīng)加強(qiáng)初期支護(hù)措施。

6 施工要點(diǎn)

6.1 K26+740～K26+758已開挖段加固措施

為保證K26+740～K26+758已開挖段(不整合接觸帶影響帶)安全及掌子面施工安全，對該段支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng):拱墻設(shè)I16型鋼鋼架，鋼架間距70 cm，噴混凝土厚度21 cm，拱墻設(shè)φ8 mm鋼筋網(wǎng)，間距25 cm×25 cm，兩側(cè)邊墻設(shè)φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長2.5 m，間距1.2 m×1.5 m(環(huán)×縱);二次襯砌采用C30鋼筋混凝土。

6.2 K26+758～K26+810段設(shè)計(jì)

6.2.1 止?jié){墻設(shè)計(jì)

為保證管棚施工安全，在K26+740～K26+758段加強(qiáng)支護(hù)完成后，利用棄渣對掌子面進(jìn)行反壓，然后施作止?jié){墻(采用C25混凝土)，止?jié){墻厚度不小于2 m?？紤]后期管棚施作和注漿施工的需要，止?jié){墻分兩層施工，第一層止?jié){墻施工完后做一個1 m厚的工作平臺，平臺長12 m，然后再施工第二層止?jié){墻。止?jié){墻順序如下。

(1)回填反壓:在K26+740～K26+758段加強(qiáng)支護(hù)施作完成后，利用大塊棄渣對掌子面附近泥狀渣體進(jìn)行反壓，使其更加穩(wěn)定。在渣體內(nèi)插入注漿管，注水泥漿，加快渣體穩(wěn)定，注漿參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)確定。

(2)施工鎖腳錨桿:第一層止?jié){墻施作前將其基礎(chǔ)范圍內(nèi)虛渣及泥漿清理干凈，并在止?jié){墻墻基及其與隧洞周邊接觸處施作鎖腳錨桿，錨桿采用φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長3 m，間距1 m×0.7 m(環(huán)×縱)，雙排，外露接茬長度1 m。

(3)第一層止?jié){墻及工作平臺施工:第一層止?jié){墻高度3.5 m左右，厚2 m，平臺長度12 m，厚度1 m。止?jié){墻施工時在其底部預(yù)留2根φ150 mm鋼管作為排水孔，將掌子面底部的涌水排出。

(4)第二層止?jié){墻施工:工作平臺混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，施工第二層止?jié){墻。止?jié){墻施工時拱部預(yù)埋3根φ150 mm鋼管，一根作為澆筑混凝土排氣孔，同時作為掌子面涌水排水管;另一根作為混凝土輸送管道，第三根作為吹沙回填管道，其尾部伸至開挖輪廓線外小于4 m。

(5)空腔回填:止?jié){墻施工完成后對空腔采用C20泵送混凝土回填，回填厚度不小于拱頂開挖輪廓線外2 m，待該段施工通過后對空腔處采用地質(zhì)雷達(dá)掃描，確定空腔范圍，然后確定空腔吹沙回填的厚度。

6.2.2 超前地質(zhì)鉆孔驗(yàn)證

止?jié){墻強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa后在止?jié){墻面上布置了3個超前地質(zhì)鉆孔，分別布置于拱頂及兩側(cè)大跨各一個，采用取芯鉆，孔深35 m，孔徑89 mm。

將超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果與TSP及紅外探測超前預(yù)報(bào)成果進(jìn)行比較，鉆孔結(jié)果與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基本一致。結(jié)合TSP與紅外探測超前預(yù)報(bào)及超前地質(zhì)鉆孔分析結(jié)果，K26+740～K26+780段原設(shè)計(jì)為Ⅲ類圍巖、K26+780～K26+810段原設(shè)計(jì)為Ⅱ類圍巖，變更為K26+740～K26+758段為Ⅳ類圍巖，K26+758～K26+777段為Ⅴ類圍巖，K26+777～K26+794段為Ⅳ類圍巖，K26+794～K26+810段為Ⅳ類圍巖，最終確定采用超前大管棚的施工方案。

6.2.3 超前支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)超前支護(hù)正面布置

在開挖輪廓線拱部180°范圍內(nèi)設(shè)置φ108 mm超前管棚，管棚環(huán)向間距40 cm，每環(huán)共布置32根管棚，在管棚中間加設(shè)R38N自進(jìn)式注漿錨桿，第一環(huán)錨桿環(huán)向間距40 cm，從第二環(huán)開始錨桿環(huán)向間距30 cm。管棚正面布置如圖1所示。

圖1 超前支護(hù)正面布置

(2)超前支護(hù)縱向布置

K26+758～K26+794段設(shè)置一環(huán)φ108超前管棚，管棚長35 m;K26+758～K26+777段R38N自進(jìn)式注漿錨桿長5 m，縱向間距3.35 m，K26+777～K26+794段R38N自進(jìn)式注漿錨桿長4.5 m，縱向間距3.2 m，配合鋼架使用，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整縱向間距，相鄰兩排自進(jìn)式注漿錨桿之間水平搭接長度不小于1 m，管棚縱向布置如圖2所示。

圖2 超前支護(hù)縱向布置(單位:mm)

(3)超前管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

鋼管規(guī)格，熱軋無縫鋼管，外徑108 mm，壁厚8 mm。每節(jié)鋼管兩端均預(yù)加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管，每節(jié)鋼管長4～6 m，鋼管同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不超過管數(shù)的50%。管距，環(huán)向間距40 cm。傾角，外插角6°～8°，可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整。鋼花管上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，尾部留長度不小于1 m不鉆孔的止?jié){段。

(4)超前管棚注漿采用水泥-水玻璃雙漿液

水泥漿液水灰比為0.8∶1(質(zhì)量比);水泥漿液-水玻璃體積比為1∶1;注漿壓力，0.5～2.0 MPa。注漿前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿參數(shù)，取得管棚注漿參數(shù)，以保證注漿效果。

(5)R38N自進(jìn)注漿錨桿長4.5 m或5.0 m，第一環(huán)錨桿環(huán)向間距40 cm，從第二環(huán)開始錨桿環(huán)向間距30 cm，外插角10°，可根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整，并注水泥-水玻璃雙漿液。

(6)注漿結(jié)束后長管棚內(nèi)采用M10水泥砂漿充填鋼管，以增強(qiáng)管棚強(qiáng)度。

6.2.4 K26+758～K26+810段襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)

超前管棚施工完成后，K26+758～K26+810段按以下措施進(jìn)行施工。

(1)襯砌支護(hù)參數(shù)

K26+758～K26+777段，初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)，全斷面設(shè)3榀/2 mI20a型鋼鋼架，全斷面噴C20混凝土，厚25 cm;拱部120°范圍內(nèi)設(shè)φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻設(shè)φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，錨桿長3.5 m，間距120 cm×100 cm，拱墻設(shè)φ8 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚50 cm。K26+777～K26+794段，初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)，拱墻設(shè)1榀/0.8 mI16型鋼鋼架，拱墻噴C20混凝土，厚21 cm;拱部120°范圍內(nèi)設(shè)φ25 mm中空注漿錨桿，邊墻設(shè)φ22 mm全螺紋砂漿錨桿，錨桿長3.0 m，間距120 cm×120 cm，拱墻設(shè)φ8 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚45 cm。K26+794～K26+810段，初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)，拱墻噴 C20混凝土，厚10 cm;拱部120°范圍內(nèi)設(shè)φ22 mm全螺紋鋼筋砂漿錨桿，長2.5 m，間距120 cm×150 cm。二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚35 cm。

(2)施工方法

建議采用臺階法施工。

(3)回填灌漿、固結(jié)灌漿、排水孔設(shè)計(jì)。

7 施工注意事項(xiàng)

(1)施工過程中應(yīng)設(shè)置專門的安全員，觀察洞內(nèi)，特別是掌子面的情況，如有異常應(yīng)立即將人員及機(jī)械設(shè)備撤離至安全地帶。

(2)施工中應(yīng)加強(qiáng)排水措施，做好排水準(zhǔn)備工作，以防止施工中大量涌水形成危害;準(zhǔn)備好搶險(xiǎn)材料，做好搶險(xiǎn)準(zhǔn)備工作。

(3)管棚需按設(shè)計(jì)位置施工，注意運(yùn)用測斜儀進(jìn)行鉆孔偏移度測量，嚴(yán)格控制管棚打設(shè)方向，并做好每個鉆孔地質(zhì)記錄。

(4)為保證長管棚及自進(jìn)式注漿錨桿的支護(hù)效果，盡量減小管棚及自進(jìn)式注漿錨桿的的外插角，可在型鋼鋼架腹板開孔以穿管棚及小導(dǎo)管，鋼管尾部應(yīng)與鋼架焊接。

(5)管棚施工時應(yīng)對鋼管主要材料進(jìn)行材質(zhì)檢驗(yàn)。

(6)管棚鉆孔選用鉆機(jī)首先應(yīng)適合鉆孔深度及孔徑的要求，鉆機(jī)要求平穩(wěn)靈活，能在水平360°范圍內(nèi)鉆孔，施鉆時應(yīng)有導(dǎo)向架。

(7)鉆孔時須在孔口管上安裝高壓防突球閥，在鉆孔過程中一旦發(fā)生突泥涌水事故時，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，關(guān)閉防突球閥，連接注漿管路進(jìn)行注漿。

(8)施工期間應(yīng)遵守隧道施工技術(shù)安全規(guī)則和鉆眼注漿作業(yè)操作規(guī)則。

(9)管棚施工地段，應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)定，加強(qiáng)監(jiān)控量測，確保施工安全。

(10)止?jié){墻拆除應(yīng)按先拱部后邊墻，并及時架設(shè)鋼架的除原則，盡可能采用人工拆除，當(dāng)人工拆除困難時，采用弱爆破進(jìn)行，嚴(yán)格控制裝藥量及進(jìn)尺，避免爆破引起較大的振動。開挖進(jìn)尺應(yīng)控制在1榀鋼架的距離。

(11)隧洞的開挖長度應(yīng)小于自進(jìn)式注漿錨桿的預(yù)支護(hù)長度，預(yù)留部分作為下一次循環(huán)的止?jié){墻;開挖掌子面根據(jù)地質(zhì)條件采用噴C20混凝土進(jìn)行封閉，厚10 cm。

(12)開挖過程中如掌子面突然出水量增大、巖屑異?；驀鷰r急劇變形，應(yīng)立即撤走施工人員及機(jī)械設(shè)備。

(13)K26+740～K26+758段二襯施工前應(yīng)進(jìn)行斷面凈空量測，若該段凈空不能滿足二次襯砌要求，應(yīng)將該段補(bǔ)強(qiáng)的初期支護(hù)拆除，以保證二次襯砌厚度。

8 結(jié)語

秦嶺隧洞在該段埋深大，圍巖為石英巖、片麻巖夾花崗巖不整合接觸帶，受構(gòu)造作用影響巖體破碎，遇水軟化、泥化，圍巖自穩(wěn)能力差，是造成該段圍巖突泥涌水的主要原因。在施工中先期安排超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，再實(shí)施超前水平鉆孔驗(yàn)證，然后采取超前大管棚配合水泥-水玻璃雙液注漿進(jìn)行止水加固，取得了加固圍巖和超前支護(hù)的雙重效果，整個施工過程安全、順利。實(shí)踐證明，洞身超前大管棚配合水泥-水玻璃雙液注漿是隧洞穿越地下水豐富的軟弱圍巖地段的有效方法。

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［3］ 鐵建設(shè)［2008］105號 鐵路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］.

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