趙健

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

玉蒙鐵路秀山隧道構(gòu)造擠壓破碎富水帶處理措施研究

趙健

(中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京100844)

玉蒙鐵路秀山隧道穿越構(gòu)造擠壓破碎富水帶，施工時(shí)出現(xiàn)突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，是隧道建設(shè)過程中遇到的難題。對(duì)此，以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為依據(jù)，建立防涌突預(yù)案，綜合采取了超前帷幕注漿、超前局部注漿、超長(zhǎng)鉆孔排水降壓、迂回導(dǎo)坑等措施，保證了隧道施工安全。

隧道斷層 富水帶 突水突泥 注漿 地質(zhì)預(yù)報(bào)

山區(qū)隧道在修建過程中不可避免地會(huì)遇到擠壓破碎富水帶、高壓富水極破碎白云巖等地質(zhì)條件復(fù)雜地段。如深圳地鐵4號(hào)線穿越大腦殼山富水流砂地層、大柱山隧道橫穿街子坡復(fù)式向斜富水構(gòu)造等。隧道施工過程中突水突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生，如云霧山隧道。由于災(zāi)害發(fā)生過程突然、發(fā)生部位不宜確定，以致突水突泥成為山嶺隧道最為常見和危害性最大的地質(zhì)災(zāi)害之一，且往往造成嚴(yán)重?fù)p失。因此隧道施工中，應(yīng)該采用措施對(duì)該類地段進(jìn)行處理。

目前采取的工程處理措施主要有超前大管棚注漿、超前帷幕注漿、超前降壓排水等。不同工程應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)，選擇合適的處理措施。

本文以玉蒙鐵路秀山隧道工程為背景，針對(duì)其復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工中遇到的主要災(zāi)害，探討了隧道穿越構(gòu)造擠壓破碎富水帶的施工技術(shù)。

1 工程概況

秀山隧道位于云南省通?？h境內(nèi)，進(jìn)口里程為DK27+600，出口里程為DK37+362，全長(zhǎng)10 302 m，為新建鐵路昆河線玉蒙段的第一長(zhǎng)隧，控制和影響著全線的施工總工期。

圖1 秀山隧道工程地質(zhì)示意

隧道工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，如圖1所示。隧道穿越地段是一個(gè)褶皺與斷裂均發(fā)育的區(qū)域，該區(qū)域強(qiáng)震活動(dòng)頻繁，巖體受多期構(gòu)造影響，極為破碎、完整性極差，尤其以高壓富水破碎白云巖為甚。隧址區(qū)屬南盤江(珠江)水系的曲江支流區(qū)。巖溶水補(bǔ)給豐富、水量較大，巖溶水、巖石構(gòu)造水相互混雜，徑流條件復(fù)雜。與地貌相對(duì)應(yīng)，地下水呈現(xiàn)出山地補(bǔ)給，盆、谷排泄的總體格局，形成了曲江、杞麓湖兩個(gè)獨(dú)立的地下水補(bǔ)排單元。

秀山隧道由于受斷層的影響，隧道巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖開挖后無自穩(wěn)能力，在重力和地質(zhì)應(yīng)力的作用下容易形成塌方。此外，隧道穿越五里箐向斜和里山背斜等風(fēng)險(xiǎn)極高的地質(zhì)構(gòu)造單元，并下穿庫(kù)南河，預(yù)測(cè)全隧正常涌水量為15.7萬m3/d，雨季施工時(shí)最大涌水量為23.5萬m3/d，隧道所處地段水量較豐富。大斷裂和裂隙大面積發(fā)育，多條剪張裂縫造成段內(nèi)裂隙水連通性好，加之隧道埋深較大，不排除發(fā)生大規(guī)模突水突泥的可能。

2 施工中遇到的主要地質(zhì)災(zāi)害

秀山隧道工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，在修建過程中發(fā)生了多次規(guī)模大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、破壞性大的突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響了工程的質(zhì)量和進(jìn)度，給工程建設(shè)帶來了巨大影響。

1)進(jìn)口工區(qū)突水突泥

隧道進(jìn)口工區(qū)有兩處發(fā)生了突水突泥災(zāi)害，如表1所示。

表1 進(jìn)口工區(qū)突水突泥情況

2)出口工區(qū)突水突泥

隧道出口工區(qū)有3處發(fā)生了突水突泥災(zāi)害，如表2和圖2所示。黃泥漿水伴隨大量角礫狀白云巖與泥砂突涌而出，流砂填滿整個(gè)掌子面，立爪裝渣機(jī)被沖出掌子面，還有其他大量的施工物資及機(jī)械設(shè)備被掩埋，情況十分嚴(yán)重。

表2 出口工區(qū)突水突泥情況

圖2 出口工區(qū)突水突泥

3 地質(zhì)災(zāi)害主要處理措施

3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

全隧(含平導(dǎo))均開展綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，適時(shí)調(diào)整施工方案，確保施工安全。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)包括以下3個(gè)方面的工作:

1)利用地震波地質(zhì)探測(cè)儀、聲波反射法等綜合物探手段和超前水平鉆孔，結(jié)合常規(guī)地質(zhì)素描等方法，預(yù)測(cè)巖層的變化點(diǎn)、巖體的完整性、巖溶發(fā)育情況、涌水突水的位置及水量等，并進(jìn)行必要的巖體物理等指標(biāo)測(cè)試。

2)開展地表巖溶水排泄點(diǎn)(井泉、暗河)和洞內(nèi)涌突水的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3)通過水化學(xué)與同位素化學(xué)特征分析，綜合分析了斷層破碎帶及向斜、背斜區(qū)地下水的補(bǔ)、排特點(diǎn)，以預(yù)測(cè)隧道修建對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響程度。

3.2 建立防涌突預(yù)案

考慮該隧道所在地層的特點(diǎn)，若發(fā)生涌突后再研究處理措施，會(huì)極大地增加處理難度及處理時(shí)間，并存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果及預(yù)案啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，適時(shí)啟動(dòng)防涌突預(yù)案。主要預(yù)案有2個(gè)。

預(yù)案1:注漿堵水預(yù)案。主要包括超前帷幕注漿(正洞加固范圍為開挖輪廓線外5 m，平導(dǎo)加固范圍為開挖輪廓線外3 m)、超前局部注漿、開挖后徑向注漿、補(bǔ)充注漿等。

預(yù)案2:加強(qiáng)超前支護(hù)。采用6 m長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管(必要時(shí)用大管棚)注漿加固拱部，環(huán)向間距20 cm，縱向間距1 m。縮小鋼架間距及每循環(huán)開挖進(jìn)尺(鋼架縱向間距50 cm，每循環(huán)進(jìn)尺不大于60 cm)。

3.3 超前排水降壓

既有工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)叵滤畠?chǔ)存量較少且水壓較小時(shí)，地層在未擾動(dòng)的情況下具有一定的自穩(wěn)性，故在不影響地表環(huán)境及不危及施工安全的前提下，應(yīng)實(shí)施超前排水降壓。即正洞通過平導(dǎo)超前排水降壓，平導(dǎo)通過超長(zhǎng)水平鉆孔(60～100 m)結(jié)合超前地質(zhì)探孔排水降壓。

實(shí)際施作中，若超前地質(zhì)預(yù)報(bào)揭示掌子面前方儲(chǔ)水過多、壓力過大時(shí)，可在掌子面補(bǔ)鉆3～5個(gè)全長(zhǎng)貫通的排水泄壓孔，以排泄水流釋能減壓。

3.4 組合式超前支護(hù)

隧道穿越地段為高壓富水極破碎白云巖地層，該套地層具有風(fēng)化差異嚴(yán)重，巖體擾動(dòng)前較為致密、在水的沖刷淘蝕作用下自穩(wěn)性極差等特點(diǎn)。根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探明的富水破碎白云巖長(zhǎng)度，分別采用小導(dǎo)管或大管棚注漿加固措施。當(dāng)破碎白云巖長(zhǎng)度＜4 m時(shí)，采用6 m長(zhǎng)φ42小導(dǎo)管注漿加固拱部巖體，環(huán)向間距20 cm，縱向間距1 m;當(dāng)4 m＜破碎白云巖長(zhǎng)度＜20 m時(shí)，采用30 m長(zhǎng)φ108大管棚注漿加固拱部巖體，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接10 m。

3.5 超前注漿堵水

目前常用的注漿堵水方式主要有超前帷幕注漿、超前局部注漿、超前小導(dǎo)管注漿、超前大管棚注漿等。其中，超前帷幕注漿和超前局部注漿對(duì)注漿工藝要求嚴(yán)格，操作難度大，處理周期長(zhǎng)，且效果難以保障，所以較少使用。超前大管棚注漿對(duì)施工工藝要求較低，實(shí)施效果較好，尤其適于秀山隧道這種富水極破碎白云巖地段。

不同注漿方式對(duì)比如表3所示。

表3 不同注漿方式對(duì)比

3.6 反坡排水

秀山隧道進(jìn)口工區(qū)為反坡施工工區(qū)。施工期間，涌水量較大，常規(guī)抽水技術(shù)無法滿足要求。進(jìn)口工區(qū)也曾由于抽排水能力不足，被淹洞500 m，嚴(yán)重影響了工程的質(zhì)量和進(jìn)展，故需要研究反坡排水技術(shù)。

所謂反坡排水技術(shù)，是指利用平導(dǎo)作為排水通道，將固定排水設(shè)備、集水坑設(shè)于平導(dǎo)內(nèi)，正洞掌子面出水采用移動(dòng)抽排設(shè)備通過橫通道引入平導(dǎo)中，平導(dǎo)內(nèi)的積水采用梯級(jí)抽排方式排出。積水排出后，采用C15混凝土將各集水坑回填密實(shí)。

3.7 剪張裂縫處理

對(duì)于無水的剪張裂縫，若位于開挖輪廓線內(nèi)，則根據(jù)實(shí)際情況可不予處理，或僅噴射混凝土封閉穩(wěn)定巖壁，保證開挖時(shí)不坍塌即可;若位于輪廓線以外，邊墻初期支護(hù)外側(cè)采用M10漿砌片石回填密實(shí)，拱部裂縫空腔采用噴C20混凝土回填密實(shí)。

對(duì)于富水的剪張裂縫，若裂縫寬度≤4 m，則采用掛設(shè)加密鋼筋網(wǎng)片、砂袋封堵、噴混凝土封閉、φ42小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固等措施;若裂縫寬度＞4 m，則采用φ108超前大管棚注漿支護(hù)。當(dāng)裂縫較多、破碎帶較長(zhǎng)、滲水量較大時(shí)，采用超前帷幕注漿進(jìn)行固砂止水。對(duì)洞身輪廓線以外的裂縫或空腔，當(dāng)空腔頂距開挖輪廓線＞3 m時(shí)噴C20混凝土回填，厚度2 m。對(duì)地下水沖刷、掏蝕形成的拱墻頂部空腔，需采用扇形支撐加固后泵送混凝土回填處理。

3.8 突水突泥處理

現(xiàn)場(chǎng)施工根據(jù)突水突泥地段工程地質(zhì)情況，從施工可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、質(zhì)量易控性等各方面綜合考慮，在不同災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)，針對(duì)不同的突水突泥災(zāi)害情況，采取合適的處理措施。

秀山隧道部分突水突泥處的處理情況如表4所示。

表4 秀山隧道部分突水突泥處的處理情況

PDK34+570突水突泥處理現(xiàn)場(chǎng)如圖3。采用拱頂大管棚注漿輔以掌子面局部注漿加固，加固施工期間發(fā)生局部管涌、掌子面突出2次后，采用“長(zhǎng)、短管棚局部補(bǔ)注漿+加密鋼筋網(wǎng)片+噴混凝土封堵掌子面+超前排水降壓”等措施逐步推進(jìn)，保證了工程的順利進(jìn)行。

圖3 突水突泥處理現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

高壓富水極破碎可溶巖是秀山隧道建設(shè)過程中遇到的最大工程難題，其風(fēng)化差異嚴(yán)重、巖體在水的沖刷作用下自穩(wěn)性極差，極易突發(fā)涌水突砂。通過詳細(xì)分析隧道所經(jīng)地段的地質(zhì)條件，并采取綜合措施進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，判識(shí)發(fā)生事故的可能性。施工中根據(jù)不同工程特性和地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，分別采取了帷幕注漿、局部注漿、大管棚注漿、小導(dǎo)管注漿、排水降壓等多種措施，成功處理了各種地質(zhì)災(zāi)害，保障了工程質(zhì)量安全，也為今后同類工程提供了很好的借鑒。

［1］鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè):隧道［M］.2版.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［2］張德峰.富水流沙地層隧道圍巖止水加固方案及變形分析［J］.城市軌道交通研究，2001(6):14-19.

［3］王盡忠，王玉鎖，曾宏飛，等.中天山隧道TBM施工破碎圍巖段新型注漿加固技術(shù)［J］.鐵道建筑，2014(3):41-43.

［4］王國(guó)際.注漿技術(shù)理論與實(shí)踐［M］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［5］代峪.云霧山隧道突泥災(zāi)害工程地質(zhì)特征與防治［J］.鐵道建筑，2009(10):33-35.

［6］杜宇本，張強(qiáng)，蔣良文，等.街子坡向斜巖溶水系統(tǒng)及隧道涌突水危險(xiǎn)性研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(12):60-64.

［7］趙健.隧道巖溶水地質(zhì)災(zāi)害治理［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003(3):112-115.

［8］劉萬生.高原隧道穿越斷層破碎帶施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2013(4):74-76.

(責(zé)任審編葛全紅)

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.15

1003-1995(2015)06-0054-04

2014-12-10;

2015-04-20

趙健(1976—)，男，安徽安慶人，高級(jí)工程師，博士。