張 浩, 崔永杰

(陜西省交通建設(shè)集團公司, 陜西 西安 710075)

隨著隧道設(shè)計水平、施工技術(shù)和機械設(shè)備的不斷提高和更新,越多的長大深埋越嶺隧道修建在重巒疊嶂、交通落后的西部地區(qū),涌水是隧道修建過程中的主要病害之一[1-2],嚴重影響隧道施工及運營安全.隧道涌水對軟弱結(jié)構(gòu)面和破碎層浸泡、軟化,使其強度降低,同時帶走軟弱面膠結(jié)物質(zhì),使巖體穩(wěn)定性迅速降低,導(dǎo)致隧道塌方和襯砌開裂可能性急劇增大[3-4].因此,結(jié)合隧道具體地層結(jié)構(gòu)條件,準確分析涌水原因和機制,從而制定適宜的防治措施是隧道施工過程中必須要面對和解決的問題[5-6].

1 工程地質(zhì)條件對隧道涌水的影響

1.1 工程概況

夜珠坪隧道進口位于乾佑河?xùn)|岸,出口位于磨溝峽裙嶺溝,為一分離式越嶺長隧道.隧道右線起訖樁號為(K0+656)～(K2+982),長度2 326 m.右線進口設(shè)計高程745 m,出口設(shè)計高程792 m,最大埋深526 m.截至2017年1月13日,剩余工程左洞833 m,右洞790 m,隧道縱坡坡率左洞為2.09%,右洞為2.05%.涌水段位于隧道出口段,為倒坡施工.

1.2 地形地貌

隧道穿越山體屬構(gòu)造侵蝕與流水切割中山地貌,為石質(zhì)中山,基巖出露,地形陡峻,隧道穿越段海拔高程1 292 m,地形起伏大,最大相對高差562 m.隧道進口位于乾佑河?xùn)|岸殘坡積物坡面上,洞口高出河床約30 m,洞口與坡面近于垂直,坡度42°,洞口左側(cè)為一短促沖溝,溝口為堆積殘坡積層.隧道出口位于東坪河北岸曬裙嶺溝谷西岸,地形較陡,基巖出露,洞口與坡面近于垂直,自然邊坡較穩(wěn)定,坡形呈階梯狀,洞口坡角35°,洞口高出河床10～15 m.出水點投影上部為山體斜坡地帶,坡度40°～50°,位于沖溝溝頭位置,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,沖溝內(nèi)及附近地表無水體分布,也沒有大面積的匯水區(qū),因此,出水與山體上部地表水無直接關(guān)系.

1.3 地質(zhì)構(gòu)造斷層帶

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合淺層地震剖線成果和現(xiàn)有地質(zhì)資料分析,夜珠坪隧道及其周鄰處于山陽-鳳鎮(zhèn)斷裂帶內(nèi),隧址區(qū)主要涉及F1、F2斷層帶及后期平移斷層T1,如圖1所示.F1斷層,斷層帶寬度大于50 m,帶內(nèi)由多個次級斷裂面和碎裂巖、角礫構(gòu)成,可見明顯的揉皺現(xiàn)象.F1斷層在夜珠坪遠離隧道數(shù)百米,對隧道無影響.F2斷層在線路(K0+596)～(K0+785)夜珠坪隧道段與左線距離小于114 m,右線距離87 m,后期小斷層T1破碎較明顯,且距線路很近,如圖2所示.斷層在此總體表現(xiàn)為逆沖推覆性質(zhì).F2斷裂西斷裂帶較寬,主要由3條北北西-北西向的次級斷裂組成,帶內(nèi)變形集中于幾個明顯的次級斷裂面附近,碎裂現(xiàn)象不發(fā)育.其東,F2呈明顯的舒緩波狀起伏狀向北西西向延伸,斷面也總體向北呈舒緩波狀北傾(NE40°,∠33°).F1斷層和F2斷層均為區(qū)域大斷裂,且距離較近,中間存在許多小的構(gòu)造、斷層.堅硬、半堅硬巖體在地質(zhì)構(gòu)造作用下產(chǎn)生大量構(gòu)造裂隙,為地下水的儲存和運移創(chuàng)造了良好的條件.斷裂發(fā)生時,巖層或巖體沿著破裂面產(chǎn)生錯動,同時產(chǎn)生斷裂破碎帶及其有關(guān)的裂隙發(fā)育帶,從而形成了蓄水空間.侵入體的侵入造成圍巖變形,產(chǎn)生裂隙或使原有裂隙空間加大.巖脈在侵入冷凝過程中受后期地質(zhì)構(gòu)造運動的影響,其本身及其兩側(cè)的圍巖產(chǎn)生了大量的原生和次生裂隙,為地下水的賦存、流通提供了有利條件,如圖3和圖4所示.

圖1 斷層位置圖Fig.1 Fault zone diagram

圖2 工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Plane map of engineering geology

圖3 斷層出露位置Fig.3 Fault exposure location

圖4 斷層破碎帶Fig.4 Fault fracture zone

2 隧道涌水情況

1月13日,夜珠坪隧道右線出口K2+287掌子面設(shè)計為Ⅲ級圍巖,根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報,巖體為中薄層灰?guī)r夾雜砂巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較易破碎,滲水較大,易坍塌、掉塊,整體穩(wěn)定性差.將(K2+305)～(K2+285)按Ⅳ級圍巖深埋襯砌支護施工.早4時掘進工班進行鉆眼掘進作業(yè)時,突然出現(xiàn)2個孔眼涌出水,水質(zhì)清澈,分布于右側(cè)拱腳及拱腰位置.7時爆破開挖后,右側(cè)拱腰及右拱頂,有大量水流出,早上8∶50出水量加大,并伴隨坍塌、掉塊,如圖5所示.2月18日至3月3日出水量增大約240 m3·h-1,3月3日至3月7日又明顯加大約320 m3·h-1,3月8日至今水量減小,約200 m3·h-1.日最大涌水量達到8 000 m3,經(jīng)長時間排放衰減不明顯,補給源充足.該處以裂隙水為主,排泄流速快,隧道埋深500 m,靜水水壓高.巖性以板巖為主,巖質(zhì)較軟,巖層較為破碎,地層整體性差,裂隙發(fā)育.巖層破碎的特點給注漿堵水施工帶來了很大的困難,同時也帶來較大的施工風險,如圖6所示.

圖5 掌子面涌水照片F(xiàn)ig.5 Picture of water gushing from the tunnel face

圖6 初支涌水段落積水照片

3 超前探孔和地質(zhì)預(yù)報

3.1 采取臨時措施

因臨近春節(jié),為保證隧道右洞施工安全,防止安全事故發(fā)生,對掌子面暫停施工,采取延長排水時間、分級抽水的措施加強排水.掌子面設(shè)3臺水泵,每臺抽水量60 m3·h-1;仰拱設(shè)1臺水泵,抽水量40 m3·h-1,將水集中抽至K2+460集水池中,集水池設(shè)2臺抽水量100 m3·h-1水泵,將水排出洞外河道內(nèi),經(jīng)計算涌水量為180 m3·h-1.同時,采取超前地質(zhì)預(yù)報,探明掌子面前方地質(zhì)狀況,同時采取超前探孔釋放地下水,并采取物探對掌子面前方進行綜合情況探測.施工應(yīng)對掌子面前方圍巖進行加固后再進行開挖,并加強結(jié)構(gòu)設(shè)計和防排水措施.

3.2 掌子面探孔

現(xiàn)場人員通過對鉆機自行記錄的鉆進速度、推進力、轉(zhuǎn)速、扭矩、送水量、送水壓力、打擊能等數(shù)據(jù),以及對全程監(jiān)控資料的綜合分析,根據(jù)圍巖傾角等情況對結(jié)果進行修正,得出該段鉆探結(jié)果,如圖7所示.

圖7 右洞1#、2#、3#鉆孔Fig.7 Drilling 1#, 2#, 3# in right hole

(1) 1#孔鉆進速度基本平穩(wěn), 約為0.2 m·min-1. 0～2.3 m巖石破碎不完整, 2.3～6.5 m巖石破碎, 7.8 m處出水, 7.8～10.8 m孔內(nèi)水量增大, 10.8～13.8 m巖石不完整、水量增大, 13.8～20.6 m巖石破碎, 水壓增大涌水將風槍推出鉆孔, 無法鉆進, 水壓力2.0 MPa, 如圖8所示.

圖8 右洞1#鉆孔水柱Fig.8 water column from drilling 1# in right hole

(2) 2#孔鉆進速度較慢, 為0.3 m·min-1.0～2.5 m巖石較破碎, 2.5～5 m孔內(nèi)無水, 7.4 m處出水, 7.4～8.9 m地層破碎, 8.9～14.3 m孔內(nèi)水量增大、鉆孔易進尺, 14.3～30.5 m巖石破碎不完整、水壓增大無法鉆進, 水壓力2.2 MPa.

(3) 3#孔開孔位置掌子面左側(cè),水平距離距中線60 cm,高于上半斷面底3.5 m.鉆進速度為0.25 m·min-1.鉆孔0～7.5 m巖體破碎,為爆破影響區(qū),鉆進速度穩(wěn)定,7.5 m孔內(nèi)出水,7.5～11.2 m巖石不完整,15.7 m孔內(nèi)水量增大,15.7～26.1 m巖石破碎、出水量逐漸加大,26.1～29.2 m巖石破碎不完整、出水量急劇加大,呈噴射狀涌出,29.2～31.3 m巖石破碎有掉塊,31.3～40 m巖石破碎、水量增大,40.3 m巖石不完整、水壓增大更換鉆桿后使鉆桿無法頂入鉆孔終止.鉆探結(jié)果表明該段圍巖完整性差,出水量隨鉆進深度逐步增大,瞬時水壓力最大達8.5 MPa,平均水壓力為2.0 MPa,建議該段做好施工排水,且增加圍巖支護參數(shù)再進行施工.

本次鉆探結(jié)束后,右洞地層巖性為閃長巖,風化程度低,巖芯呈碎塊狀,較為破碎,如圖9所示.鉆探孔內(nèi)流水呈噴涌狀,且鉆探過程中水流量呈增大趨勢,未見衰減,推斷前方補給水源充足,涌水無減小趨勢.根據(jù)鉆孔前后水流射程可以看出,其具有基巖裂隙水的特征.

圖9 右洞鉆孔芯樣Fig.9 Drilling core sample of right hole

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報

本次地質(zhì)預(yù)報的主要目的:①探測隧道前方圍巖的完整情況;②確定隧道前方是否存在斷層破碎帶、軟弱層、富水帶及洞穴等不良地質(zhì)體,且確定其不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模;③為隧道安全掘進提出建議.

掌子面里程樁號為K2+286,巖性為碳酸鹽化蝕變構(gòu)造巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,塊狀或碎塊狀構(gòu)造,淋水后易坍塌、掉塊,整體穩(wěn)定性差.本次雷達預(yù)報探測范圍(K2+286)～(K2+256),從圖10中可以看出,掌子面前方10～15 m區(qū)段內(nèi),電磁波的反射信號異常,衰減較快,頻率為不均勻中、低頻,同相軸連續(xù)性較差,幅值偏強,初步判斷該段圍巖與掌子面圍巖特征相比較差,巖體破碎,基巖裂隙水發(fā)育,有坍塌的可能性.

圖10 雷達線測剖面圖Fig.10 Radar line profile mapping

建議可采取加深炮孔的方法謹慎掘進,單循環(huán)進尺1.5 m,可在掌子面布2～3個4.5 m的加深炮孔,以保證施工人員的安全,加強監(jiān)控量測工作.(K2+286)～(K2+256)圍巖按照Ⅴ級圍巖支護參數(shù)進行施工,同時加強掌子面和下導(dǎo)的排水.

4 注漿堵水方案設(shè)計

4.1 總體設(shè)計方案

根據(jù)涌水段地質(zhì)地層、工程環(huán)境及出水狀況,采取“以堵為主、限量排放、堵排結(jié)合、排水降壓”的原則進行方案設(shè)計.通過超前斷面注漿,達到充填圍巖裂隙、封堵裂隙水,提高圍巖整體性,保證開挖施工安全.總體方案設(shè)計具體見圖11所示.

圖11 總體設(shè)計方案流程圖Fig.11 Overall design program flow chart

4.2 施工設(shè)計方案

(1) 在K2+278掌子面左側(cè)臨時布設(shè)防水板,將出水引排至左側(cè)拱腰以下,集中排放,采用30 m長φ108 mm×6 mm管棚施作周邊帷幕注漿.

(2) 將(K2+286)～(K2+276)段圍巖支護參數(shù)調(diào)整為雙層φ8 mm鋼筋網(wǎng)片,型鋼規(guī)格I22b,拱架間距60 cm;二襯厚度50 cm,主鋼筋φ25 mm.鎖腳采用長5 m、φ50 mm×4 mm注漿導(dǎo)管,系統(tǒng)錨桿調(diào)整為長5 m、φ50 mm×4 mm環(huán)向注漿小導(dǎo)管,如圖12.

(3)φ108 mm×6 mm管棚末端1 m范圍不留孔眼,φ50 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管末端0.5 m范圍不留孔眼,其余管身打設(shè)φ10 mm孔眼,15 cm×15 cm梅花形布設(shè).所有注漿管均須設(shè)置止?jié){閥,如圖13所示.

(4) 其中拱部120°范圍采用水泥水玻璃(水泥與水玻璃質(zhì)量比為1∶1)雙液漿,其他部位采用水泥漿(水泥與水的質(zhì)量為1∶1),注漿順序自上而下.所有環(huán)向注漿段落,注漿完成后必須在左右拱腰位置沿隧道縱向每5 m對稱打φ100 mm泄水孔,孔深不小于6 m,孔眼內(nèi)填塞麻絮.孔眼處布設(shè)半斷面φ300 mm HDPE管,緊貼噴射砼表面,將水引入縱向排水管.

圖12 右洞涌水段襯砌結(jié)構(gòu)(單位: cm)Fig.12 Lining structure of water gushing section of right hole(Unit: cm)

圖13 超前管棚和導(dǎo)管設(shè)計圖(單位: cm)Fig.13 Design drawings of advanced pipe shed and pipe(Unit: cm)

(5) 下半斷面開挖后,若仰拱下基巖飽和抗壓強度在25～30 MPa,則仰拱不加鋼筋;若暴露基巖飽和抗壓強度在40 MPa以上,則取消仰拱.

(6) 結(jié)合隧道出水量重新建立綜合排水系統(tǒng),對出水段落要加密排水半管,橫向排水管要采用雙管,并加大兩側(cè)縱向排水管直徑和中心排水溝結(jié)構(gòu)尺寸,如圖14所示,將兩側(cè)縱向排水管檢查井間距由原設(shè)計50 m調(diào)整為30 m,確保排水順暢.

圖14 涌水段防排水設(shè)計圖(單位: cm)Fig.14 Waterproof and drainage design drawing of water gushing section(Unit: cm)

5 帷幕注漿前后數(shù)值模擬對比

截取K2+278掌子面涌水最大的斷層破碎帶斷面作為研究對象,分析隧道在帷幕注漿前后巖體的滲流情況和受力情況.建模考慮隧道開挖和滲流場的影響范圍,數(shù)值模擬計算均采用摩爾-庫倫強度理論[7].各單元類型的參數(shù)根據(jù)工程勘察的物理參數(shù)給出.

圖15和圖16分別為開挖后和管棚注漿后隧道周邊圍巖滲水流速等值云圖,開挖后的最大流速為3.25 m·d-1,發(fā)生在隧道左邊墻至左拱角處,注漿后的最大流速降為0.006 2 m·d-1.隧道注漿后與注漿前相比滲流場影響范圍大大減小,注漿加固圈承擔了襯砌背后的水壓力,隧道在開挖后和注漿后的滲水流速減小了3個數(shù)量級,尤其隧道周邊圍巖的滲水流速發(fā)生了質(zhì)的改善,注漿效果明顯,隧道發(fā)生大范圍涌水的概率急劇減小,說明注漿對涌水的預(yù)防和治理起到極其重要的作用.

圖15 隧道開挖后的流速等值云圖

圖16 隧道注漿后的流速等值云圖Fig.16 Velocity contour map of tunnel grouting

圖17和圖18分別為隧道開挖后和注漿后豎直方向圍巖滲水流速等值云圖,開挖后Y方向的最大流速為2.7 m·d-1,注漿后Y方向上的最大流速降為0.005 4 m·d-1.

圖19和圖20分別是隧道開挖后和注漿支護后的應(yīng)力云圖,對于洞周表層圍巖而言,徑向的最小主應(yīng)力在隧道開挖時最小,注漿和初期支護后明顯增大.切向最大主應(yīng)力相反,毛洞開挖時最大,注漿后減小,支護后的應(yīng)力最小.

圖17 隧道開挖后Y向流速的等值云圖

圖18 隧道注漿后Y向流速的等值云圖

圖19 隧道開挖后主應(yīng)力等值云圖

圖20 隧道注漿后主應(yīng)力等值云圖

6 質(zhì)量安全保證措施

(1) 通過導(dǎo)管進行注漿對初支和圍巖之間的裂隙進行封閉,澆筑過程確保澆筑的密閉性及密實度[8].前進式分段注漿工藝,即鉆孔一段,注漿一段,再清孔鉆一段,交替方式逐段推進,直到設(shè)計深度.注漿鉆孔原則每次鉆深5～10 m后安設(shè)注漿堵頭進行注漿施工,注漿長度宜控制在0.7～2.5 m范圍內(nèi).施工中根據(jù)地質(zhì)情況及出水量適當調(diào)整鉆注分段長[9].

(2) 注漿之前,用0.75倍的設(shè)計注漿壓力進行壓水試驗,檢查管路系統(tǒng)有無滲漏水現(xiàn)象,同時可確定孔周圍巖的吸漿量、初始漿液濃度、膠凝時間,測定注漿壓力損失,將巖層裂隙內(nèi)的充填物擠壓至注漿范圍[10].

(3) 單孔注漿標準:單孔注漿量不大于1.5 m3·m-1,當注漿量大于設(shè)計量的1.25倍時,壓力未見提高,采取間歇注漿,或者通過在漿液內(nèi)加速凝劑等工藝,使注漿壓力達到設(shè)計終壓.注漿壓力達到設(shè)計壓力,并維持10 min以上,可結(jié)束注漿,終壓定為5.0～6.0 MPa.單孔涌水量<2 L·m-1·min-1.

(4) 施工過程中,當壓力急劇上升時,先暫停注漿,找出原因再進行處理.若是管路堵塞引起,故障清除后,繼續(xù)注漿,如管路未堵塞,注漿即可.

(5) 做好防排水準備和搶險準備工作,以防止施工中大量涌水形成危害.

(6) 施工作業(yè)人員在拆除管路和操作注漿泵過程中要佩戴防護眼鏡,防止?jié){液濺入眼睛.

(7) 在掃孔過程中,人員撤離到安全地帶,防止由孔口吹出土石塊傷人.

(8) 每一孔注漿完成后,先泄壓,再拆管,防止注漿管內(nèi)高壓傷人.

(9) 富水段潛在拱頂下沉、周邊收斂和仰拱隆起要比非涌水段大,因此,要加強掌子面至洞內(nèi)10 m范圍的內(nèi)的加固,注漿期間洞內(nèi)要加強監(jiān)測.

(10) 注意觀察初支噴射混凝土、注漿小導(dǎo)管、鋼拱架的狀態(tài).

7 結(jié) 論

(1) 夜珠坪隧道位于F1斷層和F2斷層之間,尤其K2+287涌水點位于F2斷層和T1斷層的交點位置,在斷層地質(zhì)構(gòu)造作用下產(chǎn)生大量構(gòu)造裂隙,為地下水的儲存和運移創(chuàng)造了良好的條件,從而形成了富水空間,這是隧道發(fā)生涌水的主要原因.

(2) 通過對掌子面進行深孔鉆探,探測掌子面前方是否存在水囊及水壓的大小.實施深部引流泄壓,緩解水壓對初支和淺部圍巖的影響,分析鉆探芯樣的巖性和完整性,結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報,為安全施工及涌水段圍巖支護參數(shù)和注漿參數(shù)的設(shè)計提供重要參考.

(3) 結(jié)合隧道出水量重新建立綜合排水系統(tǒng),對出水段落加密排水半管,橫向排水管采用雙管,并加大兩側(cè)縱向排水管直徑和中心排水溝結(jié)構(gòu)尺寸,保證隧道排水通暢.采取“以堵為主、限量排放、堵排結(jié)合、排水降壓”的原則進行方案設(shè)計.通過周邊帷幕注漿,達到充填圍巖裂隙、封堵裂隙水,提高圍巖整體性,保證開挖施工安全.給出了隧道涌水施工的質(zhì)量安全保證措施.

(4) 帷幕注漿前后數(shù)值分析表明:隧道在開挖后和注漿后的滲水流速差了3個數(shù)量級,尤其隧洞周邊圍巖的滲水流速有了質(zhì)的改善,同時改變了巖體的力學(xué)特性,提高了其抵抗變形的能力,降低了圍巖應(yīng)力釋放.注漿效果明顯,隧道發(fā)生大范圍涌水的概率大幅減小,說明注漿對涌水的預(yù)防和治理起到極其重要的作用.