何 橋

(1中國水電顧問集團貴陽勘測設(shè)計研究院巖土工程有限公司，貴州 貴陽 550081；2中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

涌水是巖溶地區(qū)隧道建設(shè)中常見的工程地質(zhì)問題。巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水，涌水射速高，對作業(yè)人員和機械設(shè)備的安全具有極大的威脅，同時大流量的涌水通常會造成部分洞段被地下水淹沒，破壞隧道襯砌結(jié)構(gòu)，造成隧道停工，其危害大，處理困難，是隧道建設(shè)中的一大難題[1-2]。

巖溶地區(qū)隧道涌水封堵處理方法按照處理方法與隧道的軸線方向之間的關(guān)系可分為軸向封堵和徑向封堵兩種。隧道在掘進過程中發(fā)生的涌水通常來自于掌子面前方，為確保隧道順利開挖掘進，沿洞軸線方向從掌子面向開挖掘進方向軸向堵水處理即為軸向封堵技術(shù)。徑向封堵技術(shù)通常用于隧道貫通以后的涌水處理，而隧道高壓大流量涌水常發(fā)生于開挖掘進過程中擊穿富水部位而導(dǎo)致，故對其的封堵處理最有效的方法是采用軸向封堵技術(shù)[3-4]。

1 處理思路

巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水軸向封堵處理技術(shù)主要采用高壓灌注速凝膏漿封堵涌水通道，處理總體思路是：綜合采取“查、堵、帷、搭”的處理措施，嚴(yán)格按照“先查明涌水特征，截斷主通道、封堵涌水，形成帷幕，循環(huán)搭接”的總原則進行處理[1]。

查：首先對集中涌水洞段進行鉆孔探測，查明前方富水巖體的基本特征，主要查明涌水通道的分布情況及規(guī)模，必要時采取物探手段探測前方巖體含水特性及隱伏巖溶發(fā)育情況，準(zhǔn)確查明涌水通道部位、深度，指導(dǎo)堵水施工。堵：首先，堵水鉆孔過程中若遇到較大的涌水時，采用速凝膏漿封堵主要涌水通道，目的是截斷主涌水通道，減小處理洞段的涌水量，即在隧道開挖結(jié)構(gòu)線附近截斷涌水主要通道，便于后續(xù)的堵水灌漿施工。然后，在堵截主要涌水通道后，立即進行沿掌子面向開挖軸線方向放射狀堵水帷幕灌漿施工，目的是沿隧道開挖前進方向一定洞段長度范圍內(nèi)通過堵水灌漿，在隧洞周邊形成一定厚度的防滲圈，避免后續(xù)開挖過程中地下水再次涌入隧洞，影響開挖及二襯工序的施工。?。憾滤┕ね瓿?，局部進行補強灌漿形成完整阻水帷幕。搭：處理洞段堵水施工結(jié)束后，通過探測鉆孔(檢查孔)進行探測檢查，探測孔鉆至處理深度無明顯涌水，堵水質(zhì)量合格。根據(jù)處理深度，預(yù)留一定厚度的止?jié){巖盤，進行隧洞開挖施工，開挖至預(yù)留樁號時停止開挖，進行下一循環(huán)堵水施工[1，6]。

2 施工工藝[1，5，7]

巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水軸向封堵技術(shù)施工工藝流程：查明涌水特征→澆筑止?jié){結(jié)構(gòu)→布置引排孔→深層堵水灌漿→灌后檢查→局部補強灌漿(若需要)→本循環(huán)涌水處理結(jié)束。

2.1 查明涌水特征

通過收集相關(guān)地質(zhì)資料、布置鉆孔并結(jié)合物探等多種手段，了解隧道區(qū)域水文地質(zhì)條件，查明涌水壓力、流量、流速、水流方向以及涌水通道類型和分布等特征，為后續(xù)布孔方案提供依據(jù)。

2.2 澆筑止?jié){結(jié)構(gòu)

當(dāng)掌子面距離富水部位距離較大且圍巖相對完整時，可以掌子面距離富水部位段的圍巖作為止?jié){巖盤；當(dāng)掌子面距離富水部位距離較大但部分圍巖較破碎時，可對掌子面后破碎圍巖進行表層灌漿處理后作為止?jié){巖盤；當(dāng)掌子面距離富水部位距離較小或該部位圍巖破碎時，應(yīng)在掌子面前方澆筑混凝土墻(厚度不宜小于2 m)作為止?jié){結(jié)構(gòu)，并根據(jù)墻后涌水情況和排水能力采用墻內(nèi)預(yù)留排水管方式引排大流量涌水。

2.3 引排孔布置

引排孔應(yīng)布置在水流方向上堵水灌漿孔的前方，孔深控制應(yīng)以揭露涌水通道為原則，對地下水進行深層引排。引排孔的作用是在深處截斷與隧洞型涌水點相聯(lián)通的涌水通道，使涌水在深部通過引排孔向隧道內(nèi)集中排泄，以達到減少堵水灌漿孔涌水量和涌水壓力的效果。引排孔另外一個重要作用是監(jiān)測堵水灌漿過程中，涌水壓力、流量及串漿情況，為堵水施工節(jié)點控制及方案調(diào)整提供重要依據(jù)。

2.4 深層堵水灌漿

深層堵水灌漿是隧道高壓大流量軸向封堵的主要工序，單孔深層堵水灌漿施工工藝見圖1。

圖1 單孔深層堵水灌漿施工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of construction process of single holedeep water grouting

(1)施工準(zhǔn)備階段應(yīng)重點做好制漿、送漿、儲漿及灌漿系統(tǒng)的規(guī)劃與實施工作。

(2)巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水軸向封堵開孔布置在掌子面上或混凝土止?jié){墻上，通常根據(jù)處理段長布置2～3環(huán)鉆孔。鉆孔由掌子面向開挖方向呈傘狀發(fā)散出去，涵蓋隧道開挖輪廓線外一定的范圍，后期通過堵水灌漿形成滿足要求的防滲厚度。首段鉆孔一般要求入巖3～4 m，并鑲嵌帶閘閥或球閥的孔口管，孔口管外部纏麻或者模袋以填塞管壁與鉆孔壁之間的空隙，灌漿待凝24h后進行下段鉆進。鉆孔段長宜控制在7 m以內(nèi)，當(dāng)遇涌水部位時，可適當(dāng)增加或減小鉆孔段長。

圖2 軸向封堵掌子面布孔示意圖Fig.2 Diagram of axial plugging hole arrangement

圖3 軸向封堵布孔縱剖面示意圖Fig.3 Longitudinal profile of axial plugging hole arrangement

(3)當(dāng)隧道為倒向坡時，施工過程中不宜同時多孔施工，防止出現(xiàn)群孔涌水造成水淹掌子面的事故發(fā)生。鉆孔出現(xiàn)較大涌水時立即部分或完全關(guān)閉孔口管上閥門，減小或關(guān)閉孔口涌水；鉆孔內(nèi)涌水壓力大射速高時，可在孔口管閥門外伸端接高壓膠管，將高壓涌水引離工作面，保證作業(yè)人員及設(shè)備安全。

(4)采用噴距法或儀器儀表法測定涌水壓力，采用目測方、桶量法或堰測法測量涌水流量，根據(jù)測得的涌水壓力和流量確定灌漿壓力、漿液配比等灌漿參數(shù)。

(5)灌漿主材采用0.5∶1的水泥基漿，摻加速凝劑、增粘劑等外加劑，配置成速凝膏漿用于封堵涌水通道。外加劑參量應(yīng)根據(jù)室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試灌確定，一般要求所配置的速凝膏狀漿液初凝時間不大于3 min，且終凝時間不超過5 min。

(6)速凝膏漿灌注工藝采用“全孔段一次純壓式單液灌漿”工藝，在純水泥漿消耗量大于5 t時開始使用速凝膏漿灌注。

(7)灌漿壓力為涌水壓力與設(shè)計壓力之和(設(shè)計壓力指在無涌水情況下灌注速凝膏狀漿液時的壓力)，通常設(shè)計壓力取1.5～2.5 MPa。對于涌水壓力1.0～2.0 m范圍內(nèi)的隧道涌水處理，灌漿壓力取4.0～5.0 MPa時封堵效果較好。

(8)灌漿順序應(yīng)為先底板孔再兩邊墻孔最后頂拱孔，先內(nèi)環(huán)孔后外環(huán)孔，先淺孔后深孔，將地下水逐漸推移至隧道建筑輪廓外一定范圍。

(9)堵水孔灌漿時應(yīng)打開引排孔閥門，并隨時觀察引排孔串漿情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)引排孔開始串漿時應(yīng)立即暫停堵水孔灌漿并關(guān)閉引排孔閥門，之后再進行堵水孔灌漿。

(10)灌注速凝膏漿注入率不變而壓力持續(xù)上升或壓力不變注入率持續(xù)下降時，停止加入外加劑，換用純水泥漿灌注直至達到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)閉孔口管閥門屏漿待凝24 h后掃孔觀察，若無涌水則進行下一孔段鉆進，若仍有涌水則進行復(fù)灌。

(11)高壓堵水灌漿封堵過程中因隨時觀察掌子面圍巖、止?jié){結(jié)構(gòu)以及附近洞段襯砌結(jié)構(gòu)的變形情況，若發(fā)現(xiàn)上訴部位或結(jié)構(gòu)發(fā)生漏漿漏水現(xiàn)象或變形過大時應(yīng)及時暫停高壓堵水灌漿，并對滲漏或變形部位采取回填灌漿、固結(jié)灌漿或鎖腳錨桿等方式進行加固處理。加固處理合格后方可恢復(fù)堵水灌漿施工。

2.5 灌后檢查及補強灌漿

灌后檢查包括引排孔檢查和檢查孔檢查兩個方面。堵水孔灌漿全部結(jié)束后打開引排孔閥門觀察孔內(nèi)是否有涌水，若引排孔內(nèi)仍有涌水則在涌水集中部位及引排孔進行補強灌漿，若引排孔閘閥打開后無涌水則直接對引排孔進行封孔處理。在掌子面上布置3～5個檢查孔，重點檢查涌水集中部位，通過檢查孔鉆孔取芯觀察孔內(nèi)涌水情況、巖芯變化及水泥結(jié)石等情況，若孔內(nèi)有較大涌水則對涌水檢查孔及涌水集中部位進行補強灌漿處理。

3 工程實例

3.1 工程概況[8]

貴州德江至務(wù)川高速公路德江隧道為分離式特長隧道，隧道進口端測設(shè)線間距約20 m，出口端測設(shè)線間距約33 m。左幅隧道最大埋深約534 m，右幅隧道最大埋深約537 m。ZK9+600.00～ZK10+650.00以及YK9+600.00～YK10+650.00段位于石朝向斜核部向兩翼過渡地段，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

出口端掌子面開挖至ZK10+428，在掌子面進行超前鉆探，鉆孔發(fā)生涌水，涌水壓力約為1.8 MPa，涌水流量約為300 m3/h。根據(jù)出口端右洞YK10+401掌子面探孔揭露情況，鉆孔至9.8 m出現(xiàn)涌水，突水約350 m3/h，水壓較大，約為2.0 MPa。左、右洞高壓大流量涌水導(dǎo)致隧道掌子面后方(大樁號方向)近300 m范圍被地下水淹沒長達數(shù)月，反坡抽排水消耗了大量物資設(shè)備，嚴(yán)重影響了隧道正常開挖施工。

3.2 處理過程及效果

對德江隧道出口端掌子面左、右洞超前探孔高壓大流量涌水主要采取了軸向封堵方法進行處理。左洞掌子面圍巖較破碎且阻水巖盤厚度較小，故在左洞澆筑了2 m厚混凝土墻作為止?jié){結(jié)構(gòu)，并預(yù)留排水管作為墻后涌水排水通道；右洞掌子面圍巖完整且阻水巖盤較厚，所以右洞高壓堵水灌漿直接以天然巖盤作為止?jié){結(jié)構(gòu)。根據(jù)左洞掌子面上布置的3個輔助探孔(同時作為堵水灌漿孔)及右、左洞前期涌水孔的涌水壓力、流量變化等情況判斷出左、右洞涌水系同一富水通道來水，且水流方向為自右洞流向左洞。根據(jù)判斷出的水流方向，以右洞涌水孔作為引排孔，在該孔安裝了分流控水裝置，然后進行左洞堵水灌漿施工，一直持續(xù)到右洞引排孔中涌水流出漿液方暫停左洞灌漿，待關(guān)閉分流控水裝置上閥門后繼續(xù)左洞灌漿施工，直至左洞涌水處理完成，最后進行右洞涌水封堵處理。

圖4 ZK10+428與YK10+401涌水通道及封堵示意圖Fig.4 Diagram of ZK10+428 and YK10+401 inrushchannels and blockage

通過軸向封堵法施工，成功處理了德江隧道ZK10+428～ZK10+404及YK10+401～YK10+377的高壓大流量涌水。檢查孔及后續(xù)開挖并未遇明顯涌水，且開挖揭露出的涌水通道被大量水泥結(jié)石填充，德江隧道ZK10+428～ZK10+404及YK10+401～YK10+377高壓大流量涌水軸向封堵取得了良好效果，節(jié)約了工程成本，減少了隧道安全隱患。

4 結(jié)語

(1)巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水軸向封堵處理技術(shù)以高壓堵水灌漿工藝為基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于速凝膏狀漿液性能和灌漿壓力的控制，封堵效果良好，封堵施工速度較快。

(2)巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水軸向封堵處理技術(shù)“以堵為主”，通過高壓堵水灌漿迫使地下水從隧道周邊繞流而并未截斷地下水滲流通道，避免了“以疏為主”方式造成的地下水資源流失和對地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的破壞，具有良好的環(huán)保效益。

(3)采取軸向封堵處理技術(shù)處理巖溶地區(qū)隧道高壓大流量涌水可節(jié)省巨大的抽排水費用，節(jié)省了工程成本，具有良好的經(jīng)濟效益，同時可減少安全隱患，消除隧道涌水造成的不良社會影響。