0 引言

隧道修建過程中，往往會遇到地下水問題，豐富的地下水不僅嚴(yán)重影響隧道的正常施工，也給運營期間襯砌結(jié)構(gòu)安全帶來巨大不良影響。當(dāng)采取的隧道防排水技術(shù)措施不妥時，輕則造成襯砌破壞，滲漏水嚴(yán)重，運營環(huán)境惡劣，降低襯砌使用年限。重則導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，甚至出現(xiàn)隧道坍塌，危及行車安全，造成重大安全事故。在李洞隧道工程建設(shè)期間，對高壓富水區(qū)大斷面扁平隧道設(shè)計、施工的技術(shù)問題進行了系統(tǒng)研究，通過刻苦攻關(guān)，總結(jié)形成了高壓富水區(qū)大斷面扁平隧道施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 概述

武深高速公路李洞隧道為分離式隧道，左線隧道里程范圍為ZK341+956～ZK343+894，長1938m；右線為YK341+930～YK343+885，長1955m，隧洞凈空14.75×5.0m，為三車道大斷面扁平深埋隧道。

在李洞隧道左線進口工區(qū)掘進至ZK342+527時，于上臺階偏左幅部位出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象，大量的填充物（泥沙、塊碎石）伴著涌出，涌水量超390m3/h。該處涌水具有流量大，水壓高，持續(xù)久，起初混夾大量泥沙，后期逐漸變清等特征。

該段隧道埋深約為75m，地表水發(fā)育，圍巖為砂巖、泥巖及頁巖。為地質(zhì)破碎帶，圍巖節(jié)理裂縫發(fā)育，完整性差。隧址區(qū)地表水主要為大氣降水補給，由于隧址區(qū)圍巖較破碎，完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性較強，地表徑流水順各種類型的結(jié)構(gòu)面滲入地下，高壓豐富的地下水嚴(yán)重影響隧道的正常施工。

地下水的流動會軟化、侵蝕、分解周邊圍巖，將襯砌結(jié)構(gòu)背后掏空，地下水匯集到空隙處，導(dǎo)致襯砌背后出現(xiàn)更大水壓力的附加作用，長時間處于高壓水的作用下，隧道襯砌易產(chǎn)生裂縫，對襯砌結(jié)構(gòu)的安全、正常使用造成嚴(yán)重影響，關(guān)乎隧道工程施工及運營期間的安全性。對于矢跨比較小的三車道扁平隧道而言，襯砌結(jié)構(gòu)受力特征更為復(fù)雜，高水頭會在襯砌上產(chǎn)生較大附加作用力，使襯砌結(jié)構(gòu)處于長期承受高荷載的狀態(tài)，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的安全性降低[1]。本項目展開了大斷面扁平隧道在高壓富水區(qū)環(huán)境下的襯砌結(jié)構(gòu)受力特征的研究，并創(chuàng)新防排水技術(shù)，以確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)在運營期間的長期安全性。

2 富水區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征研究

本項目采用模型試驗的方式，建襯砌模型，利用非圓形斷面水壓加載裝置均勻加壓，測試該類型隧道斷面在類似水壓力、埋深下襯砌結(jié)構(gòu)的荷載分布情況及結(jié)構(gòu)破壞特點，為襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工提供依據(jù)，圖1為根據(jù)該段隧道埋深約為75m，襯砌外水壓力為240kPa情況下，測試所得的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖。

從圖1襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，分析了襯砌結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，得出高水壓大斷面扁平隧道裂縫均主要發(fā)生在襯砌結(jié)構(gòu)的仰拱及邊墻位置處，且主要為縱向貫穿裂縫，邊墻處出現(xiàn)壓剪型裂縫，仰拱出現(xiàn)彎張型裂縫，裂縫數(shù)量存在差異，邊墻處為多條交叉的裂縫，故建議在李洞隧道的設(shè)計與施工中提高二襯厚度及混凝土等級；還采用數(shù)值模擬的方法，計算分析了三車道襯砌結(jié)構(gòu)斷面在不同深埋條件下，變圍巖及變水頭對襯砌結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力分布特征的影響，得出圍巖等級與水頭高度均會對襯砌結(jié)構(gòu)受力造成較大的影響[2]，故建議加強超前地質(zhì)預(yù)報，對于軟弱圍巖必須采用一定的加固措施，并采用鉆孔進行排水減壓的方式提高隧道修建過程中的安全性。為增加李洞隧道排水效果，決定采用墻角排水與仰拱排水相結(jié)合的方式。

圖1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖

3 施工總體方案及技術(shù)措施

根據(jù)上述研究成果，結(jié)合李洞隧道開挖揭露的地質(zhì)條件及涌水量，確定涌水地段總體施工方案：

為保證隧道施工安全，在隧道ZK342+527處的上臺階掌子面鉆設(shè)超前水平鉆孔，以對前方圍巖進行排水減壓，并探明前方地下水情況及地質(zhì)特征。對YK342+527～YK342+587段襯砌類型進行調(diào)整，調(diào)整為S-Va；對形超前支護進行加強（采用雙層超前小導(dǎo)管），水泥-水玻璃雙液注漿；掘進工法改三臺階七步流水法為CRD法，增設(shè)臨時交叉中隔壁；系統(tǒng)錨桿（原為藥卷錨桿）調(diào)整成注漿小導(dǎo)管，水泥-水玻璃雙液注漿；加強襯砌后排水結(jié)構(gòu)，環(huán)向排水管加密至每1m設(shè)1道，橫向排水管加密至每2m設(shè)1道。在集中出水點初期支護內(nèi)預(yù)埋多排半邊打孔PE管作為集中排水通道，通過二襯背后順接至兩側(cè)邊溝；防排水采取全包斷面設(shè)置，即在原暗洞防排水的設(shè)計基礎(chǔ)上，于仰拱拱底增加由半打孔PE管、土工布、防水板及接縫止水帶組成隧底防排水系統(tǒng)[3]；使用鋼花管注水泥-水玻璃雙液注漿處冶隧道仰拱拱底冒水問題；兩側(cè)暗溝施做后，在暗溝底部鉆設(shè)豎向泄壓排水孔，為防止沉積物將泄壓排水孔堵塞，在孔內(nèi)套設(shè)PVC管，管口高于溝底10cm；于隧道底填充層頂部的施工縫處增設(shè)橫向盲溝，沿橫坡低處設(shè)縱向盲溝加強排水，橫向盲溝較低一側(cè)與水溝相連。

4 采取的具體技術(shù)措施及方法

4.1 超前探水及排水減壓措施

在隧道中、上臺階掌子面鉆設(shè)超前水平孔進行排水減壓。超前水平孔采用潛孔鉆進行?89mm孔徑的鉆孔，鉆設(shè)深度超40m，水平孔還作為掌子面前方40m深度圍巖構(gòu)造、地下水水量和水壓的超前預(yù)報。在其它超前地質(zhì)預(yù)報信息的基礎(chǔ)上，超前水平減壓孔還能夠得到前方高壓富水段的直觀可靠資料，探孔布置見圖2所示。根據(jù)鉆孔的快慢，孔內(nèi)出水帶出物質(zhì)及清濁情況，判斷前方圍巖含水構(gòu)造。如果揭示前方圍巖破碎，穩(wěn)定性差，則采取限量排放地下水降低水壓的措施，以防止突然揭挖后，高壓涌水沖出大量填充物，危及施工安全及造成隧道塌方。

圖2 超前探孔泄水壓探孔布置示意圖

4.2 初支、襯砌加強，堵水施工方法

①加強超前支護（長6m雙層小導(dǎo)管做超前支護）。壓注水泥-水玻璃雙液注漿，具體設(shè)計參數(shù)及施工方法如下：

1）注漿小導(dǎo)管采用熱扎無縫鋼管（壁厚5mm，?50）制作，長度為6.0m，除了長50cm的管口段外，其余部分管身鉆設(shè)注漿孔（孔徑?10mm，按間距15cm交錯布設(shè)）。小導(dǎo)管壓注水泥-水玻璃雙液漿。注漿壓力緩慢逐級提升，壓力控制在0.5～1MPa范圍內(nèi)。

2）雙層小導(dǎo)管布設(shè)方式：層間沿縱向錯開50cm（即為1榀鋼拱架的距離）。同層間小導(dǎo)管環(huán)向間距為40cm，層間小導(dǎo)管豎向交錯布設(shè)。第1層外插角按20°～25°，第2層按8°～12°小導(dǎo)管按3.5m的搭設(shè)長度設(shè)置，即縱向布設(shè)間距為2.5m。

3）為了確保小導(dǎo)管按設(shè)計方向打設(shè)，在鋼拱架的工字鋼腹板處鉆孔，作為小導(dǎo)管打設(shè)的導(dǎo)向架，完成打設(shè)后的小導(dǎo)管端部與鋼架焊接固定。

②采用注漿小導(dǎo)管（?42×4mm）取代原支護設(shè)計的系統(tǒng)錨桿（藥卷錨桿），小導(dǎo)管壓注水泥-水玻璃雙液注漿，并加強施工期間的隧道排水。

③圍巖等級調(diào)整為S-Va，S-Va襯砌結(jié)構(gòu)開挖預(yù)留變形量增至15cm，初支鋼拱架原為I18a工字鋼，加強為I22b工字鋼，布設(shè)間距按50cm，工字鋼間每1m設(shè)橫向Φ22鋼筋連接筋。噴砼設(shè)20×20cm的雙層?8鋼筋網(wǎng)，用C25早強28cm厚噴射混凝土噴錨。

④將仰拱、二襯厚度由原40cm加厚至60cm，二襯設(shè)雙層Φ25環(huán)向主筋，縱向分布采用Φ12鋼筋，并梅花布置?8聯(lián)系筋。

⑤施工工法調(diào)整為CRD法，增設(shè)臨時交叉中隔壁，采用C25早強噴射混凝土，鋼架采用I22b，縱距50cm；

⑥采用注漿小導(dǎo)管（?42×4mm）代替原支護設(shè)計的系統(tǒng)藥卷錨桿，壓注水泥-水玻璃雙液注漿，設(shè)計參數(shù)為如下：

1）注漿小導(dǎo)管采用熱扎無縫鋼管（壁厚5mm，?50）制作，長度為4.0m，除了長50cm的管口段，其余部分管身鉆設(shè)注漿孔（孔徑?10mm，按間距15cm交錯布設(shè)）。按1.0m×1.0m交錯布設(shè)，徑直打入圍巖。

2）注漿材料：壓注水泥-水玻璃雙液注漿，從邊墻開始向拱頂?shù)捻樞蜃{。

⑦隧道有較多冒水現(xiàn)象，采用壓注水泥-水玻璃雙液注漿堵水的措施。注漿管為長2.5m的鋼花管（管徑?50，壁厚5mm），布設(shè)間距按1.5×1.5m。

4.3 防排水施工方案

①加強隧道排水措施，按每1m設(shè)置1處環(huán)向排水管，按每2m設(shè)置1處橫向排水管，施做環(huán)向排水管時的注意事項如下：

1）確保環(huán)向排水管的半圓管跟初噴的砼面密貼，并固定良好。

2）噴砼時注意避免環(huán)向排管受到?jīng)_擊移位、破損或是沖走，并使其覆蓋良好。

3）環(huán)向排水管與縱向排水管間設(shè)置三通連通，并嚴(yán)格檢查接入質(zhì)量。

②對隧道全斷面設(shè)置連續(xù)的全包防排水系統(tǒng)（如圖3所示），即在原暗洞防排水的設(shè)計基礎(chǔ)上，于仰拱拱底增加由半打孔PE管、土工布、防水板及接縫止水帶組成的仰拱防排水系統(tǒng)；且將PE管接通側(cè)式暗溝。

圖3 隧道全斷面全包防排水圖

③設(shè)置橡膠止水進行環(huán)向施工縫止水，按12m設(shè)置1道。

④在路面基層砼層以下，填充層頂面的施工縫處設(shè)置盲溝，其尺寸為20×5cm，盲溝中部埋設(shè)6×5cm透水空心管，兩側(cè)填實級配碎石。盲溝有橫向、縱向2種類型，在路拱橫坡的低側(cè)布設(shè)縱向盲溝。在填充層每處施工縫處均設(shè)置橫向盲溝，如果填充層整體板塊的中間部位有滲漏時，增設(shè)盲溝將滲水引入附近已有盲溝。盲溝溝底標(biāo)高需較兩側(cè)暗溝溝壁設(shè)置的泄水孔底要高，以確保盲溝順利排水。為了避免砼灰漿下滲將盲溝堵塞，在盲溝頂部鋪設(shè)適當(dāng)寬度的土工布，并采取有效的土工布固定措施，以免跑位。盲溝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 隧道隧底排水盲溝圖

⑤完成隧道兩側(cè)暗溝施做后，在暗溝底部鉆設(shè)?16cm的豎向泄壓排水孔（深2m），為了防止暗溝沉積物將泄壓排水孔堵塞，在孔內(nèi)套設(shè)頂部高出溝底10cm的?11cmPVC管。

⑥本項目還發(fā)明了砼養(yǎng)護噴淋和噴霧臺車，以提高襯砌養(yǎng)護質(zhì)量，增強二襯砼自身防水抗壓能力。

⑦針對施工縫易滲漏水，還發(fā)明了止水帶定位夾具固定中埋式止水帶，確保防水有效。

5 結(jié)束語

通過在仁新高速公路李洞隧道工程施工過程中的試驗研究及技術(shù)創(chuàng)新，針對復(fù)雜地質(zhì)條件及施工中遇到的高壓富水難題，及時地轉(zhuǎn)換了施工工序，調(diào)整了施工方法，優(yōu)化了支護參數(shù)，降低了施工成本、加快了施工進度、維護了施工人員的生命安全及隧道運營的結(jié)構(gòu)安全，保證了施工質(zhì)量。有效處治了不良地質(zhì)條件下高壓富水等施工難題，降低了施工風(fēng)險，實現(xiàn)了節(jié)約工期1.5個月，節(jié)約成本約560萬元，獲得顯著的直接和間接的經(jīng)濟效益。

隧道防護排水施工時，雖對襯砌后排水系統(tǒng)的排水管采取了土工布包裹措施，但地下水中含有的大量鈣化物流入排水管，經(jīng)在排水管中長時間的沉淀及鈣化結(jié)晶后，出現(xiàn)排水管填塞等突出問題，對隧道后期的正常安全運營帶不良影響。因此，就富水區(qū)隧道襯砌后排水管道內(nèi)鈣化結(jié)晶清理、維護難題，今后需要進行進一步的研究。