大涌水、大變形的極軟巖隧洞施工技術

謝天智

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆伊寧835000）

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大涌水、大變形的極軟巖隧洞施工技術

謝天智

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆伊寧835000）

摘要：常規鉆爆施工是隧洞工程施工較為成熟的施工方法，但在施工過程中針對大變形、大涌水等地質問題所采用的處理措施不盡相同，取決于邊界條件、施工經驗及經濟成本等因素。本文就隧洞施工所面臨的問題，開展了有針對性的研究，應用于施工實踐，特別是圍巖大變形的支護措施和排、堵水措施取得明顯效果，科學可靠的施工技術使施工安全、施工質量和工程進度得到了保障。

關鍵詞：軟巖隧洞；大涌水、大變形；鉆爆施工；分析

1　工程地質條件

某隧洞工程穿越的地層為上第三系泥巖、砂質泥巖、砂巖及砂礫巖，其中泥巖、砂質泥巖具有弱膨脹性，部分砂巖具有弱膨脹性。砂礫巖、含礫砂巖屬非崩解性；泥巖的耐崩解性指數的差異性較大，大部分泥巖、砂巖屬中等的耐久性，少部分件屬極低的耐久性。洞段地應力值為4.5～9.3MPa，圍巖強度與應力的比值為0.04～0.11。鉆孔揭露到部分泥巖呈可塑狀，砂巖和砂礫巖呈松散狀，鉆探過程中在孔深140m以下多次出現縮孔現象。泥巖、砂質泥巖透水性較弱，透水率多小于0.5Lu，砂巖、砂礫巖的透水性較強，透水率多大于1Lu，兩種透水性具有差異性的巖層相間分布。有多個鉆孔揭露，相對富水的砂巖、砂礫巖段存在承壓水，其中JDZK28鉆孔揭露的承壓水水位達1532.9m，高出地面110m，高出隧洞270m。

2　軟巖隧洞大變形、大涌水特點與施工難點

2.1 隧洞大變形特點與施工難點

2.1.1 軟巖大變形的特點和形成機理

軟巖大變形問題常見于低強度圍巖中，如變質巖、煤系地層等。大變形的發生形勢較為迅速，且較難抑制，危害較大，嚴重影響了鉆爆法的施工。如果施工技術人員不能對施工環境變化做出正確的判斷，可能引發嚴重的安全事故［1］。大變形的形成機理主要分為下列三種。

（1）擠壓變形，隧洞開挖后形成的圍巖應力重新分布，使得軟巖自身強度降低。

（2）地下水會對隧洞造成影響，地下水在運動過程中將對巖體顆粒形成動力作用，對巖體造成一定程度的損壞，降低了巖體強度，提高了巖體孔隙率，利用鉆爆法開挖施工時，圍巖的自穩能力將變差，同時頁巖和泥巖在水的作用下發生軟化，圍巖工程力學強度降低［2］。

（3）膨脹變形，巖石中的粘土礦物與水發生反應，體積逐漸膨脹，產生軟巖變形，在鹽類礦物中較為常見。

2.1.2 軟巖大變形施工難點

根據大變形洞段巖石力學特征，設計提出變形量，最大變形沉降值為30cm，而且不同洞段變形值不同，同時受地下水影響，所揭露出的地質條件與勘測階段所提供的地質資料差異性比較大，這給工程施工過程造成了十分巨大的困難。主要表現在：預留變形值的設置、采用臺階的長度和核心土挖除時間控制、鋼支撐尺寸選擇和輔助超前支護系統的配合及施作位置等，同時施工人員經驗和對施工措施的掌握和領悟也是主要控制對象。

2.2 隧洞大突涌水特點與施工難點

2.2.1 大涌水的特點

隧洞洞軸線處在地下水位線以下，主要為承壓水、斷層裂隙水、不整合面承壓水和水囊，由于受地層的成因的影響，富水位置難以準確判斷，施工過程中突涌水最大值達到了7500m3/d。隨著施工的進行，地下水對圍巖強度和穩定性造成影響，圍巖的地質條件惡化，對工程施工帶來了極大的影響，延長了施工周期［3］。鉆爆法施工過程中，機械擾動會給圍巖結構造成一定的影響，必然會不同程度地破壞含水圍巖的力學性質，暴露出部分導水通道，最終形成涌水、突水災害。

2.2.2 大涌水施工難點

（1）隧洞工程施工中，涌水現象難以避免，不同的隧洞工程，涌水程度的大小也不同，軟巖洞段涌水現象一旦發生，將以較高的壓力噴出，嚴重破壞了圍巖的穩定性，甚至淹沒隧洞，造成塌方，威脅著施工人員和施工設備的安全［4］。

（2）受到水壓的影響，隧洞的內部結構受到破壞，隧洞工作面可能發生變形甚至塌方，威脅施工人員和施工設備的安全。

（3）大涌水導致施工強度降低，延長了施工周期。涌水現象一旦發生，可能在較長一段時間內無法繼續進行爆破施工，必須先針對涌水災害進行分析，制定合理的解決方案，采取合理的手段堵水防水［5］。

3　軟巖隧洞大變形、大涌水的主要施工技術

3.1 大變形洞段施工技術

施工過程中，大變形與突涌水常常相伴出現。針對軟巖洞段的地質結構特點和施工難點，采取了一系列有針對性的措施。每一具體開挖及支護措施依照設計圖紙和超前地質預報資料進行。施工過程中采用TRT6000地質雷達預報系統，根據預報顯示出的前方地質數據采取相應的施工措施。

3.1.1 預留變形量

對軟巖洞段周邊進行位移監測，在隧洞開挖過程中，主要監測隧洞內壁兩點連線方向的相對位移或監測點的絕對位移量［6］。隧洞周邊位移是圍巖應力狀態變化的最直觀反映，周邊位移監測數據可以分析圍巖變形規律及判斷隧洞空間穩定性提供可靠信息；根據變形加速度、變形速度來判斷隧洞圍巖的穩定程度，為襯砌支護的合理支護時機提供依據，判斷初期支護設計與施工方法選取的合理性；采用統計分析和現場量測相結合的方法對穿越軟巖等復雜地質條件下預留變形量的選取進行研究，并結合上述數值模擬提出合理的隧洞預留變形量，為后續工程提供參考。

3.1.2 短臺階法施工

在對圍巖進行合理支護后，選擇合適的短臺階法，循環進尺為0.6m，分上、下臺階預留“核心土”的方法進行開挖，上臺階與下臺階的距離在5m左右，下臺階與仰拱的距離在15m以下，下臺階掌子面與二次襯砌的施工距離在50m以下，在仰拱的作用下，圍巖變形將得到抑制，與相應的支護方式結合后可控制軟巖大變形。

3.1.3 施工過程中降低對圍巖的擾動

施工過程中嚴格控爆破參數，降低鉆爆對圍巖的擾動，優化爆破技術，對循環尺寸進行合理控制，采用預支護的輔助方式對圍巖變形進行控制，對破碎的圍巖及時加固［7］。

3.1.4 局部采用了管棚附加小導管超前支護技術

（1）超前支護管棚采用Φ108mm，長度30m，外插角3°，間距35cm，管棚布設在上臺階開挖180°范圍。每環管棚之間搭接長度5m，前方掌子面搭接長度5m。管棚鉆孔直徑Φ150mm，管棚鋼管采用直徑Φ108mm的無縫鋼管，管棚內安裝3φ25，長度25m（鋼筋采用圓鋼）的錨筋束。錨筋束采用φ8的鋼筋，每隔2m焊接一組環形支架，并在錨筋束上安裝一根Φ15mm的PVG排氣管。排氣管長度30m，并與錨筋束綁扎牢固。管棚孔單序孔時管棚前端26m為“花管”，尾部4m段為“死管”。鋼花管采用在鋼管壁鉆孔，其縱向、橫向間距為15cm，并保證同一截面的接頭數不得超過管數的50%。雙序孔時不設置“花管”，全部為“死管”。

（2）對已安裝完成的管棚進行注漿，順序為從兩側底板向頂拱方向進行注漿，注漿采用HSG（含水細沙型）水泥漿，水灰比為0.8∶1，并摻加1‰的硼酸，灌漿壓力1.5～2Mpa，灌前采用1cm厚鋼板將管口封閉，并焊接1寸鋼管，作為灌漿管，灌漿管上設置1寸球閥。管棚注漿分為兩部分，首先進行管棚內部注漿，結束標準為排氣管返濃漿即可結束。排氣孔回濃漿后，封閉排氣孔，進行管棚四周巖石注漿，結束標準為吸漿量不大于0.4L/min，持續灌漿10～15min，即可結束。灌漿的目的為加強管棚的強度，同時對前方巖體進行補充固結。

（3）管棚施工完成后，在兩根管棚間布設Φ42mm，L =4.5m超前小導管，進行超前補充支護，小導管環向間距35cm，外插角度為5°，其布置數量可根據灌漿效果進行隨機加密，以保證兩根管棚之間巖體灌漿密實為原則。小導管前端2.5m為“花管”，尾部2m段為“死管”。花管采用在鋼管壁鉆孔，其縱向、橫向間距為15cm，并保證同一截面的接頭數不得超過管數的50%。小導管注漿采用HSG（含水細沙型）水泥進行灌漿，注漿壓力0.5MPa，水灰比0.8∶1，并摻加1‰的硼酸。結束標準為在設計壓力下，灌漿段的吸漿量不大于0.4L/min，持續灌漿10～15min，即可結束。

（4）超前支護完成后進行短進尺開挖支護施工，支護采用HW150鋼支撐，間距60cm、φ8、100mm×100mm的雙層鋼筋網片及噴G30混凝土10c～20cm進行封閉，兩榀鋼支撐之間采用10#槽鋼進行連接，槽鋼間距50cm，局部根據現場實際情況增加隨機錨桿，并采用3排Φ25，L =3.5m鎖腳錨桿對鋼支撐進行鎖定，每排鎖腳錨桿2根，鋼支撐左右各布置1根，鎖定錨桿無法施工的部位，可采用水平鋼支撐進行對撐，對鋼支撐底部噴G30混凝土進行加固，鋼支撐底部設置底“靴”，局部采用長度3m的Φ22自鉆式錨桿或采用Φ28的預應力錨桿對鋼支撐進行鎖定。

（5）對于掌子面及邊墻突發掉塊、出水量增大或掌子面發生“鼓肚”現象情況，采取預防處理措施。輕微的掉塊、滲水現象，采用濕噴臺車對掌子面進行噴混凝土進行封閉；如掉塊加劇、出水量加大、掌子面出現鼓肚現象，及時采用方木、木板堆積掌子面，并使用砂袋將掌子面全部堵死壓實，然后在砂袋出露面上進行掛網噴混凝土施工，噴混凝土封閉前在砂袋內預埋引水管排水。邊墻及掌子面根據巖石出露后的地質情況采用小導管注漿進行隨機支護，保證掌子面及邊墻圍巖穩定［8］。

（6）施工過程中加強安全檢測。在支護鋼支撐上頂拱及兩側拱肩部位布置三個收斂觀測點，構成封閉三角形，采用收斂計按設計要求進行觀測，觀察頂拱鋼支撐變化情況。

3.2 隧洞大突涌水施工技術

針對軟巖洞段大涌水災害的治理，國內外已形成了較為成熟的方法，即以引排和封堵為主要手段。

（1）前期采用地質鉆機在掌子面布置5個超前地質勘探孔，其中頂拱附近一個，腰線附近布置2個，底板附近布置2個，孔深50m，探明前方巖石的具體情況及出水量情況。后期根據前邊掌握的巖石及出水量情況，可采用TRT6000輔助紅外線探水儀進行超前地質勘探，預報掌子面前方圍巖的富水情況。

（2）根據預報結果，如果前方有較大的裂隙水和水囊，通常采用堵水措施解決，對掌子面進行預灌漿。采用100B鉆機鉆孔，鉆孔間距2m，鉆孔時設置孔口管及高壓閥門，鉆孔深度20m。灌漿壓力根據出水壓力和水量確定，灌漿材料采用油溶性聚氨酯灌漿材料、水溶性聚氨酯灌漿材料和普通水泥灌漿材料。

灌漿孔口涌水量大于50L/min時，采用SY-油溶性聚氨酯灌注；

灌漿孔口涌水量小于50L/min大于10L/min時，采用SY-水溶性聚氨酯灌注；

灌漿孔口涌水量小于10L/min時，采用HSG超細水泥灌漿。

（3）根據預報結果，掌子面前方有承壓水出現，則在腰線以下布置4～6個超前導水孔，超前導水孔鉆孔直徑Φ130mm，外插角度5°，孔深20m。根據掌子面出水的實際情況調整導水孔鉆孔位置及數量。導水孔采用管棚鉆機跟Φ110mm無縫鋼管進行施工，單孔完成后在孔口位置設置高壓閥門，導水管前端16m為“花管”，尾部4m段為“死管”。

（4）灌漿完成后在設計輪廓線上布置檢查孔，進行灌漿效果檢查，達到預期效果后進行超前支護施工。

4　結語

在大變形、大涌水隧洞的施工過程中，通過超前地質預報技術、針對性的施工方案研究和施工過程的執行控制，隧洞工程順利完工。在方案研究中對可靠性和適用性方面做了大量的分析和對比，并經過論證討論后予以實施。雖然大變形、大涌水隧道施工有很多成功案例，但不同的工程有不同的施工特點，希望本案例的成功經驗能為今后類似隧道工程施工提供參考。

參考文獻

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［2］閆瑞生.西安地鐵隧道涌水大變形及坍方處理技術［J］.現代隧道技術，2013（06）.

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［7］付偉.當金山隧道地質災害與超前地質預報預警分析［J］.鐵道勘察，2014（04）：54.

［8］夏孝維.高地應力軟巖隧道施工方法與監測［J］.四川大學學報（科學版），2013（09）：48.

作者簡介：謝天智（1983年—），男，工程師。

收稿日期：2015-08-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.035

中圖分類號：TV554

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0094-04