淺析九峰隧道涌水塌方綜合處治技術

侯振鵬

福建第一公路工程集團有限公司 福建 泉州 362000

一、工程概況

1.1 九峰隧道項目簡介

九峰隧道位于龍巖市東肖鎮，采用分離式雙洞布置，雙洞三車道設計，最大埋深約600米。其中左洞全長4642米，起止樁號為ZK136+458～ ZK141+100；右洞全長4687米，起止樁號為YK139+416～YK141+103；屬于特長隧道。九峰隧道是項目總體建設過程中重要節點工程、控制性工程，直接影響廈蓉高速擴建工程的總體建設進度。

九峰隧道按高速公路80km/h速度標準設計，雙洞三車道采用復合式襯砌結構，隧道主洞內輪廓凈空寬度為14.8米，高度為9.8米。

圖1 隧道主洞凈空斷面

1.2 工程地質特征

九峰隧址區處于我國東部著名的巨型新華夏系第二個隆起帶與南嶺緯向復雜構造帶的復合部位，閩西南拗陷帶東部。受區域地質構造影響，進口及洞身斷層發育地段見后期侵入的花崗巖體分布，出口段褶皺、斷層活動均較發育，斷裂特征多為擠壓破碎，應力中心多見糜棱巖化。場區上覆坡積(含礫)粘土（Qdl），下伏基巖為二疊系下統文筆山組（P1w）粉砂巖、石炭系下統林地組（C1L）石英砂巖、石英砂礫巖、寒武-奧陶系（ε-0）變質細砂巖和燕山早期侵入花崗巖（γ52）及其風化層。

1.3 水文地質條件

九峰隧道區屬構造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡，自然坡度25～30°，局部達35～45°，山脊(頂)平緩；山體雄厚，植被發育，山坡坡體較陡，隧道穿赿的溝谷深切地段，隧道中部溝谷地表水系發育，部分山溝谷中見常流水。

地下水按埋藏條件及賦存介質不同主要有：①基巖風化層網狀裂隙水：隧道區巖性為花崗巖、變質細砂巖、石英砂礫巖及石英砂巖，為堅硬巖，碎塊狀強風化巖層裂隙較發育，富水性及導水性較強，接受大氣降水的補給，厚度小，水量貧乏，主要對隧道進、出口圍巖及施工有影響。②基巖構造裂隙水：主要為斷裂構造帶、節理密集帶中的裂隙水，受裂隙、節理等地質構造的控制，賦存條件較好，水量差異大，受大氣降水的補給和基巖風化裂隙水的補給。根據野外鉆孔抽（注）水試驗及水位恢復試驗，經估算該隧道左洞正常涌水量為8823.2m3/d，最大涌水量為17766.6m3/d；右洞正常涌水量為8127m3/d，最大涌水量為16365.5m3/d。

二、隧道涌水塌方的過程及原因分析

2.1 九峰隧道涌水塌方發生的過程

九峰隧道自出口向進口方向施工，2017年11月1日上午9點許，右洞掌子面開挖掘進至YK140+159，掌子面圍巖為斷層破碎帶，較破碎，拱頂圍巖為碎塊狀強分化，局部已成砂土狀，并且有出部分裂縫，局部開始涌水。隨后9點35分，掌子面拱頂開始逐漸掉渣掉塊，偶有細小異響聲，9點50分拱頂突然坍塌，形成較大塌腔，如下圖2圖3。災害發生后，為了防止塌腔的進一步擴大和涌水大面積軟化掌子面土體、浸泡拱腳，項目部采取了應急措施，拱腳兩側用沙包土填護，同時開挖臨時排水溝引排掌子面涌水，經初步檢測，掌子面涌水量為23.4L/S，進一步準備對掌子面進行初步的回填反壓注漿加固措施。

圖2 隧道YK140+159掌子面涌水

圖3 隧道YK140+159拱頂塌方

2.2 九峰隧道涌水塌方的成因分析

九峰隧道右洞YK140+159掌子面溝處于溝谷深切地段，埋深較大，有沖溝發育， 圍巖為構造破碎帶方f4-9及F4-10，根據LSSID鉆孔，帶內巖石受力擠壓變質，褐鐵礦比較普遍，局部糜棱巖化，裂面多嚴重鐵錳質渲染。隧道施工至該里程段時，根據超前地質預報結果及掌子面開挖情況來看，圍巖處于擠壓破碎帶，巖體比較破碎，局部已經土狀，節理裂隙極發育，富水性好，地下水水量豐富，該地質縱斷面圖如下圖4。

圖4 九峰隧道 YK140+159縱斷面地質圖

涌水突泥發生的實質是圍巖的原力學平衡狀態在隧道施工開挖過程被打破，是原圍巖中應力的一種調整和釋放。在隧道施工過程中，斷層破碎帶圍巖在水的作用下更加軟弱，巖體強度低，穩定性差，部分圍巖體和圍巖間水的混合物在較高水壓力和圍巖壓力的作用下，在掌子面上形成突裂隙破口，豐富的地下水或者混合物呈流塑狀態突然涌出，從而形成突水或者涌水突泥。

初步判斷，九峰隧道右洞塌方段圍巖成強風化狀，較破碎，水量豐富，圍巖自身穩點性差，在周圍土體壓力及水的浸泡軟弱作用下拱頂土體失穩塌落，形成了此次的涌水塌方災害。

三、隧道涌水塌方段的施工要點

3.1 隧道塌方段設計參數

根據工程項目原設計圖紙，九峰隧道右洞YK140+159段原設計為III級圍巖，按Z3型復合支護設計圖支護，但是早前時間施工工程中根據超前地質預報及現場圍巖實際開挖情況，施工方通過相關的變更手續，該里程段已變更為V級圍巖，涌水塌方前，按Z5型復合支護圖開挖支護施工。

圖5 Z3型復合支護設計圖

圖6 Z5型復合支護設計圖

3.2 涌水塌方地段的施工特點

3.2.1 涌水地段

涌水地段施工要做好施工調查，根據設計文件對隧道可能出現的涌水地段的涌水量大小、補給方式、變化規律及水質成分等進行詳細的調查，選擇既經濟合理，又能保證圍巖穩定，并保護環境的治水方案。

一般地，隧道涌水的治理主要采用排水和止水相結合的方式，以排為主，排、堵結合。排水主要是通過排出坍體及坍體前方圍巖中的部分水，以減小涌水壓力，并改善巖土體的物理力學性能。止水主要是通過向松散的圍巖體中壓注化學漿液，將原來呈松散軟弱的巖土體變得相對密實和硬化，同時，漿液在巖體的裂隙中凝固后，可將這些裂隙和其他空洞等封堵，以截斷巖體中前方來水的過水通路。

常見的處理涌水輔助施工方法有：超前鉆孔或輔助坑道排水、超前小導管預注漿堵水、超前圍巖預注漿堵水、輕型井點降水及深井降水等措施。

3.2.2 塌方地段

隧道塌方通常是多方面的因素引起的，塌方的原因大致分為兩種，一是自然因素，即地質狀態、受力狀態、地下水變化等；二是人為因素，即設計參數不適當，或者施工作業的方法措施不適當。預防隧道塌方，選擇安全合理的施工方法和措施至關重要。在掘進到不良圍巖破碎地段或者有水地段，應遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則，應采取“先治水、短開挖、若爆破、強支護、早襯砌、勤測量”的施工方法，必須制訂出切實可行的施工方案及安全措施。

隧道施工過程中，應加強施工技術管理，保證圍巖及支護的穩定，預防隧道塌方的發生應做好下列工作：

（1）全面了解設計提供的地質狀況，并及時與現場實際情況對比，明白設計意圖，嚴格按照設計文件及施工組織設計要求進行施工，未經批準，不得擅自改變開挖方法及支護形式。

（2）認真開展監控量測工作，并及時反饋量測資料，加強超前地質預報工作，發現開挖面前方有異常情況出現時，應及時研究并采取相應對策措施，，指導現場施工。

（3）應根據噴錨構筑法的基本要求進行開挖，合理選定開挖方法，同時采用光面爆破和預裂爆破技術，減少對圍巖的擾動。軟弱圍巖、特殊巖土和不良地質地段，應采取正確的開挖方法及有效的支護手段。在開挖過程中，如果發現任何特殊情況發生時，應暫停施工，待處理后方可繼續掘進。

（4）初期支護，必須及時施作并保證質量，在特殊情況下，應采取特殊的支護措施。二次襯砌不得嚴重滯后初期支護，施工安全步距應符合設計及規范相關要求。在軟弱圍巖地段宜緊跟開挖，III、IV級圍巖中，應根據監控量測的結果確定二次襯砌的最佳施作時間。

（5）根據《公路工程施工安全技術規范》JTG F90-2015，公路隧道施工安全步距要求如下：①仰拱與掌子面的距離，III級圍巖不得超過90m，IV級圍巖不得超過50m，V級及以上圍巖不得超過40m；②軟弱圍巖及不良地質隧道的二次襯砌應及時施作，二次襯砌距離掌子面的距離，IV級圍巖不得大于90m，V級及以上圍巖不得大于70m。

四、九峰隧道涌水塌方綜合處治技術措施

4.1 隧道塌方初步處理意見

九峰隧道右洞發生涌水塌方后，項目部應及時迅速處理，仔細觀測了塌方的范圍、形狀、數量大小及坍體的地質狀況、地下水的分布、活動情況等，根據隧道塌方部位、規模及地質條件，采取“治塌先治水、治塌先加強”的原則，準備采取噴錨支護、超前小導管注漿、管棚預注漿、后期加強二次襯砌等技術措施來進行處理，必要時進行圍巖帷幕注漿加固或者超前大管棚支護等輔助施工措施，此次涌水塌方處理施工流程如下圖7所示。

圖7 九峰隧道涌水塌方治理施工流程

隧道涌水塌方初期要加強洞內觀察，特別是監控量測中凈空變化和拱頂下沉觀測，同時做好引排水工作，在災害治理過程中，實時掌握圍巖的變化情況，根據圍巖實際情況及時反饋信息，及時調整治理措施技術參數，指導塌方段安全施工。

經過業主、設計、監理、施工四方在現場查勘并結合地質縱斷面圖和超前地質預報情況，決定在掌子面回填反壓、小導管注漿加固的基礎上，分步驟分階段進行塌腔泵送水泥漿液填充加固，然后施作超前大管棚預支護，進行帷幕注漿加固前方30米整體圍巖的強度和穩定性，并變更支護設計參數，加強初期和二次襯砌支護。

4.2 隧道塌方綜合處理技術方案

4.2.1 掌子面回填反壓封閉

（1）九峰隧道右洞YK140+159段涌水塌方災害發生后，項目部根據此次塌方的性質、規模以及涌水量的初步觀測數據，在掌子面塌方土體穩定后，立即組織對掌子面進行核心土回填，進行反壓，現場施工如圖8。

（2）掌子面核心土反壓拍實后，采用C20噴射混凝土進對掌子面進行噴砼封閉，噴砼厚度30cm，同時反壓面兩側及坡底設置排水孔，現場施工如圖9。

圖8 掌子面核心土回填反壓

圖9 掌子面噴砼封閉

4.2.2 拱頂周邊超前小導管注漿

（1）掌子面噴砼封閉后，在拱頂及周邊環向按間距1.0m打入5.0m長的?50mm小導管26根，在反壓的核心土坡面上按間距1.0m打入5.0m 長的?50mm小導管80根，進行全斷面小導管注漿，加固拱頂周邊圍巖及掌子面坍體的整體穩定性，如圖10。

（2）超前小導管注漿漿液為水泥漿，其中水泥漿水灰比為0.5:1，注漿壓力為0.5～1Mpa，小導管注漿施工如圖11。

4.2.3 圍巖周邊帷幕注漿

第一階段：泵漿填充隧道塌腔。根據掌子面小導管注漿情況，在掌子面拱頂斜向上方向鉆入1根長6m?108mm*6mm的泵送管至塌腔上方，并對掌子面進行補噴砼加固封閉，然后進行雙漿液注漿（水玻璃）加固。其中，雙漿液配比參數為：水泥:水玻璃體積比C:S=1:0.6～1.0，水泥漿水灰比0.5:1～1:1，注漿壓力為：初壓0.5～1Mpa，終壓3～5Mpa。

第二階段：帷幕注漿。在YK140+159涌水塌方段在第一階段注漿填充加固后，根據超前地質預報、監理量測數據分析報告以及現場觀察，為了進一步改善圍巖的物理力學性能，提高其強度和整體穩定性，采取一個了循環的帷幕注漿對掌子面前方30米的圍巖進行預加固，根據相關設計要求，采用30米長管棚預注漿加固。

隧道治理施工過程中，首先，用超前鉆機在拱頂周邊環向鉆孔，然后逐孔插入30米長導管（管壁有出漿孔），共計30根導管形成管棚，最后，通過管棚注漿預加固技術來穩定周邊圍巖，提高圍巖整體強度和穩定性。

圖13 掌子面超前大管棚鉆孔

4.2.4 隧道支護參數調整

針對此次涌水塌方災害，為了進一步加強隧道整體的強度和穩定性，業主、設計、監理、施工四方在現場查勘并結合地質縱斷面圖和地質超前地質預報結果，經過相關設計變更程序，對右洞掌子面后20米范圍內支護設計參數進行了調整加強變更，YK140+159～140+139按ZDK-1復合支護設計進行施工，初支工字鋼型號由20b調整為22b，工字鋼立架間距由70cm調整為50cm，噴砼厚度由28cm調整為30cm，二襯由50cm厚的C25防水砼調整為60cm厚度的C30防水砼。

同時，二次襯砌施工前應加強該塌方段隧道初支凈空尺寸、圍巖背后空洞的檢測，如有不符合設計的要求應及時處理，經檢測合格后，方可進行下一道工序。九峰隧道該塌方段經過相關檢測，凈空尺寸符合圖紙設計要求，初支背后無空洞，隧道二次襯砌順利完成施工。

五、塌方治理效果及總結

5.1 隧道涌水塌方治理效果

九峰隧道右洞YK140+159涌水塌方段，歷經兩個多月的不懈努力，成功治理了掌子面特別是拱頂拱要的涌水情況，有效加固拱頂塌方的的松軟破碎巖層，并對前方30米范圍內進行超前圍巖預加固處理，最終成功通過了該涌水塌方地段。由于此次塌方造成的相鄰初支工字鋼部分發生沉降及變形，局部侵限，對相鄰段YK140+159-165進行了換拱加固處理?？傊?，在安全、環保、文明施工前提下和較經濟合理的措施治理下，九峰隧道順利通過了該斷層破碎帶，成功治理了該不良地質的涌水塌方災害。

5.2 綜合處治技術總結

（1）公路隧道施工要應加強施工地質調查、做好地質預測預報工作，同時做好監控量測工作，隧道地質預測預報、隧道施工監測量測應作為必備的重要工序納入施工組織設計和施工組織管理。

（2）隧道施工應做好組織技術管理，做好的隧道供水供電、通風、防塵、防排水等工作，嚴格執行相關安全生產管理制度。

（3）隧道施工過程中，應嚴格按照設計文件及施工組織設計要求進行施工，保證施工質量，應加強施工技術管理，保證圍巖及支護的穩定性，做好隧道涌水突泥、塌方等災害的預防措施。

（4）遇到不良地質軟弱圍巖地段，應加強地質探測和預報工作，結合實際情況，考慮在開挖面布置超前鉆孔，探明前方地質，預防水囊、暗河、高壓涌水突泥等危害。

（5）如遇隧道塌方，應及時迅速處理，不得隨意拖延時間，應根據塌方的部位、規模、類型結合當地水文地質條件，正確客觀的分析塌方的原因，制定切實可行的科學經濟處理方案。

六、 結束語

通過對九峰隧道YK140+159涌水塌方災害過程的回顧及成因分析，簡析了造成此次涌水塌方的客觀原因，淺析了涌水及塌方地段的施工要點、注意事項及預防措施；并通過對此次隧道塌方事故的綜合處治措施分析，淺談了常見的隧道塌方處理措施及效果分析，為類似的、同類型的隧道塌方處理提供了一定的參考性；最終九峰隧道成功度過涌水塌方地段，為后續的隧道施工提供了寶貴的施工經驗和可靠的技術保障，為九峰隧道節點工程的順利貫通奠定了堅實的基礎，九峰隧道左右洞已經分別于2018年8月31日、9月25日順利完成貫通工作。