淺析九峰隧道涌水塌方綜合處治技術(shù)

侯振鵬

福建第一公路工程集團(tuán)有限公司 福建 泉州 362000

一、工程概況

1.1 九峰隧道項(xiàng)目簡(jiǎn)介

九峰隧道位于龍巖市東肖鎮(zhèn)，采用分離式雙洞布置，雙洞三車道設(shè)計(jì)，最大埋深約600米。其中左洞全長(zhǎng)4642米，起止樁號(hào)為ZK136+458～ ZK141+100；右洞全長(zhǎng)4687米，起止樁號(hào)為YK139+416～YK141+103；屬于特長(zhǎng)隧道。九峰隧道是項(xiàng)目總體建設(shè)過(guò)程中重要節(jié)點(diǎn)工程、控制性工程，直接影響廈蓉高速擴(kuò)建工程的總體建設(shè)進(jìn)度。

九峰隧道按高速公路80km/h速度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，雙洞三車道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，隧道主洞內(nèi)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(zhì)特征

九峰隧址區(qū)處于我國(guó)東部著名的巨型新華夏系第二個(gè)隆起帶與南嶺緯向復(fù)雜構(gòu)造帶的復(fù)合部位，閩西南拗陷帶東部。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，進(jìn)口及洞身斷層發(fā)育地段見(jiàn)后期侵入的花崗巖體分布，出口段褶皺、斷層活動(dòng)均較發(fā)育，斷裂特征多為擠壓破碎，應(yīng)力中心多見(jiàn)糜棱巖化。場(chǎng)區(qū)上覆坡積(含礫)粘土（Qdl），下伏基巖為二疊系下統(tǒng)文筆山組（P1w）粉砂巖、石炭系下統(tǒng)林地組（C1L）石英砂巖、石英砂礫巖、寒武-奧陶系（ε-0）變質(zhì)細(xì)砂巖和燕山早期侵入花崗巖（γ52）及其風(fēng)化層。

1.3 水文地質(zhì)條件

九峰隧道區(qū)屬構(gòu)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(dá)35～45°，山脊(頂)平緩；山體雄厚，植被發(fā)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(fā)育，部分山溝谷中見(jiàn)常流水。

地下水按埋藏條件及賦存介質(zhì)不同主要有：①基巖風(fēng)化層網(wǎng)狀裂隙水：隧道區(qū)巖性為花崗巖、變質(zhì)細(xì)砂巖、石英砂礫巖及石英砂巖，為堅(jiān)硬巖，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層裂隙較發(fā)育，富水性及導(dǎo)水性較強(qiáng)，接受大氣降水的補(bǔ)給，厚度小，水量貧乏，主要對(duì)隧道進(jìn)、出口圍巖及施工有影響。②基巖構(gòu)造裂隙水：主要為斷裂構(gòu)造帶、節(jié)理密集帶中的裂隙水，受裂隙、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造的控制，賦存條件較好，水量差異大，受大氣降水的補(bǔ)給和基巖風(fēng)化裂隙水的補(bǔ)給。根據(jù)野外鉆孔抽（注）水試驗(yàn)及水位恢復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)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(guò)程及原因分析

2.1 九峰隧道涌水塌方發(fā)生的過(guò)程

九峰隧道自出口向進(jìn)口方向施工，2017年11月1日上午9點(diǎn)許，右洞掌子面開(kāi)挖掘進(jìn)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(qiáng)分化，局部已成砂土狀，并且有出部分裂縫，局部開(kāi)始涌水。隨后9點(diǎn)35分，掌子面拱頂開(kāi)始逐漸掉渣掉塊，偶有細(xì)小異響聲，9點(diǎn)50分拱頂突然坍塌，形成較大塌腔，如下圖2圖3。災(zāi)害發(fā)生后，為了防止塌腔的進(jìn)一步擴(kuò)大和涌水大面積軟化掌子面土體、浸泡拱腳，項(xiàng)目部采取了應(yīng)急措施，拱腳兩側(cè)用沙包土填護(hù)，同時(shí)開(kāi)挖臨時(shí)排水溝引排掌子面涌水，經(jīng)初步檢測(cè)，掌子面涌水量為23.4L/S，進(jìn)一步準(zhǔn)備對(duì)掌子面進(jìn)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(fā)育， 圍巖為構(gòu)造破碎帶方f4-9及F4-10，根據(jù)LSSID鉆孔，帶內(nèi)巖石受力擠壓變質(zhì)，褐鐵礦比較普遍，局部糜棱巖化，裂面多嚴(yán)重鐵錳質(zhì)渲染。隧道施工至該里程段時(shí)，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果及掌子面開(kāi)挖情況來(lái)看，圍巖處于擠壓破碎帶，巖體比較破碎，局部已經(jīng)土狀，節(jié)理裂隙極發(fā)育，富水性好，地下水水量豐富，該地質(zhì)縱斷面圖如下圖4。

圖4 九峰隧道 YK140+159縱斷面地質(zhì)圖

涌水突泥發(fā)生的實(shí)質(zhì)是圍巖的原力學(xué)平衡狀態(tài)在隧道施工開(kāi)挖過(guò)程被打破，是原圍巖中應(yīng)力的一種調(diào)整和釋放。在隧道施工過(guò)程中，斷層破碎帶圍巖在水的作用下更加軟弱，巖體強(qiáng)度低，穩(wěn)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(tài)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(qiáng)風(fēng)化狀，較破碎，水量豐富，圍巖自身穩(wěn)點(diǎn)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(wěn)塌落，形成了此次的涌水塌方災(zāi)害。

三、隧道涌水塌方段的施工要點(diǎn)

3.1 隧道塌方段設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)工程項(xiàng)目原設(shè)計(jì)圖紙，九峰隧道右洞YK140+159段原設(shè)計(jì)為III級(jí)圍巖，按Z3型復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)圖支護(hù)，但是早前時(shí)間施工工程中根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)際開(kāi)挖情況，施工方通過(guò)相關(guān)的變更手續(xù)，該里程段已變更為V級(jí)圍巖，涌水塌方前，按Z5型復(fù)合支護(hù)圖開(kāi)挖支護(hù)施工。

圖5 Z3型復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖6 Z5型復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.2 涌水塌方地段的施工特點(diǎn)

3.2.1 涌水地段

涌水地段施工要做好施工調(diào)查，根據(jù)設(shè)計(jì)文件對(duì)隧道可能出現(xiàn)的涌水地段的涌水量大小、補(bǔ)給方式、變化規(guī)律及水質(zhì)成分等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，選擇既經(jīng)濟(jì)合理，又能保證圍巖穩(wěn)定，并保護(hù)環(huán)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(jié)合的方式，以排為主，排、堵結(jié)合。排水主要是通過(guò)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(xué)性能。止水主要是通過(guò)向松散的圍巖體中壓注化學(xué)漿液，將原來(lái)呈松散軟弱的巖土體變得相對(duì)密實(shí)和硬化，同時(shí)，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?cái)鄮r體中前方來(lái)水的過(guò)水通路。

常見(jiàn)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(dǎo)管預(yù)注漿堵水、超前圍巖預(yù)注漿堵水、輕型井點(diǎn)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(zhì)狀態(tài)、受力狀態(tài)、地下水變化等；二是人為因素，即設(shè)計(jì)參數(shù)不適當(dāng)，或者施工作業(yè)的方法措施不適當(dāng)。預(yù)防隧道塌方，選擇安全合理的施工方法和措施至關(guān)重要。在掘進(jìn)到不良圍巖破碎地段或者有水地段，應(yīng)遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，應(yīng)采取“先治水、短開(kāi)挖、若爆破、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌、勤測(cè)量”的施工方法，必須制訂出切實(shí)可行的施工方案及安全措施。

隧道施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)施工技術(shù)管理，保證圍巖及支護(hù)的穩(wěn)定，預(yù)防隧道塌方的發(fā)生應(yīng)做好下列工作：

（1）全面了解設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)狀況，并及時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，明白設(shè)計(jì)意圖，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件及施工組織設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，未經(jīng)批準(zhǔn)，不得擅自改變開(kāi)挖方法及支護(hù)形式。

（2）認(rèn)真開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)工作，并及時(shí)反饋量測(cè)資料，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖面前方有異常情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)研究并采取相應(yīng)對(duì)策措施，，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（3）應(yīng)根據(jù)噴錨構(gòu)筑法的基本要求進(jìn)行開(kāi)挖，合理選定開(kāi)挖方法，同時(shí)采用光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。軟弱圍巖、特殊巖土和不良地質(zhì)地段，應(yīng)采取正確的開(kāi)挖方法及有效的支護(hù)手段。在開(kāi)挖過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)任何特殊情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)暫停施工，待處理后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

（4）初期支護(hù)，必須及時(shí)施作并保證質(zhì)量，在特殊情況下，應(yīng)采取特殊的支護(hù)措施。二次襯砌不得嚴(yán)重滯后初期支護(hù)，施工安全步距應(yīng)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范相關(guān)要求。在軟弱圍巖地段宜緊跟開(kāi)挖，III、IV級(jí)圍巖中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果確定二次襯砌的最佳施作時(shí)間。

（5）根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)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(jí)圍巖不得超過(guò)90m，IV級(jí)圍巖不得超過(guò)50m，V級(jí)及以上圍巖不得超過(guò)40m；②軟弱圍巖及不良地質(zhì)隧道的二次襯砌應(yīng)及時(shí)施作，二次襯砌距離掌子面的距離，IV級(jí)圍巖不得大于90m，V級(jí)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(shù)措施

4.1 隧道塌方初步處理意見(jiàn)

九峰隧道右洞發(fā)生涌水塌方后，項(xiàng)目部應(yīng)及時(shí)迅速處理，仔細(xì)觀測(cè)了塌方的范圍、形狀、數(shù)量大小及坍體的地質(zhì)狀況、地下水的分布、活動(dòng)情況等，根據(jù)隧道塌方部位、規(guī)模及地質(zhì)條件，采取“治塌先治水、治塌先加強(qiáng)”的原則，準(zhǔn)備采取噴錨支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿、管棚預(yù)注漿、后期加強(qiáng)二次襯砌等技術(shù)措施來(lái)進(jìn)行處理，必要時(shí)進(jìn)行圍巖帷幕注漿加固或者超前大管棚支護(hù)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(qiáng)洞內(nèi)觀察，特別是監(jiān)控量測(cè)中凈空變化和拱頂下沉觀測(cè)，同時(shí)做好引排水工作，在災(zāi)害治理過(guò)程中，實(shí)時(shí)掌握圍巖的變化情況，根據(jù)圍巖實(shí)際情況及時(shí)反饋信息，及時(shí)調(diào)整治理措施技術(shù)參數(shù)，指導(dǎo)塌方段安全施工。

經(jīng)過(guò)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方在現(xiàn)場(chǎng)查勘并結(jié)合地質(zhì)縱斷面圖和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，決定在掌子面回填反壓、小導(dǎo)管注漿加固的基礎(chǔ)上，分步驟分階段進(jìn)行塌腔泵送水泥漿液填充加固，然后施作超前大管棚預(yù)支護(hù)，進(jìn)行帷幕注漿加固前方30米整體圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并變更支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，加強(qiáng)初期和二次襯砌支護(hù)。

4.2 隧道塌方綜合處理技術(shù)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(zāi)害發(fā)生后，項(xiàng)目部根據(jù)此次塌方的性質(zhì)、規(guī)模以及涌水量的初步觀測(cè)數(shù)據(jù)，在掌子面塌方土體穩(wěn)定后，立即組織對(duì)掌子面進(jìn)行核心土回填，進(jìn)行反壓，現(xiàn)場(chǎng)施工如圖8。

（2）掌子面核心土反壓拍實(shí)后，采用C20噴射混凝土進(jìn)對(duì)掌子面進(jìn)行噴砼封閉，噴砼厚度30cm，同時(shí)反壓面兩側(cè)及坡底設(shè)置排水孔，現(xiàn)場(chǎng)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(dǎo)管注漿

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

（2）超前小導(dǎo)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(dǎo)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(jù)掌子面小導(dǎo)管注漿情況，在掌子面拱頂斜向上方向鉆入1根長(zhǎng)6m?108mm*6mm的泵送管至塌腔上方，并對(duì)掌子面進(jìn)行補(bǔ)噴砼加固封閉，然后進(jìn)行雙漿液注漿（水玻璃）加固。其中，雙漿液配比參數(shù)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(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)理量測(cè)數(shù)據(jù)分析報(bào)告以及現(xiàn)場(chǎng)觀察，為了進(jìn)一步改善圍巖的物理力學(xué)性能，提高其強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，采取一個(gè)了循環(huán)的帷幕注漿對(duì)掌子面前方30米的圍巖進(jìn)行預(yù)加固，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，采用30米長(zhǎng)管棚預(yù)注漿加固。

隧道治理施工過(guò)程中，首先，用超前鉆機(jī)在拱頂周邊環(huán)向鉆孔，然后逐孔插入30米長(zhǎng)導(dǎo)管（管壁有出漿孔），共計(jì)30根導(dǎo)管形成管棚，最后，通過(guò)管棚注漿預(yù)加固技術(shù)來(lái)穩(wěn)定周邊圍巖，提高圍巖整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖13 掌子面超前大管棚鉆孔

4.2.4 隧道支護(hù)參數(shù)調(diào)整

針對(duì)此次涌水塌方災(zāi)害，為了進(jìn)一步加強(qiáng)隧道整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工四方在現(xiàn)場(chǎng)查勘并結(jié)合地質(zhì)縱斷面圖和地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，經(jīng)過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)變更程序，對(duì)右洞掌子面后20米范圍內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整加強(qiáng)變更，YK140+159～140+139按ZDK-1復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，初支工字鋼型號(hào)由20b調(diào)整為22b，工字鋼立架間距由70cm調(diào)整為50cm，噴砼厚度由28cm調(diào)整為30cm，二襯由50cm厚的C25防水砼調(diào)整為60cm厚度的C30防水砼。

同時(shí)，二次襯砌施工前應(yīng)加強(qiáng)該塌方段隧道初支凈空尺寸、圍巖背后空洞的檢測(cè)，如有不符合設(shè)計(jì)的要求應(yīng)及時(shí)處理，經(jīng)檢測(cè)合格后，方可進(jìn)行下一道工序。九峰隧道該塌方段經(jīng)過(guò)相關(guān)檢測(cè)，凈空尺寸符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，初支背后無(wú)空洞，隧道二次襯砌順利完成施工。

五、塌方治理效果及總結(jié)

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(jīng)兩個(gè)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(duì)前方30米范圍內(nèi)進(jìn)行超前圍巖預(yù)加固處理，最終成功通過(guò)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(fā)生沉降及變形，局部侵限，對(duì)相鄰段YK140+159-165進(jìn)行了換拱加固處理。總之，在安全、環(huán)保、文明施工前提下和較經(jīng)濟(jì)合理的措施治理下，九峰隧道順利通過(guò)了該斷層破碎帶，成功治理了該不良地質(zhì)的涌水塌方災(zāi)害。

5.2 綜合處治技術(shù)總結(jié)

（1）公路隧道施工要應(yīng)加強(qiáng)施工地質(zhì)調(diào)查、做好地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，同時(shí)做好監(jiān)控量測(cè)工作，隧道地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、隧道施工監(jiān)測(cè)量測(cè)應(yīng)作為必備的重要工序納入施工組織設(shè)計(jì)和施工組織管理。

（2）隧道施工應(yīng)做好組織技術(shù)管理，做好的隧道供水供電、通風(fēng)、防塵、防排水等工作，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)安全生產(chǎn)管理制度。

（3）隧道施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件及施工組織設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，保證施工質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)施工技術(shù)管理，保證圍巖及支護(hù)的穩(wěn)定性，做好隧道涌水突泥、塌方等災(zāi)害的預(yù)防措施。

（4）遇到不良地質(zhì)軟弱圍巖地段，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)探測(cè)和預(yù)報(bào)工作，結(jié)合實(shí)際情況，考慮在開(kāi)挖面布置超前鉆孔，探明前方地質(zhì)，預(yù)防水囊、暗河、高壓涌水突泥等危害。

（5）如遇隧道塌方，應(yīng)及時(shí)迅速處理，不得隨意拖延時(shí)間，應(yīng)根據(jù)塌方的部位、規(guī)模、類型結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，正確客觀的分析塌方的原因，制定切實(shí)可行的科學(xué)經(jīng)濟(jì)處理方案。

六、 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)九峰隧道YK140+159涌水塌方災(zāi)害過(guò)程的回顧及成因分析，簡(jiǎn)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(diǎn)、注意事項(xiàng)及預(yù)防措施；并通過(guò)對(duì)此次隧道塌方事故的綜合處治措施分析，淺談了常見(jiàn)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(guò)涌水塌方地段，為后續(xù)的隧道施工提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)和可靠的技術(shù)保障，為九峰隧道節(jié)點(diǎn)工程的順利貫通奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，九峰隧道左右洞已經(jīng)分別于2018年8月31日、9月25日順利完成貫通工作。