向斜儲水構造隧洞開挖涌水塌方治理研究

李慶國

(鄂北地區水資源配置工程建設與管理局(籌),湖北 武漢 430000)

0 引 言

隧洞開挖過程中發生涌水、塌方事故將嚴重影響工程的施工安全以及成本控制,確立經濟有效的隧洞涌水、塌方治理技術,對隧洞掘進施工意義重大。目前關于隧洞涌水、塌方治理技術已有較多的研究成果,梅爭貴、包德勇、郭小紅等[1-3]研究了隧洞涌水塌方治理技術,采用了固結灌漿、超前支護等針對不良地質洞段的有效措施;蔣國云[4]基于誘發深部巖溶隧道突水災害風險因子群的識別,得到了巖溶突水的安全性參評指標并構建出評價指標體系;楊會軍等[5]研究了隧洞監測及預報技術以指導隧洞施工;李術才、劉招偉等[6-7]研究了隧洞注漿擴散機理及封堵技術。

本文以鄂北地區水資源配置工程鳳凰寨隧洞為例,綜合分析涌水塌方原因,提出輸水隧洞施工過程中針對涌水、塌方問題的處理方案,可為類似隧洞的涌水塌方治理提供參考。

1 工程概況

鄂北地區水資源配置工程鳳凰寨隧洞位于湖北省廣水市,隧洞總長10.153 km。隧洞線路走向總體從西北向東南,方位角S42.39°～63.62°E。隧洞設計引水流量7.4 m3/s,進口底板高程103.49 m,出口底板高程102.43 m,設計縱坡為1∶9 600,設計斷面尺寸為標準圓拱直墻型,開挖斷面尺寸(寬×高)為(4.2～4.6) m×(4.671～5.190) m,成洞洞徑為3.5 m×4.14 m(寬×高)[8]。鳳凰寨隧洞典型斷面如圖1所示。

圖1 鳳凰寨隧洞典型斷面(尺寸單位:mm)Fig.1 Typical section diagram of Fenghuangzhai Tunnel

2 工程地質條件

隧洞沿線地面高程118.5～344.0 m,相對高差約225 m,為丘陵地形,地形坡度以小于15°為主,山頂渾圓,地表沖溝地貌發育。工程區屬秦嶺褶皺系一級構造單元,隧洞位于北大巴山-隨縣加里東褶皺帶(二級)、隨縣-會寨復背斜(三級)、關廟倒轉復式背斜(四級)與關廟倒轉背斜北翼。隧洞軸線與褶皺軸向呈小角度斜交。隧洞主要穿越4條區域斷層。穿越地層巖性主要為震旦-青白口系白兆山組(Z2b)黑云母片巖、鈉長片巖夾條帶狀、透鏡狀大理巖;震旦-青白口系岔河組(Z2c)鈉長片巖及震旦-青白口系隨縣群垸子灣組((Qn-Z1)y)絹云鈉長片巖。鳳凰寨隧洞地質構造示意如圖2所示。

圖2 鳳凰寨隧洞地質構造示意Fig.2 Geological structure diagram of Fenghuangzhai tunnel

隧洞沿線地下水類型為孔隙水、基巖裂隙水及巖溶孔隙水。孔隙水主要分布在第四系松散堆積物中;基巖裂隙水主要分布在基巖的構造裂隙、風化裂隙中,水量較貧乏,且不均衡,主要靠大氣降水補給,河床為其排泄基準面;巖溶孔隙水主要賦存于大理巖中,由于巖性的不均一,巖溶總體呈弱發育,富水性中等-貧乏,為條帶狀分布。地下水水位高程116.34～144.10 m,鳳凰寨隧洞處于地下水水位之下,最大深度約40 m,地表水僅通過大理巖巖溶孔隙與隧洞存在弱聯系。

鳳凰寨隧洞220+470～220+650段巖體巖性為震旦-青白口系白兆山組中厚層大理巖夾薄層片巖,呈弱-微風化,巖石為中硬巖夾較軟巖,隧洞走向138°,有向斜褶皺發育。北翼片理產狀為175°∠35°,南翼片理產狀350°∠52°。向斜為良好的儲水構造;大理巖條帶真厚度約50 m,主要為厚層大理巖夾薄層片巖,大理巖頂、底均為白兆山組薄層黑云母片巖、鈉長片巖,大理巖溶蝕孔隙發育,連通性好,為儲水巖層,頂底片巖為隔水層。隧洞開挖大理巖段易發生涌水險情;由于洞室穿越向斜核部,其核部褶皺及裂隙極發育,開挖過程中易出現塌方險情。

隧洞220+555～220+562段為向斜構造核部轉折端,小型褶皺極發育,節理裂隙發育,圍巖較破碎,局部極破碎,大理巖與片巖接觸面順層裂隙有線狀流水現象,水流總量約5 L/s;本段圍巖類別為Ⅳ類,圍巖不穩定。220+578～220+625段褶皺發育,大理巖有小溶孔溶隙發育,大理巖與片巖接觸面順層裂隙有線狀流水和股狀涌水現象,其中220+578～220+585段水流量約為33 L/s,樁號220+585附近拱頂出現塌方現象;本段圍巖類別為Ⅳ類,圍巖不穩定。

3 塌方涌水情況及原因分析

2018年8月14日,施工至樁號220+555～220+562時,隧洞頂拱部位出現涌水,流量約為18 m3/h。掌子面揭露圍巖巖性為厚層大理巖夾片巖,圍巖褶皺發育,局部褶皺發生錯斷,巖體破碎。按照Ⅳ類圍巖采取加強支護措施,將流水引至兩側,加強洞內排水。2018年8月18日施工至樁號220+582～220+585段,進行6 m深探孔及爆破鉆孔時無明顯滲水現象;爆破完成后,進行排險處理時,掌子面后方頂拱部位出現頻繁掉塊現象,隨后發生涌水,現場暫停施工,并將施工人員撤離現場。2018年8月20日,220+583～220+585段頂拱塌方,并伴有明顯股狀涌水,涌水水壓小于0.01 MPa,涌水流量為120 m3/h,頂拱塌方高度約2.5～3.0 m。

隧洞樁號220+470～220+650段向斜構造為良好的儲水構造,且隧洞位于地下水位以下,深部向斜構造大理巖所儲地下水存在一定承壓性質,向斜翼部大理巖出露地表;地下水通過巖溶孔隙與隧洞存在一定水力聯系。厚層大理巖多夾片巖,層理構造極發育,巖體受褶皺影響,裂隙極發育。大理巖的巖溶總體發育程度較弱,巖溶裂隙富水性中等,呈中硬巖,巖層軟硬相間,圍巖質量分布極不均勻,互鎖能力弱。片巖為強水敏性巖石,經長期浸水軟化,為極軟巖;在地下水的長期作用下,巖層互鎖能力進一步減弱,在隧洞開挖過程中,有滴水、線狀流水、股狀涌水現象,并常發生剝落、坍塌等;此外,圍巖片理走向與洞軸線交角一般為13°～28°,不利于隧洞整體穩定。層狀大理巖裂隙發育,層狀結構未破壞時,層狀結構內巖塊呈鑲嵌結構,具有一定強度,但當爆破臨空面形成,且受異常水壓沖擊或局部巖塊松動,巖層原有平衡將被破壞,致使整層大理巖發生垮塌。隧洞掘進至該區域時,洞室頂拱巖層裂隙發育并伴有地下水涌出,地下水與其他不利地質條件共同作用,導致拱頂失穩并最終造成塌方。

4 處理措施

隧洞涌水塌方問題出現后,施工人員攜帶設備撤離掌子面,因涌水量過大,超出隧洞臨時排水能力,計劃在洞內水量疏排后且涌水量有所減小再行施工。然而,經過14 d,涌水量未減小。分析認為涌水塌方的主要原因是洞室開挖后,該段褶皺發育,而大理巖為剛性巖石,褶皺段發育大量裂隙,層狀巖層由裂隙切割成大小不等的塊體鑲嵌排列而成,層狀大理巖層面間多有片巖或泥化片巖夾層,當巖層局部塊體松動,巖層極易沿層理面整體脫落誘發塌方。此外,該涌水段位于地下水位以下,向斜構造為良好的儲水構造,且該段大理巖直通地表。一方面,地下水通過向斜構造持續補給;另一方面,該段隧洞施工期間施工現場降雨較多,隧洞可通過地表降水等直接補給地下水。涌水補給充足,等待水量減小或排空幾乎不可能,也有違新奧法施工原則,且不做處理的情況下,半填充狀態的溶蝕大理巖填充物被水流帶出,形成管道型涌水通道,可能導致更大突涌災害;片巖為強水敏性巖石,極易軟化,大理巖局部夾片巖夾層受地下水持續浸泡侵蝕,巖體整體強度降低,可能導致塌方段進一步擴大。根據洞室變形觀測,在14 d時間內,涌水塌方段無明顯變形,因此根據現場的地質條件,以加強排水方案進洞施工,并按Ⅴ類圍巖加強支護措施,在塌方段設置超前小導管支護,具體方案如下。

(1) 洞內排水和監測。定期觀測圍巖出水情況,增加洞內抽排設備,加強洞內施工抽排水,避免隧洞圍巖積水浸泡,保證正常施工。

(2) 塌方出水上游5 m洞段(樁號220+578～220+583):頂拱、邊墻采用系統錨桿Φ22 mm,長度L=2.0 m,間排距1.0 m,梅花形布置,錨桿盡可能垂直節理裂隙面布設;頂拱、邊墻掛網Φ6.5 mm@15 cm×15 cm,噴16 cm厚C25混凝土;采用I16鋼拱架支護,榀距0.5 m,間距根據現場情況適當調整。對鋼拱架拱腳處進行混凝土地梁加固處理,地梁具體尺寸為0.4 m×0.3 m(高×寬),必要時利用型鋼全斷面封閉。在塌方空腔體拱架處布置一排Φ42 mm小導管,長度6 m,環間距0.3 m,小導管前端2 m采用花管,外傾角5°左右;在靠近塌腔的第二榀拱架處布置一排小導管,外傾角為10°～15°,其他參數相同。

(3) 塌方出水段(樁號220+583～220+585):在已安裝固定好的小導管上部覆蓋薄鋼板或者鐵皮,并用鐵絲固定,將出水引至洞內兩側通過隧洞抽排水系統排至洞外。同時,在塌方體左右兩側從上至下緊貼巖壁布置2道聚丙烯盲溝管。邊墻采用系統錨桿Φ22 mm,L=2 m,間排距1.0 m,梅花形布置,掛網Φ6.5 mm@15 cm×15 cm,在頂拱塌腔周邊合適位置布設隨機錨桿Φ22 mm,L=2.5 m,外露長度50 cm。采用I16鋼拱架支護,榀距0.5 m,間距根據現場情況適當調整。鋼拱架與樁號220+578～220+583相同。待塌方段支護施工完成后,利用預留的混凝土注漿管及時對已經形成的空腔部分進行混凝土回填,最后在混凝土和圍巖之間進行回填灌漿(圖3)。

圖3 鳳凰寨隧洞220+583～220+585段塌方處理設計(尺寸單位:mm)Fig.3 Design of collapse treatment for 220+587～220+583 section of Fenghuangzhai Tunnel

(4) 塌方出水段下游5 m洞段(樁號220+585～220+590):在塌方段處理完畢之后,采用超前鉆孔進行探測,在掌子面頂部、中部的左、右兩側布置3個探孔,孔深不小于10 m,并采取物探方法探測掌子面前方圍巖以及賦水情況。樁號220+585～220+590洞段的支護參數與220+578～220+583洞段相同。在樁號220+585附近鋼拱架頂拱布置一排Φ42 mm超前小導管,小導管長度6 m,間距0.4 m,外傾角5°左右。必要時利用小導管注漿,對頂拱圍巖進行加固。該洞段爆破循環進尺不大于1 m。

(5) 安全監測。為及時觀察隧洞塌方段圍巖變形情況,在隧洞樁號220+580、220+595處設置臨時監測斷面,進行隧洞斷面收斂變形監測,當觀測相對收斂值超過0.2%時,施工人員及時撤出并報告參建各方。

(6) 隧洞固結灌漿。隧洞在施工通過涌水塌方洞段后,對此段隧洞進行固結灌漿加固處理,固結灌漿孔孔徑為50 mm,采用Φ50 mm、長4 m的花管,灌漿方向與隧洞開挖面垂直,灌漿孔間排距3.0 m,梅花形布置。灌漿料采用凈水泥漿,漿液水灰比變化范圍為 0.45∶1～0.65∶1,根據地下水埋置深度及涌水水壓情況,灌漿壓力宜大于外水壓力0.2～0.3 MPa,灌漿壓力宜控制在0.3～0.5 MPa,根據現場實際情況具體確定其壓力。為保證后期隧洞襯砌安全,在隧洞頂拱設置排水孔減壓。

5 施工效果

按照設計方案,進洞后先對塌方段影響帶220+587～220+583段圍巖擴挖,并進行拱架支護,以防止塌方段擴大,保證施工安全。隨后在塌方段進行小導管施工,并上掛薄鋼板導水,邊墻采用錨桿加噴混凝土加固,安裝拱架,整個施工過程加強導排水;支護結構施工完成后,在塌方段充填混凝土。待混凝土強度達到設計強度后,在保證排水有效的情況下,對塌方段影響帶220+585～220+590段進行超前地質預報,以短進尺、拱架支護通過隧洞;固結灌漿加固后,隧洞滲水量明顯減少。涌水塌方處理全過程歷時11 d。隧洞典型斷面安全監測結果(圖4)表明:塌方段變形量為2.3～5.1 mm,洞頂相對變形量0.052%～0.116%,隧洞變形量小于規范允許值,隧洞變形趨于穩定,處理效果良好。后續施工采用超前小導管先進堵水,及時排水。通過采取短進尺、加強支護等措施,后續施工進展順利。

圖4 220+580斷面收斂監測變形曲線Fig.4 220+580 section convergence monitoring deformation curve

6 建 議

(1) 向斜儲水涌水洞段處理的首要任務是排水減壓。處理洞內水時應遵循“排堵結合、限量排放”的原則,及時對涌水洞段進行灌漿處理。可采用聚丙烯盲溝管處理涌水部位,將頂拱塌方處的涌水沿洞室邊墻引至集水井。安全開挖通過后,后續施工洞段應預留或打設排水孔,以減小水壓對洞室穩定的影響。

(2) 對于由巖層水平片理構造而非大斷層或破碎帶造成的洞室頂拱塌方,可采用超前小鋼管的強支護配合常規拱架及錨噴支護手段來通過塌方段,鋼管棚護作用明顯。利用超前小鋼管進行注漿(即超前小導管注漿),以固結頂拱破碎巖體。超前小導管方案施工工期短,且經濟合理。

(3) 洞內塌方涌水等問題,應以預防為主。針對不良地質洞段,除了控制每循環進尺,還應及時采取超前探孔或超前物探等超前地質探測措施,探明前方圍巖地質條件,以便提前采取措施應對突發情況。

(4) 對于塌方段前后影響帶,應采取拱架、錨桿、掛網噴混等強支護措施,在清楚分析原因的情況下盡快組織施工,避免塌方段擴大。

(5) 固結灌漿能有效提高圍巖自穩性。花管灌漿施工簡單,但易產生冒漿現象,因此作業時應控制好灌漿壓力并選用合適的灌漿方法。

7 結 語

斷層帶、向斜褶皺在補給條件較好的條件下易形成儲水結構,隧洞施工在穿越此類地層時,容易發生涌水災害,進而在水壓力作用下發生塌方。處理涌水塌方一般采用固結灌漿封堵,加上超前支護、拱架支撐等強支護措施,同時在超前地質預報基礎上,通過短進尺、弱爆破預防涌水塌方。鄂北地區水資源配置工程鳳凰寨隧洞涌水塌方處理采用疏堵結合、灌漿固結、超前支護和拱架支撐等措施,取得了較好的處理效果。