高速公路隧道涌水突泥災變處治

高速公路隧道漏水突泥災變處治唐健【摘要】結合岑溪至水汶高速公路均昌隧道涌水突泥的情況，對災害成因、施工技術難點進行分析，應用新型可控速凝注漿材料對突涌水進行封堵，并對注漿效果進行檢驗.結果表明:帷幕注漿后隧道涌水得到良好的控制，加固后的圍巖自穩(wěn)性顯著提高且漿脈清晰，土層密實，含水量少，初期支護施作完畢后圍巖滲水較少;該方案處治特大型涌水突泥災變效果良好，可為今后類似工程提供借鑒.【期刊名稱】《筑路機械與施工機械化》【年(卷)，期】2018(035)007【總頁數(shù)】5頁(P102-105,110)【關鍵詞】隧道工程;涌水;突泥;帷幕注漿【作者】唐健【作者單位】廣西五洲交通股份有限公司，廣西南寧530028【正文語種】中文【中圖分類】U4570引言岑溪至水汶高速公路均昌隧道在施工期間發(fā)生數(shù)次涌水突泥事故，涌水量最大一次約為1200m3?h-1，突泥量最大約為2900m3。涌水突泥地段為全風化花崗巖，巖體破碎且地下水豐富，地表谷地為沿線村民的生活生產(chǎn)區(qū)域，處治難度非常大［1-6］。本文以均昌隧道涌水突泥處治工程為依托，詳細分析災害成因與施工技術難點，應用新型可控速凝注漿材料，并對處治效果進行評價，為類似工程提供借鑒。1工程概況均昌隧道為小間距特長隧道，其右線長4288m，左線長4270m，左右洞凈距約17m。隧址區(qū)山峰脊線高程為250~806m,相對高差為556m，隧道洞身段最大埋深約450m，最小埋深約90m。均昌隧道穿越山心-嶺腳村谷地，為相對封閉的長條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢平坦，東西長約2900m,南北寬約400m，谷地的長軸方向與路線基本垂直。隧道進口端施工至山心村落范圍后，發(fā)生多次涌水突泥事故。其中有4次較大的災害事故：2013年9月11日右洞CK7+838掌子面上臺階右下角發(fā)生涌水，涌水量約為1200m3?h-1;2014年9月19日左洞DK7+963掌子面右側發(fā)生突泥災害，隨后發(fā)生涌水，累計突泥量約2900m3，最大涌水量約150m3-h-1;2015年5月1日右洞CK7+835掌子面再次發(fā)生涌水，涌水量達400m3-h-1;2015年10月23日左洞DK7+939掌子面發(fā)生涌水突泥，涌水量達250m3?h-1,突泥量約2500m3，如圖1、2所示。圖1隧道內(nèi)涌水圖2突泥2災害成因與技術難點2.1災害成因均昌隧道穿越的山心村段圍巖軟弱破碎、含水量大、地下水位高，施工中控制不當極易產(chǎn)生塌方、涌水事故。究其原因主要有孕險環(huán)境和致災因素兩大部分［7-8］。孕險環(huán)境。均昌隧道未貫通段四面環(huán)山，地處封閉的長條狀匯水盆地，穿越地層為全風化花崗巖，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育；同時，地層含砂量高、透水性好，地層注漿效果不明顯，區(qū)域匯水面積大，雨量充沛，降雨集中且強度高，地表溪流密布，地層透水性好，地下水補給迅速。致災因素。涌水突泥之前掌子面圍巖情況較差，滲水量較大，采用超前小導管注漿加固、超前大管棚注漿加固、帷幕注漿加固等處治方法，都無法取得較好的處治效果，同時造成工期嚴重滯后、投資大幅增加。由于沒有采用有效的超前預報手段來探明掌子面前方地質(zhì)情況，導致未能采取有效的圍巖加固方法及災變處治預案。2.2技術難點地層含水量大。均昌隧道路線穿越山心-嶺腳村谷地，為相對封閉的長條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢平坦，匯水面積較大，并且有大量的地表水和地下水補給源，地下含水層厚度大，含水層連通性及富水性好，隧道施工治水困難大。隧道圍巖地質(zhì)條件差。均昌隧道未貫通段位于山心村下方，該段隧道埋深約90m，隧道圍巖主要為全、強風化混合巖，自穩(wěn)能力及承載能力差，遇水易軟化坍塌，穩(wěn)定性極差，隧道施工、圍巖加固困難。根據(jù)進口端鉆孔取芯的情況看，在隧道洞身周圍一定范圍內(nèi)，巖層分布有軟塑性黏土夾細沙層，注漿可注性較差，不易滲透與劈裂，增加了注漿加固隧道圍巖的技術難度。⑶隧道未貫通段地表為村民生活生產(chǎn)聚集區(qū)。均昌隧道未貫通段地表分布有大量房屋，并且附近居民生活及生產(chǎn)用水均采自地下，隧道開挖若大量排水，會造成地下水位下降，地層土體的“有效應力”減少，導致地表沉陷，進而會引起房屋開裂，居民生產(chǎn)生活用水水源枯竭，并對附近谷地植被帶來破壞性影響。在保證地表穩(wěn)定和居民生產(chǎn)及生活用水的情況下，帷幕注漿要切斷隧道洞身周圍巖體與外界水源的聯(lián)系，技術要求較高，實施難度較大。3處治方案設計3.1方案比選隧道通水突泥災害常用治理方法有：地面帷幕截流法、冷凍法、洞內(nèi)超前帷幕注漿法、長管棚加小導管法和引排強挖法，其優(yōu)缺點和適用性如表1所示。從技術上分析，地表帷幕截流法和冷凍法均不適用于本項目；從風險控制上分析，引排強挖法的施工和運營風險高，不適用于本項目；超前管棚加小導管注漿法可在地層較好的區(qū)域被有限采用。均昌隧道涌水突泥段前后采用3種處治方案，具體如下。表1不同治理方法優(yōu)缺點治理方法優(yōu)點缺點結論地面帷幕截流法地面施工，安全性好;不影響開挖，有利于控制工期只能切斷局部水平水力補給，難以形成封閉的水力單元工程量大，造價高;無法解決隧道圍巖加固問題;軟弱地層成孔難施工難度大，深孔注漿效果無法保證不能從根本上阻斷水力補給通道，難以根治隧道涌水突泥問題,不適合本工程應用冷凍法冷凍過程中涌水風險可控冷凍過程短期效果好，解凍后依然面臨滲漏水及涌水突泥風險;無法從根本上解決圍巖加固問題;造價極高治標不治本,施工期和運營期風險高，不適合本工程應用引排強挖法造價低施工風險大，容易發(fā)生工程事故;對水文地質(zhì)環(huán)境影響較大，易引起地表塌陷等問題;運營期安全風險高安全風險較高，水文環(huán)境破環(huán)較大，不適合本項目采用洞內(nèi)超前帷幕注漿法能有效封堵涌水切斷局部水力聯(lián)系;圍巖加固效果好;治理后圍巖長期穩(wěn)定性好;造價適中,工期可控對材料和工藝要求較高，需專業(yè)注漿隊伍才能保障效果;工期較長，每個注漿循環(huán)的鉆孔及注漿都需要較長時間;造價較高，帷幕注漿要形成至少6m的幕墻厚度，需要大量注漿相關材料及機械能從根本上阻斷水力補給通道,實現(xiàn)圍巖的系統(tǒng)加固，保障隧道建設期和運營期安全，是本項目的首選方案長管棚加小導管注漿法施工效率高，工期短;造價低;技術入門要求低對于富水軟塑性黏土夾沙圍巖段，該方案無法有效治水，難以有效形成加固圈;涌水突泥治理的針對性差適用于涌水量較小，圍巖有一定自穩(wěn)能力的地層，可在中間圍巖較好區(qū)段補充實施超前小導管支護方案原設計。該方案按照V級深埋圍巖進行設計，由于地質(zhì)資料沒有準確揭示未貫通段復雜的地質(zhì)情況及富水情況，支護措施無法有效治理富水軟塑性黏土夾沙地層。超前大管棚加小導管支護方案。該方案可有效加固軟弱破碎圍巖段，在提高結構支撐能力的同時在隧道開挖線外形成加固圈，且支護強度較高。但對于富水軟塑性黏土夾沙圍巖段，該方案無法有效治水，難以有效形成加固圈，對掌子面正前方無法有效加固。水泥-GT漿液、水泥-水玻璃雙液漿全斷面注漿帷幕加固方案。該方案能有效封堵涌水，圍巖加固效果好，是處理突泥涌水的有效手段。3.2帷幕注漿方案設計結合均昌隧道涌水突泥情況及地質(zhì)特點，基于隧道全壽命周期的安全設計理念，提出左右洞分別治理的方案，應用新型可控速凝注漿材料和前進式分段控制注漿技術，通過漿液的滲透擴散封堵、劈裂漿脈的骨架支撐和對軟弱圍巖的擠密加固等聯(lián)合作用方式，達到對隧道富水軟弱圍巖的堵水加固。3.2.1帷幕注漿參數(shù)為提高注漿壓力，保證漿液在地層中有效擴散，防止工作面漏漿，須設置一定厚度混凝土止?jié){墻。選擇合適的止?jié){墻厚度非常重要，厚度過小則無法抵抗注漿壓力，存在安全隱患，厚度過大則成本過高。止?jié){墻厚度采用平板理論進行計算式中：B為混凝土止?jié){墻厚度(m)；P^作用在墻上的均布載荷(N)，P=P1A，P1為注漿終壓(MPa)，A為混凝土止?jié){墻的面積(m2)；W為隧道寬度(m)；H為隧道高度(m);［°］為混凝土的容許抗壓強度(MPa);a為安全系數(shù)，一般取1~1.5。C25模筑混凝土的［。］=9.6MPa,均昌隧道斷面直徑為10.75m，高為7.25m,安全系數(shù)a=1.2，根據(jù)上式可得到不同注漿終壓下超前注漿所需要的止?jié){墻厚度，如表2所示。表2不同注漿終壓下止?jié){墻厚度注漿壓力/MPa2.04.06.08.010.0止?jié){墻厚度/m3.24.55.66.57.2根據(jù)上述計算結果，均昌隧道注漿標準為2~6MPa(淺部為2~3MPa,深部為4~6MPa),深部注漿時巖壁也起到隔壓作用，因此采用厚度為3m的混凝土止?jié){墻應該是安全的。根據(jù)以往隧道的注漿設計，在高壓富水區(qū)進行帷幕注漿時，注漿加固范圍按開挖直徑(3-4倍)確定。為有效封堵突泥涌水、提高注漿效果，采用常規(guī)材料配合新型可控速凝注漿材料(GT-1)。GT-1具有初終凝時間可調(diào)、擴散控制性好、動水抗分散、早期強度高、環(huán)保無毒等傳統(tǒng)注漿材料(水泥單液漿、C-S雙液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿等)不具備的優(yōu)點，其主要性能參數(shù)如表3所示。表3新型凝膠可控速凝注漿材料基本性能參數(shù)凝膠時間/min終凝時間/min抗壓強度/MPalh3h3d28d結石率/%0.75~302~300.5~1.10.5~2.14.1~6.218.2-20.071-95綜合使用單液水泥漿、水泥-水玻璃(C-S)雙液漿、水泥-GT(C-GT)雙液漿等注漿材料對治理段進行封堵加固。單液水泥漿用于充填空腔，水灰比為0.8~1.2;注漿套管封固、淺層圍巖加固、止?jié){墻空隙封閉主要以C-S為主，水泥水玻璃體積比為3~4;在高壓富水區(qū)、松散坍塌區(qū)以C-GT為主，其中水泥GT雙液漿體積比為5:1至2:1?？紤]加固段巖體破碎、裂隙發(fā)育、水壓較高，一次成孔注漿容易造成塌孔卡鉆以及漿液達不到預期擴散加固范圍，故采用前進式注漿工藝，以提高整體加固效果。根據(jù)均昌隧道地下水壓力、地層特點及加固要求，左右洞超前帷幕鉆孔第1~2注漿段注漿終壓設為2~3MPa，隨著鉆孔延深和淺部圍巖加固強度的增加，其他各注漿段注漿終壓逐漸提高到4~6MPa，具體注漿壓力控制根據(jù)漿液消耗情況及揭露圍巖情況進行調(diào)整。3.2.2帷幕注漿方案方案設計4個帷幕注漿區(qū)段：左洞第一循環(huán)全斷面帷幕注漿段、左洞第二循環(huán)全斷面帷幕注漿段、右洞第一循環(huán)全斷面帷幕注漿段、右洞第二循環(huán)全斷面帷幕注漿段，如圖3所示。完成上述工作后，開展左右洞第三循環(huán)帷幕注漿，治理段長為20m，注漿后掘進段長為14m。圖3總體治理設計結合各區(qū)段的實際情況，根據(jù)前文確定的帷幕注漿參數(shù)，各治理區(qū)段帷幕注漿參數(shù)見表4。4注漿效果評價以均昌隧道左洞第一循環(huán)補充注漿為例，現(xiàn)場采用檢查孔法和涌水量分析法對本循環(huán)帷幕注漿效果進行檢驗。檢查孔法。根據(jù)注漿效果檢查評定要求，同時兼顧施工難度，現(xiàn)場設7個檢查孔對注漿堵水加固效果進行評價。檢查孔成孔情況見表5。表4各治理區(qū)段帷幕注漿參數(shù)參數(shù)名稱左洞第一循環(huán)左洞第二循環(huán)右洞第一循環(huán)右洞第二循環(huán)注漿段落樁號DK7+814~DK7+837DK7+831~DK7+851CK7+820~DK7+857CK7+851~DK7+871止?jié){墻厚度/m3333加固圈厚度/m8101010注漿材料水泥單液漿、C-S雙液漿、C-GT雙液漿注漿工藝前進式注漿，注漿鉆孔段平均長5m漿液擴散半g/m2.5~3.02.5~3.02.5~3.02.5~3.0注漿終壓/MPa2~62~62~62~6注：帷幕注漿結束后右洞第一循環(huán)開挖至CK7+851,其余開挖14m,預留6m防突巖帽。由表5可知，檢查孔初始成孔率均較高，初始成孔率達到75%以上，初始成孔率滿足注漿合格標準。涌水量分析法。所有檢查孔的涌水量均滿足設計文件規(guī)定的每孔每延米涌水量小于0.20L-min-1且單孔涌水量小于3L-min-1的要求。其中帷幕注漿檢查孔最大單孔涌水量為0.16m3?h-1,其余涌水量在0.12m3?h-1以內(nèi)，對隧道涌水有了較好的控制。5結語依托均昌隧道，分析其涌水突泥原因和施工技術難點，結合災害具體情況并經(jīng)方案比選確定了全斷面帷幕注漿方案，取得較好處治效果，結論如下。表5檢查孔成孔情況統(tǒng)計孔號鉆孔深度/m初始成孔深度/m初始成孔率/%J116>15>93.8J21515100J31515100J417>15>88.2J520>15>75.0J619>15>78.9J716>15>93.8施工前應加強地質(zhì)勘察深度并重視超前預報工作。均昌隧道不良地質(zhì)段的處治方案采用全斷面帷幕注漿方案是正確可靠的，采用C-GT雙液漿和C-S雙液漿相配合的注漿材料，可以達到較好的注漿效果。借鑒經(jīng)驗的同時要考慮實際的圍巖情況。采取全斷面帷幕注漿處治，不能忽視帷幕厚度及仰拱部分注漿加固，以提高襯砌周圍巖體的承載能力。【相關文獻】劉招偉.圓梁山隧道巖溶突水機理及其防治對策[D].武漢:中國地質(zhì)大學,2004.劉欽，李術才，李煜航，等.龍?zhí)端淼繤2斷層處涌水突泥機理及治理研究切.地下空間與工程學報，2013，9(6):1419-1426.胡文學，楊雁.瑤寨隧道突水突泥原因分析與處治[J].西部交通科技，2013