中天山隧道超高水压富水破碎带施工方法研究

魏文杰

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

中天山隧道超高水压富水破碎带施工方法研究

魏文杰

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

为解决南疆吐库二线中天山隧道出口钻爆法反坡施工中突遇的超高压涌水施工难题，采取超前地质预报和隧道涌水量、水压及连通性测试，预测前方地质情况以及涌水变化规律。针对掌子面前方超高水压富水破碎围岩，结合现场施工情况，对超前注浆堵水、涌水掌子面直接排水、隧道进口施工降压泄水洞等方案进行比选，最终确定了超前注浆堵水施工方案，成功突破了中天山隧道6.3 MPa超高压富水破碎段施工，确保了隧道的施工安全。

中天山隧道；反坡；超高水压；富水破碎带；超前注浆

0 引言

我国是一个多山的国家，随着高速公路、铁路基础设施的大量建设，隧道工程数量也在大量增加。为满足山岭长大隧道修建的需求，隧道施工技术越来越多地呈现出应用新技术、新方法、新工艺等趋势。在高压富水区修建长大隧道，国内外都不同程度地遇到了突泥、涌水现象，给施工和环境保护带来了巨大的影响。近年来在不断地探索中，防涌、防突技术取得了长足的进步。

对于长大隧道高水压富水破碎带施工，渝怀铁路圆梁山隧道岩溶水压力高达4.2～4.6 MPa，曾发生多次大规模突泥、涌水，施工相当困难。李治国等[1]、邹翀等[2]对高压富水区溶洞的注浆和超前支护方案、注浆材料、注浆工艺等进行了研究，通过采取注浆技术顺利完成开挖。龙厦铁路象山隧道施工过程中遇到断层破碎带，超前探孔测试涌水压力为2.0～3.0 MPa，施工中存在突水突泥等地质灾害问题。魏志昌[3]、张健儒[4]根据断层破碎带地质特征采取超前预注浆堵水技术加固地层，有效地防止了施工中突发涌水等地质问题。文献[5-7]分别研究了帷幕注浆技术、预注浆堵水技术等在不同隧道高压富水区中的应用，其富水区水压均未超过4 MPa。对于在山岭隧道建设中遇到静水压力达到6.0 MPa以上的超高压富水破碎带施工，国内尚未有直接采取注浆堵水技术的施工先例，采取何种施工方案可以安全顺利通过，需要进行详细研究论证。

本文以南疆铁路吐库二线中天山隧道6.3 MPa超高水压富水破碎带施工为例，通过对施工方案进行多方比选，确定了采取超前注浆堵水的施工方案，同时通过工程实践验证了超前注浆堵水技术在超高水压条件下的可行性。

1 工程概况

中天山特长隧道为南疆铁路吐鲁番至库尔勒段二线的重点工程，隧道最大埋深达1 700 m 以上，隧道设计为双洞单线式，其中左线全长22 449 m，右线全长22 467 m，左右线相距36 m，隧道进口段采用TBM掘进，出口段采用钻爆法施工，钻爆法为反坡排水，其中在左线设置1座长2 547.14 m的斜井(1#斜井，DK158+400处)辅助正洞施工，右线设置1座长2 545.89 m的斜井(2#斜井，DyK158+526处)辅助正洞施工。

2011年10月6日，隧道右线出口钻爆段掌子面施工至DyK154+901时，在实施超前探孔的过程中出现高压涌水，出水量约为5 000 m3/d，现场施工被迫停止。2012年5月3日，左线掌子面施工至DK154+856处，实施超前地质钻孔时也出现高压涌水。

2 高压富水段超前地质预报

2.1 洞内超前地质预报

2011年12月7日、2012年5月31日采用TSP分别对隧道右线DyK154+901～+733段(长168 m)、左线DK154+856～+706段(共150 m)进行超前地质预测，同时在右线掌子面布置4个(左线3个)超前地质钻孔进行更准确的地质、水量等探测。其中最深探孔达到38.3 m，此孔在钻进到12 m处有水流出，水很清澈，水量为200 m3/h；钻进到13.5 m时水量增加，为252 m3/h，有一定压力；在13.5～38.3 m钻进过程中涌水量、水压持续增加。最终对隧道左、右线超前地质探测资料进行分析，预测隧道高压富水段长度为73～106 m，高压富水段围岩为Ⅲ级至Ⅳ级，其他地段为Ⅱ级。

2.2 突涌水水压、水量观测及连通试验

为了解隧道涌水特性，对左右线隧道涌水进行了水压、水量、水温及掌子面涌水的连通试验。

1)涌水量量测。右线掌子面涌水里程为DyK154+901，涌水量为8 064 m3/d。左线掌子面涌水里程为DK154+856，涌水量为6 524 m3/d。

2)涌水水压、连通性测试。对隧道左线、右线各安装了压力表及阀门的3个探孔进行测试。在左线掌子面一个排水孔漏水的情况下进行连通性测试，从水压测试情况分析，突水段岩层裂隙发育，连通性好，水源补给快。关闭左、右线掌子面其他孔闸阀后，专门对隧道右线掌子面剩余的2个排水孔进行水压测试，水压前期上升较快，在前50 min内达到5.8 MPa，随后上升缓慢，200 min后测得最大静水压力为6.3 MPa。

经过对地质预报及相关试验分析，掌子面前方约300 m处为f7断层，断层下盘为志留系片岩夹砂岩，上盘为闪长岩。根据突涌水水量大、压力高的特点，分析地下水类型主要为断层接触带层间水。同时根据掌子面超前地质钻孔、水量及水压测量试验，采用古德曼经验式、水压力法及单长水量进行估算，预测隧道高压富水段正常涌水量为1.6万m3/d，最大涌水量可达到3.2万m3/d[8]。

3 高压富水段施工方案研究

3.1 方案1：超前注浆堵水方案

隧道出口钻爆段高压富水破碎带采取超前注浆堵水技术通过，进口段采取TBM继续正常掘进。受出口涌水段水压高达6.3 MPa影响，为确保注浆效果，采取超前注浆的同时进行泄水降压。隧道左、右线2作业面可同时开展施工，互不干扰。

3.1.1 泄水孔降压

在掌子面上布设泄水孔，开孔里程设置在掌子面后方5～10 m，终孔位于加固圈范围外2 m，分别在掌子面四角各设1个(右上泄水孔、右下泄水孔、左上泄水孔和左下泄水孔)，泄水孔内设有泄水管，泄水管上设有阀门，注浆时打开水阀降低水压。

3.1.2 超前注浆堵水

注浆时，采用注浆局域划分，对角泄水引导注浆方式，加大注浆、泄水孔空间距离。当泄水孔出现串浆时，若注浆压力低于普通水泥水玻璃双液浆(C-S浆)凝结强度时，采用C-S浆封堵串浆。注浆压力高于C-S浆凝结强度后，且串浆量超过注入量的50%时，关闭泄水孔进行顶水注浆。注浆结束后，立即打开泄水孔，如出现泄水孔被注浆封堵，立即重扫，再进行下步注浆施工。注浆工序完成后，再进行钻孔排水降压，然后实施隧道开挖。

该方案中，进口TBM正常施工，出口采用泄水降压超前注浆处理涌水段，其中每循环注浆作业+开挖需1.4个月，TBM按230 m/月考虑，拆卸洞(60 m)按4个月考虑。根据对现场施工进展及剩余段落施工组织分析，左线隧道贯通需要11.7个月，右线隧道贯通需要11.2个月。

3.2 方案2：出口涌水掌子面直接排水方案

根据掌子面前方物探、超前钻探结果综合分析，富水段围岩为Ⅲ级至Ⅳ级围岩，左线、右线掌子面涌水为6 524 m3/d和8 064 m3/d。在该种地质条件下，考虑采用超前小导管或超前管棚预加固围岩，提高施工安全性。由于隧道出口为反坡施工，现有排水系统排水能力太低，需提高排水能力。

该方案进口TBM正常施工，出口富水段采取超前预支护措施施工，进度指标为30 m/月，TBM掘进指标按230 m/月考虑，正常段120 m/月，拆卸洞(60 m)按4个月考虑。根据对现场施工进展及剩余段落施工组织分析，左线隧道贯通需10.7个月，右线隧道贯通需7.8个月。

3.3 方案3：进口施工降压泄水洞方案

出口掌子面封堵暂停施工，进口TBM施工靠近富水段时停止掘进，然后采用钻爆法施工迂回导洞对前方富水段进行泄水降压，降压后采用拱部超前支护等措施施工富水段。

1)右线TBM掘进至DyK154+672时，停止掘进，在设备尾部对应里程DyK154+597处采用钻爆法施工迂回导洞至DyK154+682，转换为泄水洞断面施工至DyK154+901，为出口端泄水降压；进口端再迂回至TBM前方用钻爆法施工正洞。

2)左线、右线施工泄水洞之后，出口端可开始施工。进口施工降压泄水洞平面布置见图1。

图1 进口施工降压泄水洞平面布置图(单位：m)Fig.1 Plan layout of water releasing tunnel in entrance section of Zhongtianshan tunnel (m)

该方案工法转换考虑1个月，TBM掘进指标按230 m/月考虑，正常段120 m/月，拆卸洞(60 m)按4个月考虑。根据对现场施工进展及剩余段落施工组织分析，左线隧道贯通需14.9个月，右线隧道贯通需13.6个月。

3.4 方案对比

见表1。

表1 3种施工方案比选表Table 1 Comparison and contrast among three different options

经过对上述3种方案进行充分对比分析，采用超前注浆堵水施工方案能够确保施工安全，施工工期可控，为推荐采用方案。

4 高压富水段超前注浆方案实施

结合隧道高压富水段围岩状况及隧道排水能力等，高压富水段施工处理原则确定为“注浆减排、排水降压”[9]，同时通过注浆试验确定注浆方式、注浆设备、注浆参数和注浆材料，保证在6.3 MPa超高水压条件下实施全断面超前注浆方案的可行。超前注浆方案具体实施过程如下。

4.1 止浆墙施工

开挖接近预定位置时，根据超前炮孔和开挖面的情况，选择止浆墙施作位置，止浆墙设置厚度为3 m。为稳定止浆墙，将止浆墙下部扩挖50 cm，将止浆墙嵌入基岩，同时在止浆墙周边安装接茬筋。止浆墙施工示意见图2。

图2 止浆墙施工示意图(单位：cm)Fig.2 Sketch of construction of grout stopping wall(cm)

4.2 分区定位

通过超前探孔，对掌子面进行“分区定位”，将掌子面布孔范围划分为弱水区、一般区和强水区(弱水区水量Q≤10 m3/h，一般区水量1030 m3/h)；然后根据分区涌水量及地质情况，有针对性地确定合理的注浆加固范围及钻孔间距。

4.3 钻设泄水孔

注浆前，在掌子面四角各设有1个泄水孔，分别为右上泄水孔、右下泄水孔、左上泄水孔和左下泄水孔。泄水孔开孔位置设置在掌子面后方约10 m处，终孔设置于加固圈范围外2 m。泄水孔布置见图3。

4.4 注浆加固范围及开挖长度

根据超前地质预报资料分析，Ⅱ级至Ⅲ级围岩采用周边注浆，注浆范围为开挖轮廓线外5 m。每循环预留止浆岩盘长度可根据开挖揭示地质情况及注浆效果预留2～4 m；开孔位置和终孔位置均按环形布孔方式；Ⅳ级至Ⅴ级围岩采用全断面注浆，注浆范围为开挖轮廓线外8 m；每循环预留止浆岩盘长度，可根据开挖揭示地质情况及注浆效果预留4～6 m。

X代表泄水孔；A代表注浆孔。

图3注浆泄水孔布置图
Fig.3 Layout of water releasing holes

4.5 注浆方式、参数及材料选择

注浆方式采用前进式分段注浆与孔底注浆相结合的方式。每循环纵向加固长度确定为30 m，终孔间距不大于3.75 m，注浆终压控制在6～8 MPa，浆液扩散半径为2.5 m。注浆材料主要采用普通水泥单液浆(W∶C为0.6∶1～1∶1)。当出现串浆时，采用普通水泥-水玻璃双液浆(W∶C为0.8∶1～1∶1，水泥、水玻璃体积比=1∶(1～0.3)，水玻璃浓度为30～35 Be′)。考虑注浆后允许部分岩体渗水以及材料成本，本方案注浆材料不考虑硫铝酸盐水泥单液浆。

4.6 分区域实施注浆

采用“划分注浆局域，对角泄水降压”的原则，对左上区域注浆时，开启右下泄水孔进行泄水；对左下区域位注浆时，开启右上泄水孔进行泄水；对右上区域注浆时，开启左下泄水孔进行泄水；对右下区域注浆时，开启左上泄水孔进行泄水，如此交替进行。

注浆过程中出现串浆时，当注浆压力低于双液浆凝结强度时，采用双液浆封堵串浆；注浆压力高于双液浆凝结强度后，通过关闭泄水孔进行顶水注浆，注浆压力达到设计标准后结束注浆。

4.7 注浆效果检查及评定

针对隧道高压富水节理密集带施工特点，结合长大隧道反坡排水能力，确定了检查孔允许出水量标准：一般情况下不大于2.5 L/(min·m)；在围岩完整段，最大不超过5 L/(min·m)。现场对一个循环注浆后检查孔出水量进行测量，各检查孔终孔出水量都小于5 L/(min·m)(见表2)，满足开挖要求，且在检查孔钻设过程中钻速快，无卡钻现象，达到注浆结束标准要求。

表2检查孔各段出水情况
Table 2 Water seepage of inspection holes

孔号孔深/m开始出水位置/m22m处出水量/(L/(min·m))终孔出水量/(L/(min·m))检128．6180．210．27检229．0220．020．35检329．800检429．4150．51．72检528．8141．63．17检628．1180．71．68检728．1190．92．85检828．3210．030．21

4.8 注浆结束后钻孔泄水降压

注浆完成后，在掌子面后方10 m钻设2个泄水孔排水泄压(左、右侧各设1个)，降低围岩背后水压力，保障隧道开挖和运营安全。

5 开挖支护

对隧道高压富水段实施超前注浆后，采用上、下台阶法实施开挖，每循环开挖进尺Ⅱ级和Ⅲ级围岩不超过2 m，Ⅳ级围岩不大于1 m。考虑高水压对围岩的影响，初期支护采取加强支护，在Ⅱ级和Ⅲ级围岩地段初期支护喷射23 cm厚C25混凝土，拱部120°范围设φ25 mm中空锚杆，边墙设φ22 mm砂浆锚杆，间距为1.2 m×1 m，长度为2 m，隧道全环安设I16型钢拱架，间距为1m；在Ⅳ级围岩地段初期支护喷射30 cm厚C25混凝土，拱部120°范围设φ25 mm中空锚杆，边墙设φ22 mm砂浆锚杆，间距为1.0 m×0.8 m，长度为2.5 m，隧道全环安设I22b型钢拱架，间距为0.8 m；在喷混凝土时安设盲管，将渗漏水集中经排水沟引排。

6 结论与讨论

1)通过对隧道高压富水段工程地质、水文地质及施工实际情况分析，采用超前预注浆施工方案是切实可行的。

2)在注浆开始前，为保证注浆施工安全，需要先施作泄水降压孔；在注浆完成后，为保证开挖工作在低压状态下进行，在开挖前需在注浆加固圈以外施作降压孔排水降低围岩承受的压力，以保障隧道开挖安全。

3)隧道开挖后，对掌子面围岩裂隙处扩散浆液进行分析，破碎岩层内的渗水裂隙均通过注浆得到填充，掌子面仅有局部裂隙水渗漏现象，总涌水量约为13 m3/h，比注浆前明显减小，达到了预期效果。

中天山隧道高压富水段施工为反坡排水，隧道排水系统能力有限，继续加大排水设施投入不经济，必须采取注浆堵水措施控制隧道总涌水量。今后类似工程若为顺坡排水，或者隧道排水能力配置充足富余，则可考虑采用掌子面直接排水的方案通过，施工投入费用和工期均可得到较大节省。本工程具体实施效果有待日后类似工程验证。

[1]李治国，张继奎，金强国.圆梁山隧道2号溶洞施工技术[J].隧道建设，2004,24(5):66-71.

[2]邹翀，张民庆，李治国.圆梁山隧道某高压富水区充填型溶洞注浆技术[J].施工技术，2004(10):33-36.(ZOU Chong,ZHANG Minqing,LI Zhiguo.The grouting technology of a filling solution cavity in high pressure water-rich area of the Yuanliangshan tunnel[J].Construction Technology,2004(10):33-36.(in Chinese))

[3]魏志昌.象山隧道注浆堵水施工技术[J].山西建筑，2010,36(7)：329-330.(WEI Zhichang.On the grout injection and water stopping technology for Xiangshan tunnel[J].Shanxi Architecture,2010,36(7):329-330.(in Chinese))

[4]张健儒.山岭隧道高压富水断层破碎带注浆施工技术[J].铁道工程学报，2010,140(5)：58-61.(ZHANG Jianru.Grouting technology for construction of mountain tunnel in high-pressure water-rich fault fracture zone[J].Journal of Railway Engineering Society,2010,140(5):58-61.(in Chinese))

[5]袁晏仁，李金求，周凯.中梁山隧道高压富水区帷幕注浆技术[J].都市快轨交通，2013(2)：100-103.(YUAN Yanren,LI Jinqiu,ZHOU Kai.Curtain grouting technique in high-pressure and rich-water zone of Zhongliangshan mountain tunne [J].Urban Rapid Rail Transit,2013(2):100-103.(in Chinese))

[6]李志明.地下注浆堵水技术在百花滩隧道施工过程中的应用[J].科技信息，2009(25)：691-692.

[7]钟放平,唐卫华.预注浆堵水技术在青山岗隧道施工中的应用[J].中南公路工程，2007,32(2)：121-123.(ZHONG Fangping，TANG Weihua.Application of prelim inary grouting for water block in Qingshangang tunnel construction[J].Journal of Central South Highway Enginee-ring,2007,32(2):121-123.(in Chinese))

[8]朵生君.中天山隧道大埋深高水压节理密集带涌水处理[J].铁道标准设计,2013(6):101-104.(DUO Sheng-jun.Countermeasures against water gushing of Zhongtianshan tunnel at deep-buried and high water-pressured and dense-jointed area[J].Railway Standard Design,2013(6):101-104.(in Chinese))

[9]张民庆，孙国庆，何志军，等.中天山隧道节理密集带超高压裂隙水处理技术[J].现代隧道技术,2013,50(6)：158-162.(ZHANG Minqing,SUN Guoqing,HE Zhijun,et al.Treatment techniques for an ultrahigh pressure bearing fissure water at a developed joint zone in the Zhongtianshan tunnel[J].Modern Tunneling Technology,2013,50(6):158-162.(in Chinese))

TunnelingthroughWater-richFracturedZonewithSuper-highWaterPressureCaseStudyonZhongtianshanTunnel

WEI Wenjie

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Water gushing with super-high pressure occurs in the down-slope construction of the exit section of Zhongtianshan tunnel on the second Turpan-Korla railway in Xinjiang,China.Advance geology prediction and tests on the water inflow rate,water pressure and water conductivity are made to forecast the geological conditions ahead of the tunnel face and the variation pattern of the water inflow.Three options,i.e.,advance grouting option,direct water releasing option and option of installing water releasing tunnel from the entrance section of Zhongtianshan tunnel,are proposed to cope with the super-high pressure water-rich fracture zone.In the end,the advance grouting option is adopted and the water-rich fractured zone with 6.3 MPa water pressure has been successfully tunneled through.

Zhongtianshan tunnel; down-slope tunneling; super-high water pressure; water-rich fracture zone; advance grouting

2014-02-12;

2014-03-25

魏文杰(1972—)，男，河南巩义人，1995年毕业于兰州铁道学院,隧道及地下工程专业，本科，高级工程师，主要从事隧道及地下工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.014

U 45

A

1672-741X(2014)05-0484-05