富水隧道全风化花岗岩和蚀变大理岩段涌水涌砂加固治理技术

周运祥

(中国铁路总公司工程管理中心，北京　 100038)

富水隧道全风化花岗岩和蚀变大理岩段涌水涌砂加固治理技术

周运祥

(中国铁路总公司工程管理中心，北京 100038)

摘要：贵广铁路东科岭隧道DK554+400～+456段处于全风化花岗岩、蚀变大理岩区接触带，隧道施工遭遇了长期的涌水涌砂等病害。结合东科岭隧道施工期间的涌水、涌砂概况及病害成因，治理采用堵排结合，即洞身全风化花岗岩段采用袖阀管注浆、仰拱底部蚀变大理岩部位采用钢管桩注浆加固，同时设置泄水洞等措施，成功解决了涌水涌砂加固治理难题。

关键词：铁路隧道；富水区；涌水涌砂；钢管桩注浆；袖阀管注浆；治理

1工程概况

贵广铁路东科岭隧道DK554+400～+456段位于全风化花岗岩、蚀变大理岩接触带。受多次构造作用及岩浆热液侵入影响，大理岩蚀变带风化差异严重[1]。接触带区域蚀变大理岩与全风化花岗岩分布无规律。隧道洞身周围岩体松散，呈砂粒状，在高压头地下水作用下，开挖后易发生涌水涌砂等灾害。如果隧道长期涌水涌砂，不仅施工难度大，导致工期长，而且可能给后期运营带来安全隐患[2]。

东科岭隧道进口里程DK553+823，出口里程DK558+770，全长4947 m。隧道整体设计为人字坡，变坡点位于DK554+981。DK554+400～+456段位于东科岭隧道进口段，洞身穿越全风化花岗岩，隧道仰拱底部0～2 m下为蚀变大理岩，施工中多次发生涌水涌砂及地表塌陷，对隧道工期产生较大影响。

2地质及水文特征

2.1地质特征

东科岭隧道DK554+400～+456段地表为浅埋谷地，洞顶埋深33～41 m。隧道所处地层为全风化的花岗岩与蚀变大理岩，分布无规律，见图1。花岗岩全风化层以粗颗粒为主，矿物成分主要是石英；蚀变大理岩细颗粒较多，矿物成分主要为高岭土等。

2.2水文特征

隧道洞身地下水位高，水位位于地表下2～3 m，全风化花岗岩层平均渗透系数为1.03 m/d，大理岩层平均渗透系数为0.93 m/d。蚀变带大理岩、全风化花岗岩遇水松散，呈颗粒状。隧道开挖后，在高压水头作用下，地下水渗流容易将颗粒带走，形成流砂及管涌。研究表明，地下水渗流对蚀变岩隧道影响极大[3]。施工过程也揭示，在DK554+437形成了涌水涌砂集中点。

2.3岩溶、裂隙分布

根据补勘资料，DK554+400～+456段岩溶发育，DK554+440左10 m处存有溶洞，溶洞共2层，洞高分别为1.8 m和0.6 m，低于隧道洞身；DK554+450左2 m存在1个充填溶洞，洞高1.7 m，见图1。根据钻孔资料分析，拱部上方2.5 m至地表范围，溶蚀裂隙发育；两侧边墙的外侧4.0～5.0 m范围，溶蚀裂隙发育并存有空腔。各类岩溶溶腔均为充填状态，充填物主要为砂粒与孔隙水，并含部分黏性土，土质整体较为松散，易形成渗水通道。

3涌水涌砂段设计

隧道DK554+400～+456段采取双侧壁导坑法开挖，非抗水压衬砌，全环I20b型钢钢架，间距0.6 m/榀，拱部φ108 mm大管棚超前支护，环向间距40 cm，每环38根，纵向间距12 m，每根长度15 m。钢架及超前支护参数见表1。

隧道防排水设计原则为：遵循以排为主，“防、排、截、堵结合，因地制宜、综合治理”，衬砌不考虑承受水荷载。为保证隧道开挖施工安全，结合隧道所处围岩为渗透系数较高的砂性土、地下水位较高的工程实际，设计采用轻型井点降水[4]。

表1　D3K554+400～+515段涌水涌砂段设计支护参数

4开挖施工

隧道开挖方向由小里程至大里程。DK554+195～+535段洞身两侧隧道中线外10 m处于地表布设降水井，管径600 mm、单侧间距10 m。降水井在掌子面前方30 m左右进行抽水，每30 m作为一个循环，共8个降水井同时抽水。开挖前1个月分段进行井点降水。

2010年6月到2011年底，洞外地表实施井点降水，地下水位降至仰拱底面以下1.0 m后进行开挖，通过排水沟顺坡排出洞外，降水效果明显，为隧道洞身开挖施工创造了较好的施工环境。

2012年3月，DK554+360～+530段降水时，发现隧道洞顶泉眼已干枯，降水中止。后重新启动井点降水，洞外地表井点降水效果欠佳，隧道内开始涌水，涌水量逐步增多。2012年3月8日，施工DK554+437仰拱时隧道底部左侧发生股状涌水，水质浑浊，水量1 600 m3/d，后续时间持续涌出，水质较清澈，水量时大时小；3月30日，已完成二衬、仰拱段边墙底部预留的排水孔发生涌水，水量5 000 m3/d，含砂量达4%左右，见图2。

图2　隧道洞身边墙预留排水孔涌水、涌砂照片

该段于2012年4月、7月、2013年8月分别发生涌砂涌水，水量最大5 800 m3/d。受涌砂涌水影响，地表DK554+447～+507段隧道右侧地表出现陷坑4处，距离隧道中线约50 m，左侧DK554+560地表出现陷坑2处，距离隧道中线20～60 m。

涌砂涌水发生后，施工单位分别对隧底积水段抽排清淤并及时施作隧底喷射混凝土、对DK554+437 隧底股水涌出点附近空洞点采用聚氨酯化学注浆填充、初支背后采用长1 m的φ42 mm钢花管充填注浆、采用碎石砂袋封堵泥砂等措施。除由于水流湍急，聚氨酯化学注浆方案失效外，其余方案临时加固效果明显，隧道可以进行开挖。但从长期看，以上方案加固效果无法保证运营后的隧道安全。

5施工涌水涌砂原因分析

5.1洞身涌水涌砂原因分析

地下水位在地表下2～3 m，水位高出隧道洞身25～60 m，水头压力大。隧道周围砂粒土渗透性好，渗透系数约1 m/d，洞身段围岩全部为全风化花岗岩。隧道开挖前，通过井点降水降低地下水位措施，达到了开挖目的，但井点降水也导致形成新的地下水排放通道。由于井点降水过程曾中断重抽，引发滤网堵塞、部分井点降水管滤网破损，滤网失去作用，且未及时修护，导致井点降水效果较差。洞身周围的全风化花岗岩松散呈颗粒状，风化颗粒在高压水头作用下，通过渗流通道经过滤网，排至隧道洞内，是造成洞身涌水涌砂的主要原因[5]。

5.2隧底涌水点涌水涌砂原因分析

根据设计补勘资料，DK554+420～+460段隧道底部存在厚0～1.3 m的花岗岩全风化层，其下为蚀变大理岩。DK554+437附近洞底集中涌水，水源主要是来自于蚀变大理岩体内的长距离补给的溶蚀裂隙或小型管道。溶蚀裂隙或小型管道，隧道开挖前处于平衡状态。开挖后，在井点降水及地下渗流作用下，形成了渗流通道。水的来源有两方面，一是长距离的基底补给，周边实施井点降水时洞底同样存在涌水可作为证明；二是涌水具有承压性，来自于高水头水源，其通过大理岩溶蚀管道或裂隙较远距离补给。隧道周围山体基岩裂隙水持续不断地补给，确保了周边地下水位高于隧道基底，是DK554+437涌水点长期涌水的主要原因。由于地下水位较高，提升了补给溶蚀管道水流的承压水头，使得仰拱基底与蚀变大理岩层面之间的砂层及溶蚀管道本身充填的砂层随动水流出，形成涌砂。

5.3地表塌陷原因分析

目前认为，空洞、上覆土体松散及地下水活动是形成岩土体塌陷的三要素[6]。DK554+400～600段蚀变大理岩岩溶比较发育，其上覆盖的花岗岩全风化带呈砂状，易流失，当点状分布的大理岩体内溶蚀空洞逐步带走土石界面附近的全风化砂时，形成了无规律分布的土洞。隧道开挖排水后，将洞身附近的水位降至仰拱附近，同时形成以隧道为中心的降落漏斗。当地下水下降至覆盖层底板以下时，岩溶空隙中的水与空气形成负压，使土体有向下移动的趋势。全风化花岗岩围岩比较松散，自稳性能差，承载力比较低。围岩中的水土流失恶化了全风化花岗岩的承载力。地下水流失后，土体结构没有向上的浮力，在自重作用下个别部位的结构失稳发生塌陷，也引发其余部位发生连锁反应，加速了土洞的扩展，最终导致地表开裂下沉、塌陷。

6涌水涌砂段治理施工

隧道涌水涌砂治理采用“排清留固、堵排结合”的处理原则。施工期间防治措施主要为降水释压与注浆加固、封堵地下水两大辅助措施，以减少砂土含水率，达到增强承载性能的目的[7]。大量的工程实例已经证明，采用帷幕注浆方案可以有效加固松散土体，堵塞地下水渗流通道，从而达到治理涌水涌砂目的[8]。结合洞身开挖揭示的地下水流向分析，本段岩溶水整体排泄方向与线路方向近于一致，即自隧道出口端流向隧道进口端。采用帷幕注浆对岩体进行加固，通过泄水洞排水能有效地降低地下水位，能够有效减少或消除运营阶段涌水、涌砂病害。

6.1疏导地表排水系统

为减少地表水下渗，防止地下水过多进入大理岩、花岗岩全风化层，导致隧道周边砂土层流失，影响衬砌结构安全，对DK554+400～+456段地表冲沟、沟槽等进行铺砌、归引，确保地表排水通畅、不积水，防止地表水下渗[9]。

6.2回填陷坑

DK554+400～+446段经历长时间降水作用后，在隧道开挖后长期井点降水作用下，可能产生流土、管涌及接触冲刷等潜在破坏模式，影响隧道结构的长期稳定性。对DK554+420～DK554+600段地表陷坑采用土石分层回填，回填面设50 cm厚黏土隔水层，高出地面约30 cm。

6.3隧道底部φ75 mm钢管桩注浆加固处理

DK554+400～+456段隧道底部全部为0～1.3 m厚全风化花岗岩，全风化花岗岩在动水作用下易流失，导致隧底掏蚀，导致隧道底部承载力不足，需进行加固。鉴于钢管桩注浆加固在宜万铁路、沪昆客运专线等国内铁路岩溶区广泛采用，工艺比较成熟，且施工工期短、费用相对较低，DK554+400～+456段隧道底部采用φ75 mm钢管桩注浆加固方案，如图3所示。

图3　DK554+400～+456隧道底部φ75 mm钢管桩注浆加固平面布置(单位：cm)

6.3.1钢管桩注浆加固工艺

钻机就位→钻机成孔→清孔→下钢管→下水囊式止浆塞→向上分段注浆。

6.3.2试验段

(1)试验段范围

选取D3K554+424～+433段作为隧底φ75 mm钢管桩注浆加固的试验段，共47个钻孔。

(2)注浆参数预设计

注浆材料分别采用TGRM防水型和TGRM加固型，水灰比分别为：0.8∶1和1.2∶1。浆液扩散半径为80 cm，注浆压力控制在0.6～1.0 MPa。

(3)试验结果

经钻孔取芯检查，芯样长4.6 m，其中0～1.8 m为混凝土，1.8～2.7 m芯样为水泥块内夹砂石，2.7～4.6 m芯样为弱风化花岗岩，呈乳白色，裂隙可见水泥结状体，无溶洞。试验段注浆效果良好。

6.3.3φ75 mm钢管桩注浆加固

(1)钢管加工与布设

注浆管采用φ75 mm钢管，壁厚5 mm，长3.0～7.5 m，钻孔前先凿除仰拱填充面以下30 cm厚混凝土以及钻孔周边混凝土，消除因钻孔导致运营期间诱发的隧底翻浆冒泥隐患，凿除每个钻孔周边混凝土，形成各个小坑，再进行钻孔及施作钢花管。钻孔深入基岩1 m左右，φ75 mm钢管桩应采用锚固剂锚于仰拱填充内。

(2)注浆施工

注浆典型断面见图4。

图4　DK554+437隧底注浆加固典型横断面(单位：高程以m计，其余为cm)

注浆参数选定试验段预设计注浆参数。

TGRM制浆搅拌浆液应使用高速制浆机，转速≥300 r/min，搅拌时间3 min，制浆后应通过滤网进入储浆桶然后进行压浆，压浆过程中要对储浆桶中的浆液进行适当搅拌。

注浆时采用内置水囊式止浆塞，由孔底逐段向孔口分段式注浆。图3中双圈圆采用TGRM防水型浆液，单圈圆采用TGRM加固型，水灰比分别采用0.8∶1与1.2∶1。注浆压力控制在0.6～1.0 MPa。施工采用其周边设置注浆孔，注浆孔直径2 cm，每环布设3个注浆孔，纵向间距40 cm，梅花形布置。钢管桩长3～7 m，间距1.0 m×1.0 m，交错布置，参见图3。

注浆施工采用奇偶跳开、间隔施作、跳孔进行，先外圈、后内圈的顺序。并应根据注浆情况调整水灰比及注浆压力等，以保证注浆效果。

注浆结束后，割掉小坑底面以上钢花管，对凿除混凝土表面加以清理、凿毛，保持平整、干燥，最后采用C20混凝土灌筑小坑及仰拱填充，至仰拱填充设计高程。

对洞内DK554+437集中出水点以及注浆时注浆范围中部需预留出排水孔，最后对所留排水孔进行顶水注浆。

(3)验收标准

检查孔数量宜为钻孔总数的3%～5%，检查孔岩芯可见浆液与砂石胶结牢固、注浆饱满、浆液填充密实，检查孔每延米注浆量不大于周围4孔平均每延米注浆量的15%。

6.4隧道洞身处理

集中涌水点DK544+437与隧道洞身周边溶蚀裂隙或小型通道形成了涌水通道。东科岭隧道集中涌水涌砂段二次衬砌已经施作，经结构检算，已施作二次衬砌结构仅能承受0.2 MPa水压，如防止砂土涌出封闭泄水孔及集砂井，则静水压将大于0.6 MPa，已施作二次衬砌无法承受。如任由砂土进入隧道，砂土将无法经中心沟排走，造成堆积而影响行车安全。根据中国铁路总公司工程管理中心专家审查会意见，对DK544+437集中涌水涌砂点沿隧道纵向前后各15 m范围即DK544+422～+452段采用止水帷幕加固处理。

6.4.1注浆方案比较及选用

止水帷幕的方法主要有以下几种：旋喷桩、钻孔灌注咬合桩、袖阀管注浆及地下连续墙等。隧道洞顶上方有孤石，咬合桩成孔实施存在困难，影响注浆效果，首先排除钻孔灌注咬合桩；φ600 mm三重管旋喷桩止水帷幕投资较大，且在本工程实施如达到设计止水效果还有技术难题需要解决；地下连续墙投资较大，施工专业化程度高，施工工期长；袖阀管注浆工序简单、投资费用相对较低。经比选，选用袖阀管注浆加固方案。

6.4.2袖阀管注浆工艺

袖阀管注浆法是通过较大的压力将浆液注(压)入岩土层中，注浆芯管上下的阻塞器可实现分段分层注浆，由施工需要选择联系或跳段注浆。袖阀管分段后退式注浆工艺见图5。

图5　袖阀管分段后退式注浆施工工艺流程

此工法在需要全程注浆的施工中，通过分段注浆，使得松散的地层和较密实的地层均达到很好的注浆加固效果。

6.4.3试验段

(1)试验段范围

试验段选取DK554+422～+430段23根袖阀管。

(2)注浆参数预设计

袖阀管套壳料采用膨润土掺水泥浆，膨润土∶水泥∶水=1.5∶2∶2，注浆材料采用硫铝酸盐水泥，水灰比为(0.8～1)∶1， 注浆压力1～7 MPa，浆液扩散半径120 cm，注浆分段长度为1～2 m。

6.4.4袖阀管注浆加固施工

(1)注浆加固范围

隧道两侧边墙外各8 m、拱顶以上至10 m范围内采用袖阀管注浆加固。衬砌范围内袖阀管伸入隧道衬砌外缘以上1 m；衬砌范围外袖阀管伸入隧道仰拱底不小于1 m，且嵌入基岩内不小于1 m。拱顶以上10 m以外钻孔部分采用黏土回填密实。

(2)袖阀管材料及布设

如图6所示，注浆孔A1～A4，A14～A17采用φ76 mm钢袖阀管，壁厚6 mm；注浆孔A5～A13采用φ50 mm PVC袖阀管壁厚5 mm。间距均为2 m×2 m，梅花形布置。见图6。

图6　袖阀管注浆孔平面布置示意(单位：cm)

(3)袖阀管注浆施工

注浆参数选用试验段预设计注浆参数。

钻孔时应用优质泥浆如膨润土浆固壁；下钢制袖阀管时，应使其位于钻孔中心；用套壳料置换孔内泥浆，浇筑时应避免套壳料进入袖阀管内，并严防孔内泥浆混入套壳料中。

施工顺序。用止浆塞分段注硫铝酸盐水泥，奇偶孔跳开、间隔施作、跳孔进行。

水泥浆的初凝时间小于45 min，终凝时间小于90 min，水泥浆2 h净浆抗压强度大于1 MPa。袖阀管注浆施工典型断面见图7。

图7　φ76 mm袖阀管注浆加固典型断面(单位：cm)

(4)注浆要求

注浆开始时，要先打开进浆阀，再关闭泄浆阀；注浆结束时，要先打开泄浆阀，再关闭进浆阀。应避免两个阀门同时关闭，防止压力陡然升高，产生危险。输浆管内压力降低后再行拆除注浆管。发现漏浆或串浆，可采取封堵、间歇注浆等措施，保证浆液按规定的范围扩散，保证注浆质量。

注浆结束后，应检查注浆效果，不合格者补注浆，检查合格后注浆钻孔及检查孔应封填密实[10]。

(5)验收标准

注浆加固前后对需加固地层进行压水试验，以测定加固段地层的渗透系数。注浆后加固地层段的渗透系数降低一个数量级。

6.5泄水洞施工

隧道结构经注浆加固后处于稳定状态，但由于目前尚无注浆加固耐久性的资料。大理岩体岩溶极发育，与地表相通性较好，不排除若干年后隧道仍有涌砂涌水现象出现。按目前雨季资料测算，大量表水、泥砂集中渗入隧道内排泄，排量超过中心沟的25 000 m3/d泄水能力，因此在平行于隧道进口端新增一座泄水洞。通过泄水洞降低正洞地下水位，以减少或消除运营阶段涌水、涌砂病害。

6.5.1设置范围

隧道进口端于线路前进方向右侧30 m处设置一泄水洞，泄水洞洞口里程DK553+811，终点里程XSDK554+840，全长1 029 m。方便运输，于泄水洞线路前进方向右侧设错车道5处，间距约200 m，每处长30 m。见图8。为了保证排水效果，泄水洞坑底高程比相应的隧道正洞轨面高程低2.5 m。

图8　泄水洞与隧道平面关系示意(单位：m)

6.5.2泄水洞设置参数

泄水洞纵坡为5‰，断面净空尺寸为3.4 m(宽)×3.7 m(高)，见图9。泄水洞采用台阶法开挖，拱部采用φ42 mm小导管超前预加固，拱墙部位采用I16型钢钢架支护，二衬拱墙背后设置环向透水盲管，透水盲管采用φ100 mm单壁打孔波纹管。

图9　泄水洞典型断面(单位：cm)

6.5.3施工开挖及衬砌

泄水洞开挖、衬砌等施工工艺及控制措施等均比较成熟，此处不再赘述。

6.5.4其他配套施工

泄水洞洞口设置沉淀池，并设置C25混凝土排水明渠引排，排水明渠长约120 m，尺寸2.0 m(宽)×1.2 m(高)，沉淀池定期进行清淤。

D3K554+400～D3K554+500段正洞内泄水孔进行封堵处理，对应段泄水洞拱墙设φ80 mm单壁打孔波纹管外裹无纺布引水孔，引水孔间距2 m×2 m，引水孔长约5 m，将地下水引入泄水洞排出洞外。

6.6治理效果检查

监测结果表明：处于花岗岩全风化带段与处于大理岩蚀变带，在采取隧道底部钢管桩注浆加固、集中涌砂点前后15 m范围隧道周边采取袖阀管注浆加固后，未出现集中涌砂后应力、沉降急剧变化现象，断面隧道基底沉降量较小，隧道周边土体基本稳定，D3K554+410～+500段洞身周围土体基本无流失，治理达到预期效果。

7结语

(1)对隧道洞身周围土体采用φ70 mm袖阀管注浆加固、隧道底部采用φ75 mm钢管桩注浆加固后，隧道周边、基底围岩基本稳定。在全风化或蚀变岩体的涌水、涌砂地段采用上述加固施工技术是行之有效的。其注浆方案、工艺、参数选用等可为同类隧道工程借鉴。

(2)选择治理方案前一定要探明隧道地质构造，根据勘察结果早定方案、早治理。对于蚀变岩等特殊地质，设计、施工资料比较少的情况，建议选择工艺成熟、风险较小的加固措施。

(3)丰富的地下水和松散的颗粒是造成东科岭隧道涌水涌砂的主要要素，涌水涌砂会造成衬砌的耐久、可靠性及隧道基底的承载能力产生严重不良影响。水的问题是解决松散破碎围岩安全施工的最主要问题，在处理时必须加强对水的控制[11]。

(4)在全风化与蚀变岩地区施工，对于降水方案应慎重考虑。井点降水既是有效降低地下水位的方法，但也易形成涌水涌砂通道。采用井点降水，应采取措施保护滤网，同时要加强对地下水位的监测，如发现降水异常，及时采取相关措施，才能保证达到预期“留固排清”的降水效果。

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The Control of Sand-gushing and Water-bursting of Water-rich Tunnel Located in Area with Fully Weathered Granite and Alteration Marble

ZHOU Yun-xiang

(The China General Railway Corporation， Beijing 100038, China)

Abstract：The section DK554+400～+456 of Dongkeling tunnel on Guiyang-Guangzhou railway is located in the area with fully weathered granite and alteration marble. During the construction， sand-gushing and water-bursting often arise， not only increasing the difficulties but also posing long-term security risks. In view of the sand-gushing， water-bursting and other defects during the period of construction of the tunnel， it is effective to control sand-gushing and water-bursting through combination of plugging and drainage i.e. sleeve valve pipe grouting around the tunnel and steel pipe pile grouting at tunnel bottom， and setting-up drainage holes. The successful practices and technical parameters can be referred to similar project.

Key words：Railway tunnel; Water-rich area; Sand-gushing and water-bursting; Steel pipe pile grouting; Sleeve valve pipe grouting; Treatment

中图分类号：U45

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.022

文章编号：1004-2954(2015)06-0096-07

作者简介：周运祥(1972—)，男，高级工程师，1996年毕业于石家庄铁道学院交通土木建筑专业，工学学士，E-mail：wslzyx@126.com。

收稿日期：2014-09-16； 修回日期：2014-09-28