笔架山隧道突泥涌水段管棚穿越施工技术

韩劲松

中铁十四局集团第一工程发展有限公司 山东 日照 276826

正文：

1 工程概况

1.1 原设计情况

广东仁新高速公路笔架山隧道进口位于始兴县城南镇胆源村，出口位于始兴县深渡水乡。隧道位于中低山地貌区，隧道范围内地表中线高程约220.1～735.1m，相对高差515m。隧道走向与山脊走向斜交。隧道长3800m，右线长3793m，最大埋深约 473.04m，属深埋特长隧道。

原设计笔架山隧道在Z K 2 7 4+6 0 5～Z K 2 7 4+6 5 5及YK274+605～YK274+655段穿越一条断层破碎带，左洞埋深在300～330m之间，右洞埋深在325～355m之间，左、右洞线间距约40m，洞身主要为构造角砾岩，岩体破碎，围岩自稳能力差。原设计左洞ZK274+605～ZK274+655段50m为断层破碎带，衬砌类型为XS-Ⅴb；ZK274+655～ZK274+680段为正常路段，衬砌类型为S-Ⅳc。原设计右洞YK274+605～YK274+655段50m 为断层破碎带，衬砌类型为XS-Ⅴb；YK274+655～YK274+680段为正常路段，衬砌类型为 S-Ⅳc。具体详见下图1。

图1 断层破碎带纵断面图

1.2 突泥涌水情况简介

笔架山隧道进口右洞掌子面施工至YK274+610时，掌子面拱顶偏右突发突泥，将掌子面上、中、下台阶及仰拱全部覆盖，覆盖层厚2～2.5m，突泥物主要为流塑状断层角砾岩碎屑及断层泥，方量约1500m3；在应急处治过程中掌子面再次发生小型突泥，突泥量约600m3。

笔架山隧道进口左洞掌子面施工至 ZK274+649时，连续数日基岩裂隙水极发育，多处呈股状涌出，现场打设超前探孔时水压力较大，探孔内有大量浑浊水喷出，后逐渐变清，但水量无明显减少。

2 应急处治措施

2.1 YK274+610 突泥掌子面

⑴暂停右洞掌子面施工，采用回填洞渣置换法清除突泥；同时用硬质洞渣对掌子面20m范围进行分台阶回填反压：距掌子面5m范围填满，向斜上方突泥口内预埋2根混凝土泵管，洞渣内水平预埋Φ50mm注浆钢花管；下台阶上预留超前水平钻孔通道。

⑵将反压回填洞渣满洞渣的掌子面用1m厚的喷射混凝土封闭，并利用预埋的钢花管注双液浆将回填洞渣固结，形成6m厚的止浆墙。

⑶用预留泵管向突泥口内部空腔泵送 C20 素砼回填。

⑷利用超前水平钻、HSP 超前地质预报等手段对掌子面前方地质情况进行补充勘探。

2.2 ZK274+649 涌水掌子面

暂停左洞掌子面施工，采用采用喷射砼封闭，利用超前水平钻、HSP 超前地质预报等手段对掌子面前方地质情况进行补充勘探。

3 成因分析

3.1 水平钻探结果及超前地质预报分析

结合现场实际情况，左洞、右洞分别进行了8个和10个水平地质钻孔。水平钻探与超前地质预报结果显示：

ZK274+649 掌子面前方2～6m开始持续出水；前方10～25m岩体极破碎，岩质软，多处发育空腔及断层泥，地下水极发育；前方28～54m岩体破碎，岩质较软，局部发育空腔及断层泥。

YK274+610掌子面前方0～15m岩体破碎，岩质软，多处发育空腔及断层泥，地下水极发育；前方30～50m岩体破碎，岩质较软，局部发育空腔及断层泥。左、右洞软弱地段位置如下图2。

图2 左、右洞软弱地段平面图

3.2 突泥、涌水成因分析

结合现场的泥块样本来看，本次涌泥主要是由母岩（砂岩）碎裂成角砾，再被原地堆积、胶结而成的角砾岩在高压、水浸的作用下液化形成的流体物质。由于断层裂隙水量较大，受埋深影响(该处埋深 320m，属于承压富水段落)，泥水、角砾岩混合填充物具有较大液态压力，最后被开挖作业揭示，产生突泥涌水现象。

4 突泥、涌水处理方案

4.1 超前支护方案比选

为安全通过此涌泥、突水段落，有中管棚+超前小导管和帷幕注浆止水结合超前小导管两种超前支护方案。

方案一：中管棚+超前小导管

在左右洞各采用2段中管棚搭配小导管的方式度过不良地质区域。加固段落为 ZK274+649～ZK274+704、YK274+610～665共110m。管棚采用φ89mm，壁厚8mm钢管，每组管棚长为30m，左右洞各施工两组，中间搭接5m，管棚环向间距40cm。并按掌子面前方有无空腔，分为2种情况考虑。

情况 A：掌子面前方有涌泥后形成的空腔。即右洞第一组中管棚30m 段落，设置Φ50 双层（角度分别为15°、45°）小导管，以保证注浆充分、饱满。

情况 B：掌子面前方未经过开挖扰动，无空腔。即右洞第二组中管棚与左洞第一、第二组中管棚共 90m 段落，设置Φ50大角度（30°）单层小导管。

方案二:帷幕注浆止水+超前小导管

在左右洞各采用 2 段帷幕注浆搭配双层小导管的方式度过不良地质区域。加固段落为 ZK274+649～ZK274+714、YK274+610～675共130m。帷幕注浆每段长35m（开挖段30m），注浆止水完成后，再施做设置Φ50 双层（角度分别为15°、45°）小导管。

两方案比较，帷幕注浆方案止水效果较好，但费用高，对施工工艺的要求较高。止水如果失败，则后期处理费用、施工风险与工期消耗都会大幅上升。综合考虑，推荐中管棚+超前小导管方案（方案一）。

4.2 后续施工方案及预案

⑴ 采用Φ50注浆小导管替代系统锚杆进行洞身加固。

Z K 2 7 4+6 4 9～Z K 2 7 4+6 7 9（段落长度3 0 m）、YK274+610～YK274+640（段落长度30m）段初期支护将原设计药卷系统锚杆变更为长度5m的Φ50 注浆小导管；

Z K 2 7 4+6 7 9～Z K 2 7 4+7 0 4（段落长度 2 5 m）、YK274+640～YK274+665（段落长度25m）视后期开挖揭示情况，动态确定是否将药卷系统锚杆变更为长度5m的Φ50 注浆小导管。

⑵ 根据后期开挖揭示情况，动态确定是否增加隧底注浆堵水方案。

⑶ 根据现场地质情况实时动态调整复合式衬砌支护类型。

⑷ 对于现场揭示发育有空腔段落，根据空腔大小采用注浆或泵送混凝土填充。

5 施工要点

5.1 管棚施工

洞内超前管棚布置情况详见图3。

图3 管棚超前管棚布置图

5.1.1 导向墙施工

导向墙采用双拼I22工字钢焊接而成，在工字钢腹部割孔，以便钻杆、管棚钢管穿过。

安装前测量放样，严格按照放样点安装，并将底脚处的虚渣及其他杂物彻底清除干净，导向墙安装应确保两侧拱脚必须放在牢固的基础上；脚底超挖、拱脚标高不足时，应用喷射混凝土填充；当拱脚处围岩承载力不够时，应向围岩方向加设钢垫板、垫梁或浇注强度不低于C20的混凝土以加大拱脚接触面积；钢架安装时应垂直于隧道中线，竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲。

5.1.2 管棚钻孔及钢管安装

采用潜孔钻机钻孔，钻进并安装管棚钢管，采用跟管法施工。管棚应按设计位置施工，钻孔采用跳孔打设，钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，采用跟管法施工，每钻完一节安装一节管棚钢管。送管完成后，钢管与孔壁间空隙用麻丝和锚固剂堵塞严密，防止漏浆；同时管口设置注浆孔阀门及排气口阀门。

5.1.3 管棚注浆

采用双液注浆机将水泥浆-水玻璃浆液分段注入管棚钢管内，425水泥浆液中添加5%的水玻璃，水泥浆的水灰比为1:1，水玻璃浓度为35波美度，水玻璃模数为2.4，初压宜0.5～1.0MPa，注浆量按0.15m3水泥浆/1mφ89mm钢管计算。为了防止注浆过程中发生串浆,每钻完一个孔，随即就安设该孔的钢管并注浆，然后再进行下一孔的施工。注浆结束后，及时将管口封堵，以防浆液倒流管外。

5.2 超前小导管施工

右洞第一组管棚采用双层超前小导管，其他三组管棚采用单层超前小导管。双层及单层小导管布置见下图4和图5。

图4 双层小导管设置图

图5 单层小导管设置图

5.3 突泥、涌水段洞身施工

洞身开挖在管棚及超前小导管预支护后进行，采用三台阶预留核心土法施工。

按照施工顺序分上、中、下三台阶实施分部开挖，上台阶高度4.0米，中台阶高度3.45米，下台阶直接开挖至填充面顶部，最后进行隧底开挖。

5.4 预案的实施情况

⑴Z K 2 7 4+6 7 9～Z K 2 7 4+7 0 4（段落长度 2 5 m）、YK274+640～YK274+665（段落长度25m）开挖开挖时，围岩较为破碎，且岩质软弱，局部夹泥，出水量较大。将药卷系统锚杆调整为长度5m的Φ50 注浆小导管对周边围岩进行注浆固结、堵水。

⑵仰拱开挖时，虽然基地围岩一般，但渗水量不大，故没有实施隧底注浆堵水方案。

⑶根据现场地质情况实时动态调整了复合式衬砌支护类型。

ZK274+649～ZK274+655段支护类型由XS-Ⅴb调整为XS-Ⅴa，ZK274+655～ZK274+679段支护类型由S4c调整为XS-Ⅴa，ZK274+679～ZK274+680段支护类型由S4c调整为XS-Ⅴc，ZK274+680～ZK274+704段支护类型由S3b调整为XS-Ⅴc。

YK274+610～YK274+640段支护类型由XS-Ⅴb调整为 XS-Ⅴa，YK274+655～YK274+665段支护类型由S4c调整为XS-Ⅴc。

⑷对于现场揭示发育有空腔段落，采用了注浆或泵送混凝土填充手段予以填充。

6 结束语

经过近两个月时间的紧张作业，ZK274+649～ZK274+704、YK274+610～YK274+665段突泥、涌水不良地质段顺利通过。最终监控量测数据显示，以上两段共计24个断面沉降最大值为3.2cm，远小于沉降预留量25cm。后续二衬施工完毕后，也没有异常情况发生。为同类工程施工做了很好的示范，积累了成功的施工经验。