富水隧道带水作业规范化施工技术

翟建国 ZHAI Jian-guo

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原030024）

0 引言

随着交通行业的迅速发展，山区隧道建设规模逐渐增大，以满足选线的经济合理性，而山体内分布的断裂构造，尤其是部分隧址区处于区域性断裂带内，势必造成山体断裂构造发育，节理裂隙发育，给隧道施工带来了极大的困难和风险[1]，诸多工序将面临在富水的恶劣环境下进行施工，除涌突水达到一定程度而采用超前帷幕注浆措施外，其它不同程度的出水，都将采取带水作业，施工中涉及到在水量大、面积大、水压高等条件下的爆破钻孔、装药、爆破、拱架安装、连接筋安装焊接、锚杆钻孔及安装、钢筋网安装焊接、喷射混凝土、仰拱（整平层）及后注浆等工序，施工难度极大，能耗高、功效低、进度慢，随着气温的降低，施工难度将会更大。

1 工程概况

鸿图特长隧道全长6336m，最大埋深739.9m。2019年3月17日隧道出口端左线掘进至1306m时出现涌水；2019年4月27日隧道出口端右线掘进至1521m时出现涌水。右线涌水掌子面处于隧道反坡段，导致隧道内的渗水、涌水在重力作用下会顺坡往掌子面汇集。隧道在涌水初期，采取传统施工方式进行施工，施工效率低，能耗高，月平均进尺21m，喷射混凝土表面不平整[2-4]。

针对多断层富水隧道施工过程中的严峻考验及高风险作业，在鸿图特长隧道长距离富水段落施工中，结合长距离（2.0km）反坡排水，提出富水隧道规范化带水作业施工技术，降低了施工安全风险，并成功应用于隧道施工。

2 施工技术

2.1 技术原理

在超前帷幕注浆范围以外，通过规范爆破钻孔、装药、爆破、拱架安装、连接筋安装焊接、锚杆钻孔及安装、钢筋网安装焊接、喷射混凝土、仰拱（整平层）及后注浆等施工工艺，充分规避带水作业安全风险，最大程度提高施工功效，降低能耗，保证隧道施工安全、质量及进度，同时最大限度地保护了隧址区山体的生态环境及水系[5]。

2.2 施工工艺流程及操作要点

结合超前地质预报结果，且超前探孔单孔出水量小于3m3/h，综合考虑隧道掌子面、拱圈及底板出水范围及水量，采取带水作业方式进行隧道的开挖及支护作业。

2.2.1 施工准备

①收集带水作业中裂隙水分布范围、出水形式、水量、水压、围岩应力（岩爆段）等数据，绘制地质展开图，为后注浆做好准备。②做好防水板、注浆管、工字钢、钢筋等材料储备。③配备皮划艇、救生圈、雨衣（连体）、防滑鞋、药品、护目镜、烘干机、医疗应急物资准备、手电筒等，满足隧道操作工人需要。④按照反坡排水方案配置抽水泵、排水管道等物资，按出水量1.2倍进行配置。⑤检查施工用电缆线绝缘性能，照明灯具应做好防水。

2.2.2 超前地质预报

超前探孔按掌子面出水情况及预测覆盖范围，分为1孔和3孔两种形式。掌子面出水情况如图1所示。

图1 超前探孔出水情况

超前探孔（1孔）全断面布设1个，探孔长30～50m左右，采用φ76mm孔径钻机取芯，对TSP预测方法不良地质体的最后确认，可以获得地层、岩性、节理裂隙等特征，是一种直接有效的探水方法，结论直观、可靠，但成本较高对施工有一定干扰[6]。

超前探孔（3孔）覆盖范围更大，基本能够涵盖整个掌子面的出水及地质情况，同时，钻孔耗费时间也将更长。

2.2.3 超前钻孔泄水降压

利用全新智能型多功能钻机进行隧道超前钻探，钻孔数量不少于3个，孔深不低于40m，探明前方地质及水文情况，同时钻孔兼做泄水孔。超前钻孔泄水降压如图2所示。钻孔应在掌子面中下部施作，根据超前预报结果及围岩产状，布置钻孔位置和角度，钻孔角度范围呈发散型，从而充分穿越富水宽张裂隙，起到泄水降压目的。若3个泄水孔完成后，泄水效果仍不能满足开挖要求，需增加泄水孔数量[7]。水压较大钻孔，应在钻孔孔口预安装孔口管及高压闸阀，以备水压、水量测试及注浆使用。高压闸阀如图3所示。

图2 超前钻孔泄水降压施工

图3 高压闸阀

2.2.4 洞身开挖

①钻孔。

超前钻孔泄水降压后，以简易钻孔台车作为作业平台，利用YT28风动凿岩机进行钻孔作业。因水压大而无法钻进的孔位，应在周边继续开孔，以降低水压，水压降低后，钻孔至交底孔深。工人配备安全帽、连体雨衣、雨鞋及护目镜，并穿戴整齐，防止长时间皮肤被水浸泡而降低身体抵抗能力。因钻孔直径小，水压力相对较大，易发生钻机被顶出伤人事故，故工人作业时应站在钻机侧后方，并时刻保持警惕。钻孔作业如图4所示。

图4 钻孔作业

因风动凿岩机气腿需支撑在简易台车的平台钢筋网上，每层台架上根据掌子面出水位置，局部设置防水板，引排至下层作业空间以外，为下层作业人员创造良好的作业环境。

针对单侧水量较大、较难通过段落，可将开挖工法改为单侧壁导坑法施工，将涌水引至涌水较少一侧，先行开挖涌水侧，待涌水侧施工一定长度，再施工另一侧，如此反复向前掘进。单侧壁导坑法如图5所示。

图5 涌水段单侧壁导坑法施工

②装药。

因钻孔孔径小，装入炸药后，孔内过水断面减小，孔内裂隙水压力增大，装药时炸药易被冲出孔外。为保证炸药在孔内位置稳定，将炸药用防水胶带绑扎在钢筋上，同导爆索或雷管送入孔内，并在孔口处用木楔等将钢筋固定。除周边眼外，炸药应尽量避免切割，以保证孔内过水间隙，周边眼炸药切割后，应用防水胶带将小节炸药切割端头缠绕封闭后绑扎在钢筋上。

③爆破。

因孔内水压力大，炸药随时都有可能被冲出孔外而造成单孔失效，从而影响整个爆破网络起爆及爆破效果。装药及分区连线期间，由专职安全员安排人员撤离及警戒事项，完成连线后，应立即撤离掌子面，同时关闭通风风机及近距离水泵，由专职爆破员起爆，防止炸药冲出而带来的安全隐患。

④出渣（反坡）。

因掌子面爆破抛渣距离约为60m，反坡排水段落，出渣过程中，渣堆覆盖底板且掌子面挖掘机、装载机、出渣车等多机械作业，出渣过程中因水位上涨淹没出渣车排气管而无法连续出渣，为保证爆破～出渣过程中的抽水不间断，出渣过程中，需多次向前移动水泵进行不间断抽水，以满足出渣要求。为缩短出渣期间抽水时间，临时集水坑中水泵的抽水钢管应根据掌子面进度向前安装，保证固定在边墙上的钢质排水管端头距掌子面距离约30m。临时集水坑与泵站如图6所示。

图6 临时集水坑与固定泵站

掌子面后方应根据涌水情况，施作相应尺寸的临时集水坑，以拦截后方汇水，最后抽排至固定泵站，排至洞外。

2.2.5 初期支护

①接地处理。爆破开挖后，掌子面及整圈环向开挖面均裸露，裂隙水大量呈点滴～线流状～股状向下满布工作空间，开挖台车因淋水而易导电，开挖台车就位后，应设置至少两处接地，以保证淋水状态下电焊作业施工安全。

②钢拱架安装。在钢拱架背后分片铺设防水板或土工布，并用扎丝固定牢固，工人在防水板下进行安装纵向连接筋、铺设钢筋网、钻孔、安装锚杆等作业，保证作业安全。喷射混凝土前，在防水板与钢拱架间用高强砂浆垫块隔离。钢筋网按双层布设，内层焊接于钢架内侧，以增加喷射混凝土附着力。钢拱架安装如图7所示。

图7 钢拱架安装

为创造良好的施工环境，钢拱架安装后，应于围岩表面打孔、安装短钢筋固定排水半管，将裂隙水引至拱脚。对于股状集中出水，可通过安装排水钢管直接引至临时集水坑。股状集中出水处理如图8所示。

图8 股状集中出水处理

③预留注浆管。

钢拱架安装完成后，应根据围岩破碎及超挖情况，预留φ100mmPVC注浆管，注浆管穿过防水板，避免初期支护背后出现空洞及喷射混凝土与围岩不密贴的情况出现。

④喷射混凝土。因淋水状态下，喷射混凝土极难附着于岩面，且淋水～股状出水范围无法附着混凝土。利用钢拱架背后防水板喷射混凝土，形成受力拱圈，可最大限度减少喷射混凝土工程量，并缩短喷射混凝土作业时间，降低施工风险。初期支护完成后，通过注浆管泵送同标号混凝土填充初支背后空洞，按10m分段落进行泵送混凝土处理，填补初支背后空洞，保证结构安全。

2.2.6 仰拱（整平层）

整平层清底完成后，对节理裂隙走向及宽度、出水点及出水形式进行记录，按每5m一个断面编制地质编录展示图，以指导初期支护完成后的后注浆施工。为保证仰拱（整平层）的施工质量，富水段落的仰拱施工根据涌水量大小采用截流排放的方法，阻断仰拱两端水流流向仰拱，尽可能减少出水对仰拱施工的影响[8]。富水路段应加密纵、横向排水管（盲沟）设置，强化隧道排水体系。整平层混凝土浇筑前，对集中出水位置，设置横向排水管将集中出水引排至边沟，以保证混凝土施工质量。仰拱（整平层）混凝土浇筑完成后，应立即用彩条布等材料覆盖混凝土表面，避免初期支护表面点滴～线流状～股状水冲刷破坏混凝土。整平层开挖完成后，清理虚渣，统计出水部位，混凝土施工完成后，对底板出水点范围进行后注浆处理。

2.2.7 后注浆

设计反坡抽排水段落，应贯彻“以堵为主、限量排放”的原则。为减小隧道施工期间的排水压力，保证运营期间结构安全，根据不同涌水形式采取不通的封堵方式。为了尽量减少地下水资源的流失，采用限量排放的原则。在隧道施工过程中，施作初期支护后，如出现大面积淋水或严重渗漏水现象，采用全断面注浆止水；在隧道施工过程中，施作初期支护后，如出现局部大量涌水或严重渗漏水时，采用局部注浆止水[9]。注浆之前，应进行现场注浆试验，根据围岩情况确定注浆实际参数。后注浆参数：采用水泥、水玻璃双液注浆，终压可采用静水压力的1.5倍，且不低于2MPa。水泥浆水灰比1∶1，水玻璃模数为2.6，浓度为35Be'，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.3，缓凝剂掺量按水泥用量2%计列[10]。注浆顺序不宜采用单向推进压注方式，应按跳孔间隔注浆方式进行。宜从水头高的一端开始注浆。单孔注浆结束标准：注浆压力达到设计终压并继续注浆10min以上，或单孔注浆量与设计注浆量大致相同，且进浆速度小于20L/min，可以结束本孔注浆。注浆效果检查：一个注浆段的注浆孔全部注完后，钻检查孔对注浆效果进行检验，检查孔数量不少于总孔数的5%且不小于3个，并取岩芯观察填充情况，同时检查孔内涌水量不大于5L/min，否则应加密钻孔注浆，补充注浆[11]。根据已经绘制的地质编录展示图，富水段落按照围岩裂隙及断裂走向进行后注浆加宽处理，裂隙或断裂走向两侧根据裂隙水发育情况各加宽3～5m，并对注浆后仍存在的出水点继续进行后注浆处理，最终达到只存在点滴状裂隙水的目的。拱部后注浆施工按自两侧向中部、自下而上的顺序进行，注浆采用由易到难、由周边向集中出水点逐步压缩的方式进行，最终达到只存在点滴状裂隙水的目的。考虑行车因素，底板后注浆按半幅实施，半幅采取跳孔钻孔形式，孔深5m，间距3×3m，梅花针布置，即先实施一半孔数进行钻孔，钻孔完成后进行后注浆施工，再实施另一半孔数后注浆。半幅后注浆实施完成后，再实施另半幅底板后注浆施工。已完成初期支护及整平层施工的段落，在防水板挂设前，对初期支护及底板分段进行后注浆处理，因裂隙水力联系畅通，对应段落的初期支护和底板后注浆宜同时进行，防止裂隙水被挤压至拱圈，影响二衬结构安全。

3 结束语

鸿图特长隧道双线采用本技术后，月平均进尺达到83m，工程质量满足要求，施工进度得到了提高，工人身体健康得到了保障，反坡抽排水费用大大减少，降低了工程造价。通过与传统施工工艺对比，技术措施合理有效，能够有效地解决隧道富水段施工难题，山体地表生态环境得到了有效保护，并保证工程质量和施工安全[12]。该工艺适用于隧道出水水压及水量不满足超前帷幕注浆标准、裂隙水出水面积范围大、出水点分散的富水隧道施工。通过规范化施工工艺，规避了带水施工中的安全风险；通过后注浆工艺，封闭了初期支护背后节理裂隙，保证了二衬结构受力稳定；最大限度的保护了隧址区生态环境。