富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术

彭建军PENG Jian-jun

（中铁五局集团有限公司，长沙 410000）

0 引言

随着我国交通工程建设的高速发展，隧道工程占总体工程中的比例越来越高，遇到的富水软弱破碎岩层等复杂地质情况也逐渐增多；我国在隧道防止坍塌施工方面积累了丰富的工作经验，但在富水软弱破碎岩层固结处理方面还缺乏较有效的经验。本文从岑水高速均昌隧道施工过程，总结了帷幕注浆施工固结岩层的技术、开挖过程中辅助加固的措施，为今后隧道施工尽量减少各类灾害的发生，确保隧道建成后运营安全。

1 突泥涌水灾害及工程概况

1.1 工程概况

岑水高速是我国高速公路网南北主干线包茂高速极为重要段落，全长30.7km，为广西桥隧比（41.54%）最高的高速公路路段之一。均昌隧道为分离式小净距双向四车道特长隧道，左线起止桩号为DK6+450～DK10+730，长4280m，右线起止桩号为CK6+475～CK10+770，长4295m，两洞车道中心线间距为29m，净距为15m，净空（孔-宽×高）为1-10.75×5m。剩余未施工段落位于山心村下方，埋深约85-105m。属于微型盆地地形，具有极强的汇水能力。围岩为全-强风化花岗岩，岩层富水软弱、破碎且节理裂隙发育，区域内导水通畅。（图1、图2）

1.2 突泥涌水灾害概况

1.2.1 9.11突泥涌水灾害

2013年9月11 日，均昌隧道右洞进口开挖至CK7+837.5上台阶时，掌子面出现股状涌水，水柱最大高达80cm，最大突水量达1195m3/h，两天后，涌水量保持在695m3/h。隧道突水1d后，距离隧道掌子面790m外的地表存在塌陷、井塘已经干涸，突水11d后，掌子面上方地表也存在很大塌坑，而且洞内初支部位局部坍塌、初支变形且侵限严重，左洞初支变形更为明显，累计突水量达25×104m3，泥砂淤积约2500m3。（图3）

图1未贯通段示意图

图2包茂高速示意图

图3 突泥、涌水、地表塌陷情况

图4突泥、地表塌陷情况

1.2.2 9.19突泥涌水灾害

2014年9月19 日，均昌隧道左洞出口开挖至DK7+962.5时掌子面出现突泥，持续4小时，涌泥量约2900立方米。掌子面埋深100m，掌子面地表前方出现直径13m，深7m的塌陷坑。（图4）

1.2.3 5.1突泥涌水灾害

2015年5月1 日，掌子面上台阶处理完原涌水突泥段并推进至CK7+834.5里程，在初期支护施工时，上台阶右洞右侧拱脚处股状水外冒，直径约15cm，涌水量约38m3/h，封堵成功2小时后，涌水量增大，而且突破封闭砂袋及掌子面，涌水量增加至605m3/h。突水1d后，山心村村委会地表附近河流多处断流塌陷，突水4d后，原9.11突水涌泥地质灾害造成的原有地表塌陷处再次出现较深塌坑。直到5月9日，隧道掌子面右洞才得到有效的封闭，过程中累计涌水量达10×104m3，泥砂淤积约1000m3。（图5）

图5 突泥、涌水、地表塌陷情况

1.2.4 10.23突泥涌水灾害

2015年10月23 日，均昌隧道左洞出口上台阶掌子面处理原涌水突泥段并开挖至DK7+938.5时，掌子面再次出现涌水突泥，突泥时间持续5小时，涌水量最大达到650m3/h，突泥量约2500立方米。掌子面前方地表出现直径8m，深10m漏斗形的塌陷坑。（图6）

2 突泥涌水成因浅析

均昌隧道突泥涌水地质灾害发生与演化过程表明，富水地区破碎岩层隧道突泥涌水地质灾害具有突发性强、灾变进展速度快、次生灾害极为严重及影响范围大的特点。而通过系统的开展现场补充钻探与物探等工作，确定均昌隧道富水地区破碎岩层不良地质段发生涌水突泥灾害的因素如下：

图6突泥、地表塌陷情况

图7左右洞瞬变电磁探测

2.1 “V”型沟谷、微型盆地汇水地形

均昌隧道隧址位于中低山地貌区，由于长期的地质构造作用及地表流水的侵蚀作用，地形变化较大，山体体积大，山高陡坡，形成“V”型沟谷地势。该区域四周环山，中间相对平坦，形成微型盆地，汇水能力强，且汇水面积大，地表水补给地下水强度大。

2.2 导水通道分部广泛

经补充钻探、高密度电法等勘探工作表明，均昌隧道地质构造为近EW向富水风化深槽。曾经存在岩浆侵入与区域变质作用，在侵入岩接触带、地层接触界面发育成较畅通的渗流通道，同时，强~中风化花岗岩与风化石英岩脉同样具备良好的导水性，与风化的界面导水通道共同构成了涌水突泥通道，且分部广泛。

2.3 地表水与地下水极为丰富，且联系密切

隧址区域降雨十分丰富，年均降雨量约1500mm。根据均昌隧道几次突泥涌水掌子面上方地表的地下水位监控量测，发现随着涌水的增大，地下水位持续下降，导致地表塌陷，洞内涌水量减小，地下水位开始迅速回升，表明地表水与地下水联系密切。

2.4 岩层软弱破碎，自稳性能差

均昌隧道区域受地质构造和强风化作用影响，抢险段内围岩情况主要为全-强风化花岗岩，岩层破碎程度非常高，节理、裂隙发育，极度软弱破碎，自稳能力和承载能力差。在富水段浸水后其强度急剧降低，水稳定性较差。

3 岩层帷幕注浆固结施工技术

3.1 固结方案及治理体系

由于隧道开挖时，洞内富水且水压高，围岩自稳能力差，遇水溜塌，甚至发生突泥涌水灾害；故在隧道开挖前必须对均昌隧道周边围岩预加固处理，以改善围岩的物理力学特性，从而提高隧道围岩的稳定能力。鉴于均昌隧道特殊的地质条件和岩层特性，以及经济投入、运营安全等多方面考虑，对地面帷幕截流法，冷冻法，洞内超前帷幕注浆法，长管棚加小导管法，引排强挖法等方法做了对比分析，最终确定为洞内全断面帷幕注浆法。这一方法能从根本上阻断水力补给通道，实现围岩的系统性加固，保障隧道建设期和运营期安全，且造价适中，工期可控。在治理过程中建立“理论指导，方案可行；先固后挖，稳步推进；疑点必究，及时治理”综合治理体系。

3.2 全断面帷幕注浆施工技术

3.2.1 超前地质预报及水平超前探孔

均昌隧道未贯通段的工程地质和水文地质条件极端复杂，为了进一步探明隧道为贯通段掌子面前方的构造破碎带、软弱夹层及地下水埋藏和分布等，为地下水封堵、围岩加固及隧道开挖掘进提供技术参考，对未贯通段左右洞通过瞬变电磁法、陆地声纳法、微分电测探法等方法进行超前地质预报，在帷幕注浆过程中也采用水平超前钻探孔进行验证。（图7）

3.2.2 帷幕注浆材料的选择

在突泥涌水隧道灾害的综合治理工程中，常用的注浆材料主要有水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆等。通过物探及水平钻孔揭露的地质条件及涌水情况，只采用上述材料难以治理，特别在涌水量大的情况下无法封堵，所以需采用一种能快速封堵涌水量大的浆液。GT液是山东大学自主研发的一种膏状注浆材料，他与水泥浆液混合而成的双液浆具有扩散控制性好、初终凝时间可调、动水抗分散、早期强度高等优点，能快速的封堵涌水量大、水压大的注浆孔。

图8全断面帷幕注浆开孔示意图

图9帷幕注浆分段剖面示意图

图10帷幕注浆终孔位置浆液扩散交圈示意图

3.2.3 帷幕注浆参数的确定

根据不同的地质条件和涌水情况，以及多次的注浆开挖实践，每循环的注浆段长度控制在15-20m，帷幕厚度5~8m。浆液的有效扩散半径按2m计算，注浆终孔间的距离按照1.5倍的浆液扩散半径进行控制。均昌隧道抢险段的涌水压力月0.65MPa，孔深0～6m注浆压力控制在2.5MPa内，孔深6～12m注浆压力控制在4.0MPa内，孔深12m以上注浆压力控制在5.0MPa内，特殊情况下，根据止浆墙是否开裂、单孔出水量大小进行调整，避免初支、止浆墙、工作平台开裂等变形过大。水泥浆液水灰比采用1:1及1:0.8两种，双液浆的参配比例在1:1~5:1之间。

3.2.4 帷幕注浆钻孔注浆施工

在止浆墙上均匀分布钻孔孔位，有A、B、C、D、E五环，钻孔由内向外、由下至上的顺序依次进行，同一圈无水及无塌孔现象时，可隔孔钻孔注浆，若遇富水破碎地段需减少段距，重点治理该区域。钻孔过程中控制孔位准确及角度偏差，孔口管安装牢固。施工时详细记录涌水、塌孔、卡钻、断层、岩性变化等有关情况，为注浆提供参考数据。（图8-图10）

3.2.5 帷幕注浆效果检测

全断面帷幕注浆完成后，在开挖之前，需对注浆效果进行全面检测评定，看是否能达到开挖条件。检测采用瞬变电磁探测法、检查孔观察法、涌水量对比分析法、钻孔P-Q-t曲线法等方法。

①瞬变电磁法分析判断注浆长度段围岩内是否含有富水区域，若无则注浆满足要求，可以开挖。

②检查孔观察法主要是通过仔细观察检查孔完整，无涌水、涌泥、涌砂，且放置一段时间无塌孔，不产生涌水、涌泥、涌砂，则证明注浆效果满足要求，可以开挖。

③涌水量对比分析法标准是每孔每延米涌水量小于0.20L/min·m且单孔涌水量小于3L/min，若满足以上两点，证明注浆效果满足要求，可以开挖。

④钻孔P-Q-t曲线法即对设计好的检查孔进行钻孔注浆试验，通过设计好的检查孔P-Q-t曲线特征，从而来判断注浆最终效果，检查孔P-Q-t曲线应比正常注浆时曲的线形态要陡，注浆5~10min后，注浆压力值与注浆流量Q值都应该达到设计终压值，证明注浆效果满足要求，可以开挖。

4 隧道开挖及辅助措施

4.1 隧道抢险段开挖

①隧道抢险段为Ⅴ级围岩，是富水软弱破碎岩层，故选用三台阶七步法开挖，在上台阶处预留核心土。

②开挖支护每榀0.5m，初支采用Ⅰ20工字钢、双层ϕ12钢筋网片，C25喷射砼封闭成环；开挖后应立即初喷厚度为3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。

③中台阶和下台阶左侧及右侧开挖必须错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为2～3m；仰拱必须紧跟着下台阶施工，快速的闭合构成稳固牢靠的支护体系。

④施作超前小导管时，严格控制好超前导管外插角；上台阶连接板处加焊16槽钢纵梁，钢架脚趾应落在坚实的基础岩面上，并加垫45cm长30槽钢，严禁拱（墙）脚拱架悬空或采用虚土进行回填的方式处理；钢架与钢架用M20高强螺栓连接牢固，钢架与锁脚锚杆通过Φ22“L”型钢筋焊接牢固。

⑤仰拱初支每段施工长度3m，与掌子面保持距离不大于20m。

⑥二衬施工每段长度12m，与掌子面距离不大于40m。

⑦施工过程中按照Ⅴ级围岩的频率对初支进行拱顶沉降、周边收敛监测。

⑧施工过程中及时完善洞内在开挖前的临时防排水系统，严禁洞内积水浸泡隧道两侧拱（墙）脚及让积水在施工现场任意漫流，防止基底承载力降低。当地层洞内的含水量大时，在掌子面的上台阶开挖工作面底面附近开挖横向水沟，将掌子面前方水引至隧道两侧做好的排水沟排出洞外；进口为反坡施工时，在仰拱端头开挖集水坑将水集中抽排至洞外。

4.2 开挖过程遇到问题的辅助措施

帷幕注浆存在时效性，特别是在雨水季节，帷幕注浆外的岩层中的水会慢慢渗透至掌子面，然而在开挖过程中，掌子面、初支也会存在渗水甚至冒水溜塌现象，所以需要采取其他的辅助措施。

①初支渗水，采用小导管径向补充注浆的方法将水源通道封堵，加固已初支支护的围岩。

②初支下沉、开裂，采用Φ108钢管大锁脚锁住拱架，并注浆加固岩层，每根6m，间距0.5m。

③开挖过程中，掌子面前方存在冒水溜塌现象，采用钢筋网片及喷射砼封堵后，难以开挖，大型机械又难以进入钻孔注浆，故采用风钻打孔，威德克等其他化学注浆液，小型的ZBQ-5/12型注浆泵快速的补充注浆封堵掌子面前方，再继续开挖，以此类推，但不能超出原定的开挖长度。

④初支渗水、拱脚冒水较严重，采取初支侧方钻探泄水孔引排，确保开挖时岩层稳定，安全可靠。（图11-图14）

图11径向补充注浆施工

图12大锁脚钻孔注浆施工

图13威德克化学浆液补充注浆

图14钻探泄水孔引排水

5 结论

岑溪至水汶高速公路均昌隧道，为全-强风化花岗岩、富水地区、岩层破碎软弱、节理裂隙发育，治理非常困难。在治理过程中，通过多种超前预报及理论分析，采用不同注浆材料和工艺，对富水软弱破碎岩层的均昌隧道进行治理并得到了有效控制。本文对突泥涌水灾害的成因及综合治理技术进行了深入总结，并建立了“理论指导，方案可行；先固后挖，稳步推进；疑点必究，及时治理”综合治理体系，先后实现了左右洞的贯通，确保了总体施工计划的实现，为今后富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工提供了有效的施工经验。