向斜储水构造隧洞开挖涌水塌方治理研究

李庆国

(鄂北地区水资源配置工程建设与管理局(筹),湖北 武汉 430000)

0 引 言

隧洞开挖过程中发生涌水、塌方事故将严重影响工程的施工安全以及成本控制,确立经济有效的隧洞涌水、塌方治理技术,对隧洞掘进施工意义重大。目前关于隧洞涌水、塌方治理技术已有较多的研究成果,梅争贵、包德勇、郭小红等[1-3]研究了隧洞涌水塌方治理技术,采用了固结灌浆、超前支护等针对不良地质洞段的有效措施;蒋国云[4]基于诱发深部岩溶隧道突水灾害风险因子群的识别,得到了岩溶突水的安全性参评指标并构建出评价指标体系;杨会军等[5]研究了隧洞监测及预报技术以指导隧洞施工;李术才、刘招伟等[6-7]研究了隧洞注浆扩散机理及封堵技术。

本文以鄂北地区水资源配置工程凤凰寨隧洞为例,综合分析涌水塌方原因,提出输水隧洞施工过程中针对涌水、塌方问题的处理方案,可为类似隧洞的涌水塌方治理提供参考。

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程凤凰寨隧洞位于湖北省广水市,隧洞总长10.153 km。隧洞线路走向总体从西北向东南,方位角S42.39°～63.62°E。隧洞设计引水流量7.4 m3/s,进口底板高程103.49 m,出口底板高程102.43 m,设计纵坡为1∶9 600,设计断面尺寸为标准圆拱直墙型,开挖断面尺寸(宽×高)为(4.2～4.6) m×(4.671～5.190) m,成洞洞径为3.5 m×4.14 m(宽×高)[8]。凤凰寨隧洞典型断面如图1所示。

图1 凤凰寨隧洞典型断面(尺寸单位:mm)Fig.1 Typical section diagram of Fenghuangzhai Tunnel

2 工程地质条件

隧洞沿线地面高程118.5～344.0 m,相对高差约225 m,为丘陵地形,地形坡度以小于15°为主,山顶浑圆,地表冲沟地貌发育。工程区属秦岭褶皱系一级构造单元,隧洞位于北大巴山-随县加里东褶皱带(二级)、随县-会寨复背斜(三级)、关庙倒转复式背斜(四级)与关庙倒转背斜北翼。隧洞轴线与褶皱轴向呈小角度斜交。隧洞主要穿越4条区域断层。穿越地层岩性主要为震旦-青白口系白兆山组(Z2b)黑云母片岩、钠长片岩夹条带状、透镜状大理岩;震旦-青白口系岔河组(Z2c)钠长片岩及震旦-青白口系随县群垸子湾组((Qn-Z1)y)绢云钠长片岩。凤凰寨隧洞地质构造示意如图2所示。

图2 凤凰寨隧洞地质构造示意Fig.2 Geological structure diagram of Fenghuangzhai tunnel

隧洞沿线地下水类型为孔隙水、基岩裂隙水及岩溶孔隙水。孔隙水主要分布在第四系松散堆积物中;基岩裂隙水主要分布在基岩的构造裂隙、风化裂隙中,水量较贫乏,且不均衡,主要靠大气降水补给,河床为其排泄基准面;岩溶孔隙水主要赋存于大理岩中,由于岩性的不均一,岩溶总体呈弱发育,富水性中等-贫乏,为条带状分布。地下水水位高程116.34～144.10 m,凤凰寨隧洞处于地下水水位之下,最大深度约40 m,地表水仅通过大理岩岩溶孔隙与隧洞存在弱联系。

凤凰寨隧洞220+470～220+650段岩体岩性为震旦-青白口系白兆山组中厚层大理岩夹薄层片岩,呈弱-微风化,岩石为中硬岩夹较软岩,隧洞走向138°,有向斜褶皱发育。北翼片理产状为175°∠35°,南翼片理产状350°∠52°。向斜为良好的储水构造;大理岩条带真厚度约50 m,主要为厚层大理岩夹薄层片岩,大理岩顶、底均为白兆山组薄层黑云母片岩、钠长片岩,大理岩溶蚀孔隙发育,连通性好,为储水岩层,顶底片岩为隔水层。隧洞开挖大理岩段易发生涌水险情;由于洞室穿越向斜核部,其核部褶皱及裂隙极发育,开挖过程中易出现塌方险情。

隧洞220+555～220+562段为向斜构造核部转折端,小型褶皱极发育,节理裂隙发育,围岩较破碎,局部极破碎,大理岩与片岩接触面顺层裂隙有线状流水现象,水流总量约5 L/s;本段围岩类别为Ⅳ类,围岩不稳定。220+578～220+625段褶皱发育,大理岩有小溶孔溶隙发育,大理岩与片岩接触面顺层裂隙有线状流水和股状涌水现象,其中220+578～220+585段水流量约为33 L/s,桩号220+585附近拱顶出现塌方现象;本段围岩类别为Ⅳ类,围岩不稳定。

3 塌方涌水情况及原因分析

2018年8月14日,施工至桩号220+555～220+562时,隧洞顶拱部位出现涌水,流量约为18 m3/h。掌子面揭露围岩岩性为厚层大理岩夹片岩,围岩褶皱发育,局部褶皱发生错断,岩体破碎。按照Ⅳ类围岩采取加强支护措施,将流水引至两侧,加强洞内排水。2018年8月18日施工至桩号220+582～220+585段,进行6 m深探孔及爆破钻孔时无明显渗水现象;爆破完成后,进行排险处理时,掌子面后方顶拱部位出现频繁掉块现象,随后发生涌水,现场暂停施工,并将施工人员撤离现场。2018年8月20日,220+583～220+585段顶拱塌方,并伴有明显股状涌水,涌水水压小于0.01 MPa,涌水流量为120 m3/h,顶拱塌方高度约2.5～3.0 m。

隧洞桩号220+470～220+650段向斜构造为良好的储水构造,且隧洞位于地下水位以下,深部向斜构造大理岩所储地下水存在一定承压性质,向斜翼部大理岩出露地表;地下水通过岩溶孔隙与隧洞存在一定水力联系。厚层大理岩多夹片岩,层理构造极发育,岩体受褶皱影响,裂隙极发育。大理岩的岩溶总体发育程度较弱,岩溶裂隙富水性中等,呈中硬岩,岩层软硬相间,围岩质量分布极不均匀,互锁能力弱。片岩为强水敏性岩石,经长期浸水软化,为极软岩;在地下水的长期作用下,岩层互锁能力进一步减弱,在隧洞开挖过程中,有滴水、线状流水、股状涌水现象,并常发生剥落、坍塌等;此外,围岩片理走向与洞轴线交角一般为13°～28°,不利于隧洞整体稳定。层状大理岩裂隙发育,层状结构未破坏时,层状结构内岩块呈镶嵌结构,具有一定强度,但当爆破临空面形成,且受异常水压冲击或局部岩块松动,岩层原有平衡将被破坏,致使整层大理岩发生垮塌。隧洞掘进至该区域时,洞室顶拱岩层裂隙发育并伴有地下水涌出,地下水与其他不利地质条件共同作用,导致拱顶失稳并最终造成塌方。

4 处理措施

隧洞涌水塌方问题出现后,施工人员携带设备撤离掌子面,因涌水量过大,超出隧洞临时排水能力,计划在洞内水量疏排后且涌水量有所减小再行施工。然而,经过14 d,涌水量未减小。分析认为涌水塌方的主要原因是洞室开挖后,该段褶皱发育,而大理岩为刚性岩石,褶皱段发育大量裂隙,层状岩层由裂隙切割成大小不等的块体镶嵌排列而成,层状大理岩层面间多有片岩或泥化片岩夹层,当岩层局部块体松动,岩层极易沿层理面整体脱落诱发塌方。此外,该涌水段位于地下水位以下,向斜构造为良好的储水构造,且该段大理岩直通地表。一方面,地下水通过向斜构造持续补给;另一方面,该段隧洞施工期间施工现场降雨较多,隧洞可通过地表降水等直接补给地下水。涌水补给充足,等待水量减小或排空几乎不可能,也有违新奥法施工原则,且不做处理的情况下,半填充状态的溶蚀大理岩填充物被水流带出,形成管道型涌水通道,可能导致更大突涌灾害;片岩为强水敏性岩石,极易软化,大理岩局部夹片岩夹层受地下水持续浸泡侵蚀,岩体整体强度降低,可能导致塌方段进一步扩大。根据洞室变形观测,在14 d时间内,涌水塌方段无明显变形,因此根据现场的地质条件,以加强排水方案进洞施工,并按Ⅴ类围岩加强支护措施,在塌方段设置超前小导管支护,具体方案如下。

(1) 洞内排水和监测。定期观测围岩出水情况,增加洞内抽排设备,加强洞内施工抽排水,避免隧洞围岩积水浸泡,保证正常施工。

(2) 塌方出水上游5 m洞段(桩号220+578～220+583):顶拱、边墙采用系统锚杆Φ22 mm,长度L=2.0 m,间排距1.0 m,梅花形布置,锚杆尽可能垂直节理裂隙面布设;顶拱、边墙挂网Φ6.5 mm@15 cm×15 cm,喷16 cm厚C25混凝土;采用I16钢拱架支护,榀距0.5 m,间距根据现场情况适当调整。对钢拱架拱脚处进行混凝土地梁加固处理,地梁具体尺寸为0.4 m×0.3 m(高×宽),必要时利用型钢全断面封闭。在塌方空腔体拱架处布置一排Φ42 mm小导管,长度6 m,环间距0.3 m,小导管前端2 m采用花管,外倾角5°左右;在靠近塌腔的第二榀拱架处布置一排小导管,外倾角为10°～15°,其他参数相同。

(3) 塌方出水段(桩号220+583～220+585):在已安装固定好的小导管上部覆盖薄钢板或者铁皮,并用铁丝固定,将出水引至洞内两侧通过隧洞抽排水系统排至洞外。同时,在塌方体左右两侧从上至下紧贴岩壁布置2道聚丙烯盲沟管。边墙采用系统锚杆Φ22 mm,L=2 m,间排距1.0 m,梅花形布置,挂网Φ6.5 mm@15 cm×15 cm,在顶拱塌腔周边合适位置布设随机锚杆Φ22 mm,L=2.5 m,外露长度50 cm。采用I16钢拱架支护,榀距0.5 m,间距根据现场情况适当调整。钢拱架与桩号220+578～220+583相同。待塌方段支护施工完成后,利用预留的混凝土注浆管及时对已经形成的空腔部分进行混凝土回填,最后在混凝土和围岩之间进行回填灌浆(图3)。

图3 凤凰寨隧洞220+583～220+585段塌方处理设计(尺寸单位:mm)Fig.3 Design of collapse treatment for 220+587～220+583 section of Fenghuangzhai Tunnel

(4) 塌方出水段下游5 m洞段(桩号220+585～220+590):在塌方段处理完毕之后,采用超前钻孔进行探测,在掌子面顶部、中部的左、右两侧布置3个探孔,孔深不小于10 m,并采取物探方法探测掌子面前方围岩以及赋水情况。桩号220+585～220+590洞段的支护参数与220+578～220+583洞段相同。在桩号220+585附近钢拱架顶拱布置一排Φ42 mm超前小导管,小导管长度6 m,间距0.4 m,外倾角5°左右。必要时利用小导管注浆,对顶拱围岩进行加固。该洞段爆破循环进尺不大于1 m。

(5) 安全监测。为及时观察隧洞塌方段围岩变形情况,在隧洞桩号220+580、220+595处设置临时监测断面,进行隧洞断面收敛变形监测,当观测相对收敛值超过0.2%时,施工人员及时撤出并报告参建各方。

(6) 隧洞固结灌浆。隧洞在施工通过涌水塌方洞段后,对此段隧洞进行固结灌浆加固处理,固结灌浆孔孔径为50 mm,采用Φ50 mm、长4 m的花管,灌浆方向与隧洞开挖面垂直,灌浆孔间排距3.0 m,梅花形布置。灌浆料采用净水泥浆,浆液水灰比变化范围为 0.45∶1～0.65∶1,根据地下水埋置深度及涌水水压情况,灌浆压力宜大于外水压力0.2～0.3 MPa,灌浆压力宜控制在0.3～0.5 MPa,根据现场实际情况具体确定其压力。为保证后期隧洞衬砌安全,在隧洞顶拱设置排水孔减压。

5 施工效果

按照设计方案,进洞后先对塌方段影响带220+587～220+583段围岩扩挖,并进行拱架支护,以防止塌方段扩大,保证施工安全。随后在塌方段进行小导管施工,并上挂薄钢板导水,边墙采用锚杆加喷混凝土加固,安装拱架,整个施工过程加强导排水;支护结构施工完成后,在塌方段充填混凝土。待混凝土强度达到设计强度后,在保证排水有效的情况下,对塌方段影响带220+585～220+590段进行超前地质预报,以短进尺、拱架支护通过隧洞;固结灌浆加固后,隧洞渗水量明显减少。涌水塌方处理全过程历时11 d。隧洞典型断面安全监测结果(图4)表明:塌方段变形量为2.3～5.1 mm,洞顶相对变形量0.052%～0.116%,隧洞变形量小于规范允许值,隧洞变形趋于稳定,处理效果良好。后续施工采用超前小导管先进堵水,及时排水。通过采取短进尺、加强支护等措施,后续施工进展顺利。

图4 220+580断面收敛监测变形曲线Fig.4 220+580 section convergence monitoring deformation curve

6 建 议

(1) 向斜储水涌水洞段处理的首要任务是排水减压。处理洞内水时应遵循“排堵结合、限量排放”的原则,及时对涌水洞段进行灌浆处理。可采用聚丙烯盲沟管处理涌水部位,将顶拱塌方处的涌水沿洞室边墙引至集水井。安全开挖通过后,后续施工洞段应预留或打设排水孔,以减小水压对洞室稳定的影响。

(2) 对于由岩层水平片理构造而非大断层或破碎带造成的洞室顶拱塌方,可采用超前小钢管的强支护配合常规拱架及锚喷支护手段来通过塌方段,钢管棚护作用明显。利用超前小钢管进行注浆(即超前小导管注浆),以固结顶拱破碎岩体。超前小导管方案施工工期短,且经济合理。

(3) 洞内塌方涌水等问题,应以预防为主。针对不良地质洞段,除了控制每循环进尺,还应及时采取超前探孔或超前物探等超前地质探测措施,探明前方围岩地质条件,以便提前采取措施应对突发情况。

(4) 对于塌方段前后影响带,应采取拱架、锚杆、挂网喷混等强支护措施,在清楚分析原因的情况下尽快组织施工,避免塌方段扩大。

(5) 固结灌浆能有效提高围岩自稳性。花管灌浆施工简单,但易产生冒浆现象,因此作业时应控制好灌浆压力并选用合适的灌浆方法。

7 结 语

断层带、向斜褶皱在补给条件较好的条件下易形成储水结构,隧洞施工在穿越此类地层时,容易发生涌水灾害,进而在水压力作用下发生塌方。处理涌水塌方一般采用固结灌浆封堵,加上超前支护、拱架支撑等强支护措施,同时在超前地质预报基础上,通过短进尺、弱爆破预防涌水塌方。鄂北地区水资源配置工程凤凰寨隧洞涌水塌方处理采用疏堵结合、灌浆固结、超前支护和拱架支撑等措施,取得了较好的处理效果。