水工隧洞富水高地应力洞段挤压变形处理

黄成洋

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

水工隧洞在灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航等领域得到了广泛应用。西南地区的水工隧洞多有断面小、地下水丰富、高地应力、围岩破碎、软岩变形等特点，施工难度大、安全风险高。施工过程中若对不良地质不能妥善处理，可能会发生拱架挤压变形、突泥涌水、围岩坍塌等事故，威胁施工人员的人身安全，施工质量及进度也得不到保证[1]。相关人员必须对水工隧洞富水高地应力洞段挤压变形高度重视，合理选择相应的处理措施，及时对开挖洞段进行处理，确保施工正常进行[2]。

1 工程概况及变形情况概述

滇中引水工程大理Ⅱ段施工3标位于大理白族自治州宾川县。本隧洞断面型式为马蹄形，断面尺寸9.2m×9.2m。衬砌厚度为0.4～0.7m，严重及极严重变形的软岩洞段及跨活动断裂扩挖断面衬砌厚度为0.8m。该变形洞段围岩等级为V级，围岩岩性为青灰色凝灰质玄武岩夹凝灰质挤压破碎带，处于掌子面拱腰位置，破碎带发育宽度0.5～0.8m，破碎带内，岩体呈碎块—碎屑散体结构，挤压软弱泥化夹层发育。

2021年6月17日凌晨4时，DLII38+406～DLII38+407段出现轻微变形，掌子面及已完成初支处水量呈渗水及滴水状态；至6月18日早上8时，经复测对比，DLII38+398.6～DLII38+413都存在不同程度的沉降，DLII38+403～DLII38+413沉降收敛较为明显。6月18日晚上22点DLII38+403～DLII38+413拱架基本失效，出现了扭曲变形掉落的现象。最终确定挤压变形洞段为DLII38+385～DLII38+413(28m)，且挤压变形段有向小里程方向延伸趋势。施工现场情况见图1。

图1 拱架变形及掌子面出水情况

2 现场监控情况

2.1 围岩监控量测情况

隧洞变形段(DLII38+385～DLII38+413)附近围岩监控量测共布设7个断面，分别在DLII38+385、DLII38+390、DLII38+395、DLII38+400、DLII38+402、DLII38+405.2、DLII38+409.4处。每个监测断面设一个拱顶沉降点A点和2条线进行水平收敛监测。

DLII38+400、DLII38+402、DLII38+405.2、DLII38+409.4收敛沉降观测断面受围岩严重收敛变形影响(最大变形量达142cm)，已随初期支护掉块、围岩垮塌而破坏，无法监测。

DLII38+395、DLII38+390由于掌子面堆渣反压，无法监测。

DLII38+385处拱顶A点累计沉降6mm，上台阶周边累计水平收敛2mm，已经稳定。

2.2 初期支护断面侵限监测情况

采用三维激光断面扫描仪进行了断面监测，监测结果显示，上台阶DLII38+385～DLII38+413段均出现不同程度侵占二次衬砌断面现象(图2中红色区域)。

图2 三维激光断面扫描仪观测立体图

2.3 隧洞涌水量统计

经统计，2021年6月19日涌水量由131.75m3/h增大到238.94m3/h，6月20日晚上涌水量继续增加至334.61m3/h。6月21日，涌水量稍有减小，基本稳定在260～280m3/h左右，掌子面附近涌水量为130m3/h。洞内抽水流量见表1。

表1 洞内抽水流量

2.4 物探钻探情况

物探显示，DLⅡ38+380～DLⅡ38+419段，地震反射信号较强，呈巨片状、小块状分散分布，解释推测该洞段地层岩性为凝灰质玄武岩夹凝灰岩，位于挤压破碎带，岩体较破碎，凝灰岩遇水易软化，在中—高地应力作用下易变形。该洞段施工掘进过程中，存在挤压变形和塌方破坏风险，洞壁发育线状、股状流水，局部存在涌水突泥风险，围岩极不稳定，预判围岩类别为Ⅴ类。

超前探孔钻进速度及钻取渣样表明，DLII38+384.9～DLII38+414.9段岩性为凝灰岩，钻孔无地下水出露，DLII38+398～DLII38+403段钻进速度较快，岩体呈强风化，节理裂隙发育，围岩完整性和稳定性差。

3 原因分析

根据地质纵断面图，隧洞正在穿越向斜构造、高地应力地段，隧洞埋深约600m，该段为V类围岩不良地质洞段，弱风化凝灰质玄武岩Rb为10～15MPa，Kv为0.30～0.35，强度应力比S为0.20～0.30，加上残留的构造应力，地应力σm约20MPa，随着隧洞开挖向斜核部推进，地应力作用及地下水不利影响越发明显。

隧洞开挖完成后，地应力不断调整、释放，使得围岩变得松弛，涌水量也变大，短时间内地层应力二次重分布，同时地下水位变化加速了高地应力挤压变形作用发展的速度。上台阶开挖完成后不能及时完成初期支护工序转换，无法及时完成初期支护封闭成环，高地应力及地下水共同作用造成初期支护钢拱架扭曲挤压变形[3]。

4 处理总体思路

在上述施工条件下，为避免高地应力影响范围进一步扩大或延伸，及时对已完成开挖支护的洞段进行反压回填。随后采用高地应力洞段的强支护的施工理念，进一步扩大超前预固结的范围、加密超前大管棚环向间距以为初期支护形成作用体系争取时间，通过增加冗余设计变形量减小初期支护侵占衬砌断面的可能，同时将原设计初期支护钢拱架由单层拱架调整成双层拱架支护进一步加强初期支护强度[4]。

处理总体思路：明水引排、堆渣反压回填→止浆墙施工→径向固结灌浆→超前预固结灌浆→超前大管棚施工→超前探孔施工→拆换拱→二次开挖支护→加强变形观测。

5 施工步骤及方案

5.1 明水引排、堆渣反压

为减小挤压变形段落进一步扩大，立即从渣场拉洞渣至洞内对挤压变形段进行回填反压，反压回填施工桩号为DLII38+385～DLII38+413。渣体回填遵循“安全第一、边观察边回填、出现异常情况第一时间撤离”的原则进行，尽快完成对收敛变形段两侧拱脚的反压，形成临时横撑作用，逐层回填至变形段拱顶处[5]。回填渣料选用粒径不小于30cm的块石，以形成渣体内部畅通的排水通道。渣体回填过程中应对集中出水、股状涌水处采用φ108排水管进行引排，排水管应采用钢花管(侧壁打φ15孔，间距30cm，梅花形布孔)，采用土工布对端头及外侧进行包裹，以形成反滤效果。

5.2 止浆墙施工

渣体反压之后喷射C20混凝土进行封闭，掌子面封闭厚度1.5m(作为下步超前大管棚、超前预灌浆止浆墙)。止浆墙喷射混凝土采用分层挂网方式分层喷射至设计厚度，每层喷射混凝土厚度按照20cm进行控制，每层喷射前预埋直径25mm螺纹钢筋作为层间连接钢筋，同时作为喷射混凝土厚度标志使用(间距1.0m，排距1.0m，梅花形布置)，每层挂设φ6钢筋网片以增加喷射混凝土整体性。

为保证止浆墙后方水体能顺利排出，喷射混凝土前应在墙体内部预埋引流排水管[6]，排水管(φ200)侧壁不开孔，靠近渣体侧用土工布包裹形成反滤体。排水管布设数量根据实际需要而定，以确保止浆墙后方水体能顺利排出，不影响止浆墙施工为度。止浆墙见图3。

图3 止浆墙施工示意图(单位：cm)

5.3 径向固结灌浆

为避免变形影响段范围进一步扩大，超前预灌浆及超前大管棚施工之前首先对DLII38+377.5～DLII38+383.5段上台阶(7.8m高)进行固结灌浆，固结灌浆孔间距1.5m，排距1.5m，梅花形布置，深度4.5m，孔内安装φ42小导管，小导管在前部钻注浆孔，孔径10mm，孔间距15cm，梅花形布置，前端加工成锥形，尾部1.5m不开孔，作为止浆段，注浆压力不大于1MPa。径向固结灌浆见图4。

图4 径向固结灌浆横断面示意图(单位：cm)

5.4 超前预灌浆施工

高地应力挤压变形处理段为DLII38+383.5～DLII38+423.9段，分三循环进行超前预灌浆及超前大管棚施工。

高地应力挤压变形洞段超前预灌浆共3个循环：第一循环施工段长20.63m(DLII38+383.5～DLII38+404.00)；第二循环施工段长17.71m(DLII38+396.00～DLII38+414.00，DLII38+396.00～DLII38+399.00只钻孔不注浆)；第三循环施工段长17.71m(DLII38+406.00～DLII38+424.00，DLII38+406.00～DLII38+409.00只钻孔不注浆)。第二、三循环超前预灌浆利用止浆塞孔口段只钻孔不注浆，保证两循环之间注浆岩盘搭接5m。

每循环超前预灌浆共设67孔，分A环、B环、C环。A环共30个孔(第一循环孔深22.2m，外插角度24°；第二、三循环孔深19.4m，外插角度24.2°)，B环共23个孔(第一循环孔深21.4m，外插角度16°；第二、三循环孔深18.6m，外插角度18°)，C环共14个孔(第一循环孔深20.94m，外插角度10°；第二、三循环孔深18.0m，外插角度11°)，形成边顶拱开挖轮廓线外8m、底板开挖轮廓线外4.5m范围内的稳定固结圈。

5.5 超前大管棚施工

DLII38+385～DLII38+423.94段超前大管棚施工参数：分三个循环施作，第一个循环长度20.83m(5.83m+15.0m)，第二、第三循环长度17.87m(2.87m+15.0m)，因高地应力挤压变形洞段处理需要进行扩挖，第一循环超前大管棚前5.83m及第二循环、第三循环超前大管棚前2.87m需在扩挖断面时进行割除，因此对每循环管棚进行了适当加长，保证在换拱过程中割除管棚之后剩余有效长度为15m，两循环搭接长5m。

超前大管棚外插角8°，共布设54孔，外径108mm，壁厚6mm，施作范围拱部180°，环向间距30cm。超前大管棚参数见表2，超前大管棚孔位布置见图5。

表2 超前大管棚参数

图5 超前大管棚孔位布置示意图(单位：cm)

5.6 超前探孔施工

每循环超前大管棚施作完成后，开挖之前，在顶拱120°范围内均匀布设6个超前探孔兼做排水孔。

超前探孔的主要作用是探明挤压变形段具体分布长度、高度、走向等[7]，为下步方案优化调整提供基础数据；同时超前探孔可做泄压排水孔使用，防止掌子面上方地下水因排水不畅形成承压水，减小施工安全隐患。超前探孔外插角25°，孔深30m，在孔内埋设φ108排水花管(侧壁打φ15孔，间距30cm，梅花形布孔)，保证施工期间排水通畅。

5.7 换拱及二次开挖支护

高地应力挤压变形换拱及后续开挖支护按照四台阶开挖支护进行[8]，各台阶高度按照如下高度进行控制：一台阶高度应不大于3m，二台阶高度2.9m，三台阶高度2.3m，四台阶高度3.3m。每台阶施工循序渐进，开挖进尺不超过0.8m(一榀拱架)，各台阶施工长度控制在5m以内。

为避免后期再次出现挤压变形导致拱架侵占衬砌断面，采用增加冗余预留变形量设计，重新支护参数在原设计的基础上，预留变形量增加25cm。DLII38+383.5～DLII38+385为标准型支护形式，DLII38+385～DLII38+385.5为渐变段，DLII38+385.5～DLII38+413为双层拱架预留25cm变形量段。渐变段开挖支护见图6。

图6 渐变段开挖支护示意图(单位：cm)

按照强支护的支护理念加强初期支护。二次扩挖初期支护采用双层I20a工字钢加强初期支护，用10号槽钢代替原设计联系筋，每隔10m断开纵向槽钢连接。三台阶施工完成后于底板处增设临时横撑。底板开挖完成后，参照加强型支护断面对隧洞底部初期支护增设I20a工字钢作为永久横撑，尽早封闭成环。永久横撑施工完成后及时浇筑C20混凝土垫层并回填厚度不小于50cm的碎石垫层起到临时保护作用。喷锚厚度0.4m，喷射混凝土采用钢纤维混凝土。开挖施工一台阶因操作空间有限，立架完成后施工短锁脚锚管L=2.0m，待操作空间具备条件后，施工长锁脚锚管L=4.5m。二台阶、四台阶直接施作双排注浆锁脚锚管，L=4.5m，三台阶锁脚处设双排φ76无缝钢管并进行注浆，L=6m。锁脚锚管见图7。

图7 锁脚锚管示意图

5.8 排水孔施工

为避免地下水因排水通道不畅而形成承压水，对DLII38+385～DLII38+413段将原有排水孔(φ50)扩大为直径为76mm，深度加深为8m。

5.9 监控量测

对高地应力变形影响段DLII38+355～DLII38+385段初支面及高地应力变形段DLII38+385～DLII38+413段开挖支护之后增设沉降观测点，每5m布设一个监测断面，每个监测断面同样设一个拱顶沉降点A点和2条线进行水平收敛监测，监测频率为每日2次，直至该变形段施工结束，同时应使用三维激光扫描仪对后方初支面进行全方位监测，监测频率为每日1次，直至该变形段施工结束。

6 结 语

该工程施工中，在应对水工隧洞富水高地应力洞段挤压变形时，将堆渣反压回填、止浆墙、径向固结灌浆、超前预固结灌浆、超前大管棚施工等施工方法有机结合，有效解决了富水高地应力洞段变形突发性强、风险性高、进度缓慢等难点，取得了较好效果，可为类似水工隧洞工程提供借鉴。