高速公路隧道涌水突泥災(zāi)變處治

高速公路隧道漏水突泥災(zāi)變處治唐健【摘要】結(jié)合岑溪至水汶高速公路均昌隧道涌水突泥的情況，對災(zāi)害成因、施工技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，應(yīng)用新型可控速凝注漿材料對突涌水進(jìn)行封堵，并對注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn).結(jié)果表明:帷幕注漿后隧道涌水得到良好的控制，加固后的圍巖自穩(wěn)性顯著提高且漿脈清晰，土層密實(shí)，含水量少，初期支護(hù)施作完畢后圍巖滲水較少;該方案處治特大型涌水突泥災(zāi)變效果良好，可為今后類似工程提供借鑒.【期刊名稱】《筑路機(jī)械與施工機(jī)械化》【年(卷)，期】2018(035)007【總頁數(shù)】5頁(P102-105,110)【關(guān)鍵詞】隧道工程;涌水;突泥;帷幕注漿【作者】唐健【作者單位】廣西五洲交通股份有限公司，廣西南寧530028【正文語種】中文【中圖分類】U4570引言岑溪至水汶高速公路均昌隧道在施工期間發(fā)生數(shù)次涌水突泥事故，涌水量最大一次約為1200m3?h-1，突泥量最大約為2900m3。涌水突泥地段為全風(fēng)化花崗巖，巖體破碎且地下水豐富，地表谷地為沿線村民的生活生產(chǎn)區(qū)域，處治難度非常大［1-6］。本文以均昌隧道涌水突泥處治工程為依托，詳細(xì)分析災(zāi)害成因與施工技術(shù)難點(diǎn)，應(yīng)用新型可控速凝注漿材料，并對處治效果進(jìn)行評價(jià)，為類似工程提供借鑒。1工程概況均昌隧道為小間距特長隧道，其右線長4288m，左線長4270m，左右洞凈距約17m。隧址區(qū)山峰脊線高程為250~806m,相對高差為556m，隧道洞身段最大埋深約450m，最小埋深約90m。均昌隧道穿越山心-嶺腳村谷地，為相對封閉的長條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢平坦，東西長約2900m,南北寬約400m，谷地的長軸方向與路線基本垂直。隧道進(jìn)口端施工至山心村落范圍后，發(fā)生多次涌水突泥事故。其中有4次較大的災(zāi)害事故：2013年9月11日右洞CK7+838掌子面上臺(tái)階右下角發(fā)生涌水，涌水量約為1200m3?h-1;2014年9月19日左洞DK7+963掌子面右側(cè)發(fā)生突泥災(zāi)害，隨后發(fā)生涌水，累計(jì)突泥量約2900m3，最大涌水量約150m3-h-1;2015年5月1日右洞CK7+835掌子面再次發(fā)生涌水，涌水量達(dá)400m3-h-1;2015年10月23日左洞DK7+939掌子面發(fā)生涌水突泥，涌水量達(dá)250m3?h-1,突泥量約2500m3，如圖1、2所示。圖1隧道內(nèi)涌水圖2突泥2災(zāi)害成因與技術(shù)難點(diǎn)2.1災(zāi)害成因均昌隧道穿越的山心村段圍巖軟弱破碎、含水量大、地下水位高，施工中控制不當(dāng)極易產(chǎn)生塌方、涌水事故。究其原因主要有孕險(xiǎn)環(huán)境和致災(zāi)因素兩大部分［7-8］。孕險(xiǎn)環(huán)境。均昌隧道未貫通段四面環(huán)山，地處封閉的長條狀匯水盆地，穿越地層為全風(fēng)化花崗巖，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育；同時(shí)，地層含砂量高、透水性好，地層注漿效果不明顯，區(qū)域匯水面積大，雨量充沛，降雨集中且強(qiáng)度高，地表溪流密布，地層透水性好，地下水補(bǔ)給迅速。致災(zāi)因素。涌水突泥之前掌子面圍巖情況較差，滲水量較大，采用超前小導(dǎo)管注漿加固、超前大管棚注漿加固、帷幕注漿加固等處治方法，都無法取得較好的處治效果，同時(shí)造成工期嚴(yán)重滯后、投資大幅增加。由于沒有采用有效的超前預(yù)報(bào)手段來探明掌子面前方地質(zhì)情況，導(dǎo)致未能采取有效的圍巖加固方法及災(zāi)變處治預(yù)案。2.2技術(shù)難點(diǎn)地層含水量大。均昌隧道路線穿越山心-嶺腳村谷地，為相對封閉的長條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢平坦，匯水面積較大，并且有大量的地表水和地下水補(bǔ)給源，地下含水層厚度大，含水層連通性及富水性好，隧道施工治水困難大。隧道圍巖地質(zhì)條件差。均昌隧道未貫通段位于山心村下方，該段隧道埋深約90m，隧道圍巖主要為全、強(qiáng)風(fēng)化混合巖，自穩(wěn)能力及承載能力差，遇水易軟化坍塌，穩(wěn)定性極差，隧道施工、圍巖加固困難。根據(jù)進(jìn)口端鉆孔取芯的情況看，在隧道洞身周圍一定范圍內(nèi)，巖層分布有軟塑性黏土夾細(xì)沙層，注漿可注性較差，不易滲透與劈裂，增加了注漿加固隧道圍巖的技術(shù)難度。⑶隧道未貫通段地表為村民生活生產(chǎn)聚集區(qū)。均昌隧道未貫通段地表分布有大量房屋，并且附近居民生活及生產(chǎn)用水均采自地下，隧道開挖若大量排水，會(huì)造成地下水位下降，地層土體的“有效應(yīng)力”減少，導(dǎo)致地表沉陷，進(jìn)而會(huì)引起房屋開裂，居民生產(chǎn)生活用水水源枯竭，并對附近谷地植被帶來破壞性影響。在保證地表穩(wěn)定和居民生產(chǎn)及生活用水的情況下，帷幕注漿要切斷隧道洞身周圍巖體與外界水源的聯(lián)系，技術(shù)要求較高，實(shí)施難度較大。3處治方案設(shè)計(jì)3.1方案比選隧道通水突泥災(zāi)害常用治理方法有：地面帷幕截流法、冷凍法、洞內(nèi)超前帷幕注漿法、長管棚加小導(dǎo)管法和引排強(qiáng)挖法，其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性如表1所示。從技術(shù)上分析，地表帷幕截流法和冷凍法均不適用于本項(xiàng)目；從風(fēng)險(xiǎn)控制上分析，引排強(qiáng)挖法的施工和運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)高，不適用于本項(xiàng)目；超前管棚加小導(dǎo)管注漿法可在地層較好的區(qū)域被有限采用。均昌隧道涌水突泥段前后采用3種處治方案，具體如下。表1不同治理方法優(yōu)缺點(diǎn)治理方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)結(jié)論地面帷幕截流法地面施工，安全性好;不影響開挖，有利于控制工期只能切斷局部水平水力補(bǔ)給，難以形成封閉的水力單元工程量大，造價(jià)高;無法解決隧道圍巖加固問題;軟弱地層成孔難施工難度大，深孔注漿效果無法保證不能從根本上阻斷水力補(bǔ)給通道，難以根治隧道涌水突泥問題,不適合本工程應(yīng)用冷凍法冷凍過程中涌水風(fēng)險(xiǎn)可控冷凍過程短期效果好，解凍后依然面臨滲漏水及涌水突泥風(fēng)險(xiǎn);無法從根本上解決圍巖加固問題;造價(jià)極高治標(biāo)不治本,施工期和運(yùn)營期風(fēng)險(xiǎn)高，不適合本工程應(yīng)用引排強(qiáng)挖法造價(jià)低施工風(fēng)險(xiǎn)大，容易發(fā)生工程事故;對水文地質(zhì)環(huán)境影響較大，易引起地表塌陷等問題;運(yùn)營期安全風(fēng)險(xiǎn)高安全風(fēng)險(xiǎn)較高，水文環(huán)境破環(huán)較大，不適合本項(xiàng)目采用洞內(nèi)超前帷幕注漿法能有效封堵涌水切斷局部水力聯(lián)系;圍巖加固效果好;治理后圍巖長期穩(wěn)定性好;造價(jià)適中,工期可控對材料和工藝要求較高，需專業(yè)注漿隊(duì)伍才能保障效果;工期較長，每個(gè)注漿循環(huán)的鉆孔及注漿都需要較長時(shí)間;造價(jià)較高，帷幕注漿要形成至少6m的幕墻厚度，需要大量注漿相關(guān)材料及機(jī)械能從根本上阻斷水力補(bǔ)給通道,實(shí)現(xiàn)圍巖的系統(tǒng)加固，保障隧道建設(shè)期和運(yùn)營期安全，是本項(xiàng)目的首選方案長管棚加小導(dǎo)管注漿法施工效率高，工期短;造價(jià)低;技術(shù)入門要求低對于富水軟塑性黏土夾沙圍巖段，該方案無法有效治水，難以有效形成加固圈;涌水突泥治理的針對性差適用于涌水量較小，圍巖有一定自穩(wěn)能力的地層，可在中間圍巖較好區(qū)段補(bǔ)充實(shí)施超前小導(dǎo)管支護(hù)方案原設(shè)計(jì)。該方案按照V級深埋圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于地質(zhì)資料沒有準(zhǔn)確揭示未貫通段復(fù)雜的地質(zhì)情況及富水情況，支護(hù)措施無法有效治理富水軟塑性黏土夾沙地層。超前大管棚加小導(dǎo)管支護(hù)方案。該方案可有效加固軟弱破碎圍巖段，在提高結(jié)構(gòu)支撐能力的同時(shí)在隧道開挖線外形成加固圈，且支護(hù)強(qiáng)度較高。但對于富水軟塑性黏土夾沙圍巖段，該方案無法有效治水，難以有效形成加固圈，對掌子面正前方無法有效加固。水泥-GT漿液、水泥-水玻璃雙液漿全斷面注漿帷幕加固方案。該方案能有效封堵涌水，圍巖加固效果好，是處理突泥涌水的有效手段。3.2帷幕注漿方案設(shè)計(jì)結(jié)合均昌隧道涌水突泥情況及地質(zhì)特點(diǎn)，基于隧道全壽命周期的安全設(shè)計(jì)理念，提出左右洞分別治理的方案，應(yīng)用新型可控速凝注漿材料和前進(jìn)式分段控制注漿技術(shù)，通過漿液的滲透擴(kuò)散封堵、劈裂漿脈的骨架支撐和對軟弱圍巖的擠密加固等聯(lián)合作用方式，達(dá)到對隧道富水軟弱圍巖的堵水加固。3.2.1帷幕注漿參數(shù)為提高注漿壓力，保證漿液在地層中有效擴(kuò)散，防止工作面漏漿，須設(shè)置一定厚度混凝土止?jié){墻。選擇合適的止?jié){墻厚度非常重要，厚度過小則無法抵抗注漿壓力，存在安全隱患，厚度過大則成本過高。止?jié){墻厚度采用平板理論進(jìn)行計(jì)算式中：B為混凝土止?jié){墻厚度(m)；P^作用在墻上的均布載荷(N)，P=P1A，P1為注漿終壓(MPa)，A為混凝土止?jié){墻的面積(m2)；W為隧道寬度(m)；H為隧道高度(m);［°］為混凝土的容許抗壓強(qiáng)度(MPa);a為安全系數(shù)，一般取1~1.5。C25模筑混凝土的［。］=9.6MPa,均昌隧道斷面直徑為10.75m，高為7.25m,安全系數(shù)a=1.2，根據(jù)上式可得到不同注漿終壓下超前注漿所需要的止?jié){墻厚度，如表2所示。表2不同注漿終壓下止?jié){墻厚度注漿壓力/MPa2.04.06.08.010.0止?jié){墻厚度/m3.24.55.66.57.2根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，均昌隧道注漿標(biāo)準(zhǔn)為2~6MPa(淺部為2~3MPa,深部為4~6MPa),深部注漿時(shí)巖壁也起到隔壓作用，因此采用厚度為3m的混凝土止?jié){墻應(yīng)該是安全的。根據(jù)以往隧道的注漿設(shè)計(jì)，在高壓富水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿時(shí)，注漿加固范圍按開挖直徑(3-4倍)確定。為有效封堵突泥涌水、提高注漿效果，采用常規(guī)材料配合新型可控速凝注漿材料(GT-1)。GT-1具有初終凝時(shí)間可調(diào)、擴(kuò)散控制性好、動(dòng)水抗分散、早期強(qiáng)度高、環(huán)保無毒等傳統(tǒng)注漿材料(水泥單液漿、C-S雙液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿等)不具備的優(yōu)點(diǎn)，其主要性能參數(shù)如表3所示。表3新型凝膠可控速凝注漿材料基本性能參數(shù)凝膠時(shí)間/min終凝時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPalh3h3d28d結(jié)石率/%0.75~302~300.5~1.10.5~2.14.1~6.218.2-20.071-95綜合使用單液水泥漿、水泥-水玻璃(C-S)雙液漿、水泥-GT(C-GT)雙液漿等注漿材料對治理段進(jìn)行封堵加固。單液水泥漿用于充填空腔，水灰比為0.8~1.2;注漿套管封固、淺層圍巖加固、止?jié){墻空隙封閉主要以C-S為主，水泥水玻璃體積比為3~4;在高壓富水區(qū)、松散坍塌區(qū)以C-GT為主，其中水泥GT雙液漿體積比為5:1至2:1?？紤]加固段巖體破碎、裂隙發(fā)育、水壓較高，一次成孔注漿容易造成塌孔卡鉆以及漿液達(dá)不到預(yù)期擴(kuò)散加固范圍，故采用前進(jìn)式注漿工藝，以提高整體加固效果。根據(jù)均昌隧道地下水壓力、地層特點(diǎn)及加固要求，左右洞超前帷幕鉆孔第1~2注漿段注漿終壓設(shè)為2~3MPa，隨著鉆孔延深和淺部圍巖加固強(qiáng)度的增加，其他各注漿段注漿終壓逐漸提高到4~6MPa，具體注漿壓力控制根據(jù)漿液消耗情況及揭露圍巖情況進(jìn)行調(diào)整。3.2.2帷幕注漿方案方案設(shè)計(jì)4個(gè)帷幕注漿區(qū)段：左洞第一循環(huán)全斷面帷幕注漿段、左洞第二循環(huán)全斷面帷幕注漿段、右洞第一循環(huán)全斷面帷幕注漿段、右洞第二循環(huán)全斷面帷幕注漿段，如圖3所示。完成上述工作后，開展左右洞第三循環(huán)帷幕注漿，治理段長為20m，注漿后掘進(jìn)段長為14m。圖3總體治理設(shè)計(jì)結(jié)合各區(qū)段的實(shí)際情況，根據(jù)前文確定的帷幕注漿參數(shù)，各治理區(qū)段帷幕注漿參數(shù)見表4。4注漿效果評價(jià)以均昌隧道左洞第一循環(huán)補(bǔ)充注漿為例，現(xiàn)場采用檢查孔法和涌水量分析法對本循環(huán)帷幕注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)。檢查孔法。根據(jù)注漿效果檢查評定要求，同時(shí)兼顧施工難度，現(xiàn)場設(shè)7個(gè)檢查孔對注漿堵水加固效果進(jìn)行評價(jià)。檢查孔成孔情況見表5。表4各治理區(qū)段帷幕注漿參數(shù)參數(shù)名稱左洞第一循環(huán)左洞第二循環(huán)右洞第一循環(huán)右洞第二循環(huán)注漿段落樁號DK7+814~DK7+837DK7+831~DK7+851CK7+820~DK7+857CK7+851~DK7+871止?jié){墻厚度/m3333加固圈厚度/m8101010注漿材料水泥單液漿、C-S雙液漿、C-GT雙液漿注漿工藝前進(jìn)式注漿，注漿鉆孔段平均長5m漿液擴(kuò)散半g/m2.5~3.02.5~3.02.5~3.02.5~3.0注漿終壓/MPa2~62~62~62~6注：帷幕注漿結(jié)束后右洞第一循環(huán)開挖至CK7+851,其余開挖14m,預(yù)留6m防突巖帽。由表5可知，檢查孔初始成孔率均較高，初始成孔率達(dá)到75%以上，初始成孔率滿足注漿合格標(biāo)準(zhǔn)。涌水量分析法。所有檢查孔的涌水量均滿足設(shè)計(jì)文件規(guī)定的每孔每延米涌水量小于0.20L-min-1且單孔涌水量小于3L-min-1的要求。其中帷幕注漿檢查孔最大單孔涌水量為0.16m3?h-1,其余涌水量在0.12m3?h-1以內(nèi)，對隧道涌水有了較好的控制。5結(jié)語依托均昌隧道，分析其涌水突泥原因和施工技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合災(zāi)害具體情況并經(jīng)方案比選確定了全斷面帷幕注漿方案，取得較好處治效果，結(jié)論如下。表5檢查孔成孔情況統(tǒng)計(jì)孔號鉆孔深度/m初始成孔深度/m初始成孔率/%J116>15>93.8J21515100J31515100J417>15>88.2J520>15>75.0J619>15>78.9J716>15>93.8施工前應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察深度并重視超前預(yù)報(bào)工作。均昌隧道不良地質(zhì)段的處治方案采用全斷面帷幕注漿方案是正確可靠的，采用C-GT雙液漿和C-S雙液漿相配合的注漿材料，可以達(dá)到較好的注漿效果。借鑒經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)要考慮實(shí)際的圍巖情況。采取全斷面帷幕注漿處治，不能忽視帷幕厚度及仰拱部分注漿加固，以提高襯砌周圍巖體的承載能力?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】劉招偉.圓梁山隧道巖溶突水機(jī)理及其防治對策[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué),2004.劉欽，李術(shù)才，李煜航，等.龍?zhí)端淼繤2斷層處涌水突泥機(jī)理及治理研究切.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(6):1419-1426.胡文學(xué)，楊雁.瑤寨隧道突水突泥原因分析與處治[J].西部交通科技，2013