唐 健

(廣西五洲交通股份有限公司，廣西 南寧 530028)

0 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1 200 m3·h-1，突泥量最大約為2 900 m3。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(duì)處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

均昌隧道為小間距特長(zhǎng)隧道，其右線長(zhǎng)4 288 m，左線長(zhǎng)4 270 m，左右洞凈距約17 m。隧址區(qū)山峰脊線高程為250～806 m，相對(duì)高差為556 m，隧道洞身段最大埋深約450 m，最小埋深約90 m。均昌隧道穿越山心-嶺腳村谷地，為相對(duì)封閉的長(zhǎng)條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢(shì)平坦，東西長(zhǎng)約2 900 m，南北寬約400 m，谷地的長(zhǎng)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1 200 m3·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2 900 m3，最大涌水量約150 m3·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)400 m3·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)250 m3·h-1，突泥量約2 500 m3，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]。

(1)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(zhǎng)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。

(2)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(wú)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(méi)有采用有效的超前預(yù)報(bào)手段來(lái)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)

(1)地層含水量大。均昌隧道路線穿越山心-嶺腳村谷地，為相對(duì)封閉的長(zhǎng)條狀小型盆地，谷地四面環(huán)山，內(nèi)部地勢(shì)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。

(2)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90 m，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?chē)欢ǚ秶鷥?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。

(3)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(kāi)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(kāi)裂，居民生產(chǎn)生活用水水源枯竭，并對(duì)附近谷地植被帶來(lái)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?chē)鷰r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(zhǎng)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(yíng)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)

(1)超前小導(dǎo)管支護(hù)方案原設(shè)計(jì)。該方案按照Ⅴ級(jí)深埋圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于地質(zhì)資料沒(méi)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(wú)法有效治理富水軟塑性黏土夾沙地層。

(2)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(kāi)挖線外形成加固圈，且支護(hù)強(qiáng)度較高。但對(duì)于富水軟塑性黏土夾沙圍巖段，該方案無(wú)法有效治水，難以有效形成加固圈，對(duì)掌子面正前方無(wú)法有效加固。

(3)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(guò)漿液的滲透擴(kuò)散封堵、劈裂漿脈的骨架支撐和對(duì)軟弱圍巖的擠密加固等聯(lián)合作用方式，達(dá)到對(duì)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(guò)小則無(wú)法抵抗注漿壓力，存在安全隱患，厚度過(guò)大則成本過(guò)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為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)；[σ]為混凝土的容許抗壓強(qiáng)度(MPa)；α為安全系數(shù)，一般取1～1.5。

C25模筑混凝土的[σ]=9.6 MPa，均昌隧道斷面直徑為10.75 m，高為7.25 m，安全系數(shù)α=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

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，均昌隧道注漿標(biāo)準(zhǔn)為2～6 MPa(淺部為2～3 MPa，深部為4～6 MPa)，深部注漿時(shí)巖壁也起到隔壓作用，因此采用厚度為3 m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(kāi)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(wú)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)

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(duì)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。

考慮加固段巖體破碎、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2～3 MPa，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4～6 MPa，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(kāi)展左右洞第三循環(huán)帷幕注漿，治理段長(zhǎng)為20 m，注漿后掘進(jìn)段長(zhǎng)為14 m。

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(jiàn)表4。

4 注漿效果評(píng)價(jià)

以均昌隧道左洞第一循環(huán)補(bǔ)充注漿為例，現(xiàn)場(chǎng)采用檢查孔法和涌水量分析法對(duì)本循環(huán)帷幕注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1)檢查孔法。根據(jù)注漿效果檢查評(píng)定要求，同時(shí)兼顧施工難度，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)7個(gè)檢查孔對(duì)注漿堵水加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。檢查孔成孔情況見(jiàn)表5。

表4 各治理區(qū)段帷幕注漿參數(shù)

注：帷幕注漿結(jié)束后右洞第一循環(huán)開(kāi)挖至CK7+851，其余開(kāi)挖14 m，預(yù)留6 m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(mǎn)足注漿合格標(biāo)準(zhǔn)。

(2)涌水量分析法。所有檢查孔的涌水量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)文件規(guī)定的每孔每延米涌水量小于0.20 L·min-1且單孔涌水量小于3 L·min-1的要求。其中帷幕注漿檢查孔最大單孔涌水量為0.16 m3·h-1，其余涌水量在0.12 m3·h-1以?xún)?nèi)，對(duì)隧道涌水有了較好的控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

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)

(1)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。

(2)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。

(3)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?chē)鷰r體的承載能力。