夏邵君，黨 亮

(中交四公局第五工程有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

當(dāng)前，地下空間的利用已成基建發(fā)展的一種重要方式[1-3]，隧道施工過(guò)程中面臨著復(fù)雜環(huán)境和不良地質(zhì)所帶來(lái)的施工安全問(wèn)題的挑戰(zhàn)，其中在構(gòu)造裂隙發(fā)育的區(qū)域施工隧道，在隧道長(zhǎng)距離反坡掘進(jìn)后遇到圍巖高承壓構(gòu)造裂隙水涌出等對(duì)隧道施工安全和運(yùn)營(yíng)造成極大隱患[4]，提高對(duì)隧道涌水機(jī)理及特征的認(rèn)識(shí)越來(lái)越重要。可見(jiàn)，研究高承壓水隧道長(zhǎng)距離反坡掘進(jìn)施工技術(shù)也尤為重要。

為保證隧道施工過(guò)程和后期運(yùn)營(yíng)的安全性，相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道施工中高承壓水影響做了大量研究[5-14]。吳明玉等[4]認(rèn)為斷層是地表水對(duì)結(jié)構(gòu)裂隙涌水補(bǔ)給的主要條件，層間巖體破碎在地下水和地表水長(zhǎng)期作用下形成的富水構(gòu)造物下泄造成涌水。以上研究為強(qiáng)涌水隧道長(zhǎng)距離反坡施工關(guān)鍵技術(shù)研究提供了思路和理論參考。

基于此，以跑馬山2號(hào)隧道通風(fēng)橫洞長(zhǎng)距離大反坡施工中發(fā)生的圍巖脈狀高承壓涌水為工程依托，對(duì)深埋隧道長(zhǎng)距離大反坡施工中高承壓水產(chǎn)生的機(jī)理、處治措施、施工關(guān)鍵技術(shù)、組織方式進(jìn)行研究。強(qiáng)涌水隧道長(zhǎng)距離大反坡施工關(guān)鍵在于分析圍巖裂隙水的特征、變化規(guī)律，研究結(jié)合涌水機(jī)理采用合理的施工方法和支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道長(zhǎng)距離大反坡施工方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)出現(xiàn)的涌水災(zāi)害進(jìn)行處治。本研究成功處治了構(gòu)造裂隙產(chǎn)生的強(qiáng)涌水并通過(guò)強(qiáng)涌水治理有效地提高了后期強(qiáng)涌水段的施工進(jìn)度，減小了圍巖裂隙水的帶壓涌出，表明結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育的富水圍巖采用的處治技術(shù)和施工關(guān)鍵技術(shù)是成功的。本研究期望對(duì)類(lèi)似強(qiáng)涌水隧道長(zhǎng)距離反坡施工和涌水的處治提供工程參考。

1 工程概況

跑馬山2號(hào)隧道是四川省康定—新都橋高速公路項(xiàng)目康定過(guò)境試驗(yàn)段的重要工程之一。隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向4車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)速度80km/h，抗震設(shè)防烈度≥9度。隧道主洞建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m。隧道左線長(zhǎng)6 772.171m，右線長(zhǎng)6 655.318m。

2 工程與水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

地質(zhì)勘察表明，跑馬山2號(hào)隧道斜井洞口高程為2 759.460m。在斜井處重新布置了物探，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況和超前水平鉆情況，根據(jù)最新斜井地質(zhì)勘察報(bào)告，斜井區(qū)域位于Y字形構(gòu)造交匯部位，斷層較多，強(qiáng)烈的構(gòu)造作用導(dǎo)致巖體極為破碎。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖地層情況與區(qū)域地質(zhì)資料，斜井目前開(kāi)挖地層應(yīng)為震旦系上統(tǒng)觀音崖組(Zbg)地層(沉積巖、變質(zhì)巖)，巖性主要為灰～深灰色薄～中層狀泥質(zhì)白云巖、千枚巖、灰色千枚巖，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖巖體破碎，多呈碎塊狀、散體狀；地層與區(qū)域地質(zhì)資料顯示，地層存在差異且?guī)r體破碎，推測(cè)F1跑馬山斷裂從跑馬山2號(hào)隧道斜井洞身段經(jīng)過(guò)，該斷裂為一逆斷層，上盤(pán)地層為震旦系上統(tǒng)觀音崖組(Zbg)的灰～深灰色泥質(zhì)白云巖、千枚巖，下盤(pán)地層為澄江-晉寧期(δo2(3))淺灰～灰白色閃長(zhǎng)巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

隧道斜井口上方存在3股地表徑流，寬度約為0.80，0.6，0.5m，水流量為3～5，1～3，0.5～2L/s。 施工洞口截水溝將此地表水從洞口上方沿急流槽引流，以避免對(duì)隧道施工造成影響。隧道斜井洞口雨季時(shí)地表徑流較大。

1)含水巖組 根據(jù)跑馬山2號(hào)隧道斜井地層結(jié)構(gòu)以及巖體滲透性和富水性，將隧址區(qū)的含水巖組劃分為松散巖類(lèi)孔隙水巖組、弱～中等富水的裂隙水含水巖組，以及導(dǎo)水裂隙密集發(fā)育帶含水巖組和相對(duì)隔水層。

2)裂隙水類(lèi)型 斜井區(qū)按含水巖組不同，主要?jiǎng)澐譃樗缮r類(lèi)孔隙水及基巖裂隙水、斷裂破碎帶孔隙裂隙水及可溶巖溶隙-裂隙水三大類(lèi)型。

3 強(qiáng)涌水的特征及原因分析

3.1 強(qiáng)涌水段特征分析

隧道涌水災(zāi)害發(fā)生區(qū)域圍巖涌水量大、壓力高、涌出水位置沿裂隙分布?；谖锾胶同F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，該段圍巖為Ⅳ級(jí)中風(fēng)化石英閃長(zhǎng)巖，屬較軟巖，巖體呈塊狀，完整性一般，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，呈淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，出水量?3 000m3/d，局部出水壓力達(dá)1MPa，出水量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)最大涌水量。在爆破后水量與水壓稍許減少，但鉆孔后水量、水壓呈增加趨勢(shì)，個(gè)別時(shí)段水壓增大至2MPa左右。

受山體斷層及節(jié)理發(fā)育影響，隧道圍巖出水部位具有顯著的水量大、涌水點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，初期支護(hù)完成后，部分拱腰靠上表面存在淋雨?duì)畛鏊?，局部為股狀水，不同段落隧道圍巖體初期支護(hù)完成后滲水量具有顯著差異。鉆孔時(shí)水量呈明顯增加趨勢(shì)，爆破完成后出水位置改變，水量稍有減少。

隧道掘進(jìn)中出現(xiàn)的高承壓水與圍巖構(gòu)造裂隙發(fā)育密切相關(guān)。另外，受長(zhǎng)距離7.49%的大反坡開(kāi)挖影響，圍巖初期支護(hù)滲水、二次襯砌背后防水系統(tǒng)排水等所有水量通過(guò)中央排水溝匯集回灌至掌子面前方，進(jìn)一步使得洞內(nèi)排水量增大，甚至形成淹井風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 強(qiáng)涌水原因分析

工程勘察分析結(jié)果表明，隧道發(fā)生強(qiáng)涌水災(zāi)害與地下水補(bǔ)給、徑流與排泄特征和圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育作用密切相關(guān)。

3.2.1地下水補(bǔ)給、徑流與排泄特征

根據(jù)隧道區(qū)地層特性，該涌水段匯水面積約4.03km2，以花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主，坡較陡，且裂隙發(fā)育，巖體較破碎，受大氣降水及冰雪融化水補(bǔ)給，排泄條件一般，槽谷兩側(cè)斜坡上的地表水多順坡而下入滲補(bǔ)給本區(qū)，為弱富水巖組。

1)補(bǔ)給條件 斜井區(qū)地下水主要接受融雪水和大氣降雨的入滲補(bǔ)給，區(qū)域內(nèi)最高地面高程約5 200.000m， 在山地海拔較高處常有降雪，每年5—9月冰雪融化。其他時(shí)間地表水呈冰凍狀態(tài)，地下水呈封閉狀態(tài)，故地下水的補(bǔ)給源中，冰雪融水也占有重要位置。隧址區(qū)構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，地形切割強(qiáng)烈、谷嶺相間，為地表水入滲和貯存提供一定條件。

2)徑流、排泄特征 隧址區(qū)地下水的徑流嚴(yán)格受地勢(shì)控制，由山嶺高處到低洼谷地沿斜坡順裂隙、斷裂不均勻地向就近溝谷徑流，受場(chǎng)地地形控制，部分沿基巖裂隙向深部或坡下徑流，或就近滲出于陡崖腳部，部分地勢(shì)更低的河流排泄中以徑流形式排泄。

3)動(dòng)態(tài)變化特征 大氣降水以面狀滲入或點(diǎn)狀灌注的方式進(jìn)入地下，致使其地下水的動(dòng)態(tài)變化與降雨量的變化呈明顯的線性關(guān)系。

施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道強(qiáng)涌水段在受到地下水補(bǔ)給、徑流與排泄后發(fā)生掌子面高承壓涌水。

3.2.2圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育作用

受區(qū)域構(gòu)造作用的影響，隧址區(qū)形成了大量的構(gòu)造裂隙，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查看掌子面，主要發(fā)育2組裂隙：①裂隙1 278°∠80°，走向與隧道軸向大致垂直，與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要構(gòu)造方向(鮮水河NW向構(gòu)造帶)近似平行，裂隙微張，無(wú)充填，間距0.2～0.8m；②裂隙2 192°∠65°，走向與隧道軸向小角度斜交，與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要構(gòu)造方向(鮮水河NW向構(gòu)造帶)近似垂直，裂隙閉合～微張，無(wú)充填，間距0.4～1.2m。這些裂隙為地下水的賦存提供了良好的存儲(chǔ)空間。

4 隧道強(qiáng)涌水段整治與施工

隧道強(qiáng)涌水段的施工及處治原則是“超前泄壓，排堵結(jié)合，以排為主”。掌子面超前鉆孔后，經(jīng)一段時(shí)間的泄水泄壓后，水量和水壓得到一定釋放。根據(jù)水壓、水量監(jiān)測(cè)分析，針對(duì)初期支護(hù)股狀水處采取徑向局部帷幕注漿方法進(jìn)行處治。掌子面部分水排泄后采取三臺(tái)階先行導(dǎo)坑法施工，必要時(shí)輔助超前環(huán)向堵水，下臺(tái)階前方形成倒坡儲(chǔ)水載體及時(shí)跟進(jìn)仰拱施工方法。

4.1 涌水災(zāi)害整治

通過(guò)隧道施工過(guò)程實(shí)踐，隧道強(qiáng)涌水段洞壁及初期支護(hù)淋雨?duì)钏陀苛鞴蔂钏扇较蚓植酷∧蛔{方法處治，掌子面掘進(jìn)遇到的承壓水在超前鉆孔減壓泄水后采取三臺(tái)階先行導(dǎo)坑法施工，水量較大難以施工時(shí)輔助超前周邊環(huán)向注漿堵水處治。

4.1.1洞壁及初期支護(hù)滲流水特征

對(duì)于洞壁及初期支護(hù)大面積滲水、淋水和股狀水頻發(fā)段，采取周邊局部注漿堵水處治，主要是周邊注漿有效范圍為隧道開(kāi)挖輪廓線外5m，孔口間距1.5m×1.5m(環(huán)向×縱向)，梅花形布置，如圖1所示。注漿孔徑46mm，孔口設(shè)0.5m長(zhǎng)φ54mm熱軋無(wú)縫鋼管作為孔口管，注漿孔與隧道軸線呈60°角，孔深4.5m。采取純壓式全孔一次注漿，從兩邊到中間，一個(gè)注漿段分兩序隔排施工，同一排孔按由上到下順序施工，采用CS漿液，C∶S=1∶(0.4～0.6)(體積比)，水泥漿水灰比為0.8∶1～1∶1，P·O42.5水泥，水玻璃模數(shù)2.8，水玻璃濃度35°Bé。

圖1 洞壁及初期支護(hù)滲流水整治方案

對(duì)于局部注漿堵水后仍有股狀水涌出的，根據(jù)出水口徑大小采取插入帶止水閥楔形同口徑鋼管引流，待水量明顯減少后關(guān)閉止水閥；對(duì)于水量無(wú)明顯減少的采取波紋管引流至中央排水溝。

4.1.2掌子面涌水特征

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)基巖裂隙觀察及水量監(jiān)測(cè)情況，掌子面右側(cè)股狀承壓水噴出時(shí)，主要采取超前鉆孔排水泄壓處治，掌子面采取大功率潛孔鉆距拱頂約1.2m左右、距拱腰0.8m左右布設(shè)φ110mm超前鉆孔，水量及水壓較大時(shí)，在基巖裂隙部位增設(shè)φ110mm超前鉆孔泄水孔(見(jiàn)圖2)。

圖2 掌子面強(qiáng)涌水整治方案

4.2 強(qiáng)涌水段長(zhǎng)距離反坡施工技術(shù)

對(duì)強(qiáng)涌水的處治分析認(rèn)為，受地下水快速補(bǔ)給影響的節(jié)理發(fā)育隧道，尤其在長(zhǎng)距離反坡施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)超前鉆孔排水泄壓，同時(shí)進(jìn)行水量、水壓監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上采用三臺(tái)階先行導(dǎo)坑法施工。根據(jù)水量、水壓監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整開(kāi)挖工法，考慮靜水壓力對(duì)后期結(jié)構(gòu)影響，局部調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

4.2.1圍巖涌水監(jiān)測(cè)

采用TRT進(jìn)行超前100m和地質(zhì)雷達(dá)超前20m預(yù)報(bào)前方圍巖富水情況，結(jié)合超前預(yù)報(bào)情況采用φ110mm潛孔鉆進(jìn)行超前20～30m鉆孔，探明圍巖前方富水情況，并驗(yàn)證TRT和地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果，同時(shí)做好涌水量監(jiān)測(cè)，如圖3所示。在拱頂和拱腰圍巖收斂處共布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于兩拱架之間縱向，間隔5m，并采用反光標(biāo)識(shí)。監(jiān)控量測(cè)頻率按照1次/d，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)適時(shí)調(diào)整開(kāi)挖方法。

圖3 圍巖富水段超前預(yù)報(bào)及涌水量監(jiān)測(cè)曲線

由圖3b可看出，隧道涌水量曲線總體呈“緩慢增加，趨于穩(wěn)定”狀態(tài)，而由圖3c可知圍巖開(kāi)挖前后涌水量呈“鉆孔時(shí)水量、水壓大，爆破后水量明顯減少” 2個(gè)階段，爆破前后涌水量呈兩段近似線性變化趨勢(shì)。11月6—13日，涌水量基本維持在23 000m3，拱頂沉降值增加6.50mm；11月15日以后涌水量基本維持在20 000m3。爆破后掌子面涌水量約在430m3/h,明顯減少。

4.2.2開(kāi)挖方案選用

通過(guò)超前鉆孔進(jìn)行排水泄壓，掌子面水壓有一定減小，掌子面采取三臺(tái)階先行導(dǎo)坑法施工，必要時(shí)輔助超前環(huán)向注漿，如圖4所示，下臺(tái)階前方形成倒坡儲(chǔ)水載體及時(shí)跟進(jìn)仰拱施工方法。

圖4 涌水段超前環(huán)向注漿

將臺(tái)階自上而下分為上臺(tái)階先行導(dǎo)坑，高度約3.9m，右側(cè)中臺(tái)階預(yù)留臨時(shí)坑道排水，中臺(tái)階預(yù)留右側(cè)2m寬臨時(shí)排水坑道后全寬開(kāi)挖，高度約3m，左側(cè)下臺(tái)階預(yù)留2.5m臨時(shí)坑道排水，最后剩余約2m高臺(tái)階進(jìn)行清底爆破，清底后暫不清渣，利用反坡施工作為仰拱開(kāi)挖時(shí)的儲(chǔ)水載體，方便仰拱區(qū)域少水開(kāi)挖。

工序1開(kāi)挖前，在上臺(tái)階掌子面左、右兩側(cè)各打設(shè)4個(gè)φ110mm集中排水孔，其余根據(jù)圍巖裂隙情況打設(shè)裂隙泄水孔，在圍巖裂隙泄水孔水量較大時(shí)采取0.5m長(zhǎng)φ110mm楔形管道栓接6m專(zhuān)用排水管集中引排后開(kāi)挖，如圖5所示。工序1開(kāi)挖時(shí)在工序3頂部同時(shí)開(kāi)挖處排水坑道排除工序1的涌水。工序2開(kāi)挖時(shí)在工序4左側(cè)開(kāi)挖集中排水坑道排出工序1～3的涌水。工序4清底持續(xù)跟進(jìn)爆破暫不清渣，作為仰拱儲(chǔ)水載體預(yù)留一定長(zhǎng)度施工仰拱，最終完成隧道圍巖開(kāi)挖。

圖5 涌水段臺(tái)階法施工

4.2.3綜合排水方式

隧道已單向反坡掘進(jìn)700m，洞內(nèi)外高差約49m。針對(duì)大水量、長(zhǎng)距離反坡、高揚(yáng)程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)雙水箱式固定泵站、多條管路串并聯(lián)及局部截水并網(wǎng)等技術(shù)措施，確保能夠迅速高效地排出掌子面積水，如圖6所示。

圖6 長(zhǎng)距離反坡施工綜合排水

掌子面處根據(jù)水量大小采用若干20kW水泵連接活動(dòng)軟管，將涌水集中抽排至仰拱前端的臨時(shí)集水箱中，臨時(shí)水箱通過(guò)管道集中抽排在雙水箱固定泵站內(nèi)，經(jīng)臨時(shí)沉淀后通過(guò)接力泵站抽排于洞外，經(jīng)沉淀和污水處理后排放。主排水管道采用φ300mm鋼管，并預(yù)留φ200mm鋼管，仰拱每200m設(shè)置1道2m全寬的仰拱截水井，集中引排隧道排水系統(tǒng)匯集在中央水溝的水，雙水箱泵站采取2臺(tái)200kW水泵集中抽排，接力泵站采用4臺(tái)50kW水泵進(jìn)行抽排。

4.2.4防排系統(tǒng)及支護(hù)形式

強(qiáng)涌水段圍巖裂隙發(fā)育，靜水壓力較大，原排水系統(tǒng)管路排水能力有限，圍巖富水區(qū)水頭高度增加，隧道襯砌完成后可能會(huì)承受較大壓應(yīng)力。隧道環(huán)向排水管沿縱向設(shè)2m/道，并直接與中央排水溝連接。防水層采取1.5mm厚單面自粘復(fù)合防水板。

涌水段采用加密小導(dǎo)管超前支護(hù)，宜每架設(shè)2榀鋼架施作1次，根據(jù)圍巖裂隙程度，采用長(zhǎng)3～4.50m、間距40cm導(dǎo)管分大小外插角施作，小導(dǎo)管尾部與鋼拱架牢固焊接，注漿飽滿。采用I20b@100cm鋼拱架，φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，26cm厚C20噴射混凝土，二次襯砌為50cm厚C30混凝土(配筋：φ22@250×250)，4根長(zhǎng)4.5mφ42鎖腳錨桿。在涌水較大段落，加強(qiáng)二次襯砌中埋式和背貼式止水帶安裝，做好防水、止水措施。

4.3 涌水預(yù)防措施

隧道開(kāi)挖施工時(shí)雖采取了一定的超前預(yù)報(bào)，但受施工地質(zhì)復(fù)雜、人為經(jīng)驗(yàn)等影響，預(yù)報(bào)仍會(huì)出現(xiàn)預(yù)判位置不準(zhǔn)、情況描述不清等，所以隧道施工中必須堅(jiān)持有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，檢查長(zhǎng)短預(yù)報(bào)結(jié)合、超前鉆孔驗(yàn)證的方式，尤其是地質(zhì)復(fù)雜地段，必須要堅(jiān)持超前鉆孔，一方面為了驗(yàn)證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，另一方面對(duì)于富水基巖可起到超前泄壓降水作用，避免因預(yù)報(bào)漏報(bào)、誤報(bào)等造成安全事故。

對(duì)于裂隙發(fā)育的圍巖，洞壁滲水、淋雨?duì)钏^大時(shí)，以加固為主時(shí)采取純水泥漿注漿，以堵水為主時(shí)采取CS注漿，一般情況下采取全孔一次注漿，當(dāng)成孔性差時(shí)應(yīng)分2段采用前進(jìn)式注漿。涌水段水量較大時(shí)掌子面采取小導(dǎo)管周邊環(huán)向注漿。同時(shí)采用分級(jí)泵站進(jìn)行排水，泵站距離宜≤400m，水泵選型根據(jù)水量大小選擇，固定泵站宜采用大功率水泵。

5 結(jié)語(yǔ)

以跑馬山2號(hào)隧道通風(fēng)橫洞為工程依托，對(duì)強(qiáng)涌水隧道長(zhǎng)距離大反坡施工中高承壓水分布的特征、處治措施、施工關(guān)鍵技術(shù)、組織方式進(jìn)行研究。強(qiáng)涌水隧道長(zhǎng)距離反坡處治及施工的關(guān)鍵在于成套的排水系統(tǒng)、科學(xué)的施工組織、合理的開(kāi)挖方法，主要結(jié)論如下。

1)受山體斷層及節(jié)理發(fā)育影響，隧道圍巖出水部位沿裂隙呈脈狀分布，涌水點(diǎn)普遍存在不對(duì)稱(chēng)且無(wú)規(guī)律現(xiàn)象，初期支護(hù)完成后，部分拱腰靠上表面存在淋雨?duì)畛鏊?，局部有股狀水，不同段落隧道圍巖體初期支護(hù)完成后滲水量具有顯著差異。

2)隧道涌水量曲線總體呈“緩慢增加，趨于穩(wěn)定”狀態(tài)，開(kāi)挖前后涌水量呈“鉆孔時(shí)水量、水壓大，爆破后水量明顯減少”2個(gè)階段，爆破前后涌水量呈兩段近似線性變化趨勢(shì)。

3)掌子面采用三臺(tái)階先行導(dǎo)坑法施工，必要時(shí)輔助超前環(huán)向堵水，下臺(tái)階(仰拱)采用爆破形成倒坡儲(chǔ)水載體及時(shí)跟進(jìn)仰拱施工方法。

4)針對(duì)大水量、距離長(zhǎng)、反坡坡度大的涌水隧道，采用雙水箱式固定泵站、多條管路串并聯(lián)及局部截水并網(wǎng)等技術(shù)措施，泵站設(shè)備選型為大功率、高揚(yáng)程。