隧道富水段施工技术研究

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隧道富水段施工技术研究

薛伟冰，张玉昌

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650000）

摘要：隧道穿越富水地层时，极易发生涌水、突水事件，造成隧道塌方，支护变形等质量事故 ，严重影响隧道正常施工，并给人身设备安全造成巨大安全隐患。为保证正常施工，最大程度地减少富水隧道施工中造成的工程投入和人员伤亡，迫切需要解决这方面的施工技术难题。

关键词： 隧道；富水段；塌方；安全隐患

中图分类号：TU94 文献标识码：B 文章编号：1006-3951(2017)04-0023-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2017.04.007

1 礼让隧道工程概况

1.1 地理位置、地形地貌

礼让隧道位于梁平县七星镇、礼让镇境内。隧道总长5519.15m（折算为左右洞平均值），为特长隧道，属于四川盆地东部暖湿亚热带气候区。明月山（礼让隧道所属山脉）槽谷中沿槽谷方向发育延伸的盐井河，为季节性溪流，盐井河水流于天生桥汇入盐井口水库，全长约15km，最大流量可达2.50～5.50m3/s，施工前需要先渠化防渗水处理。

1.2 水文地质条件

隧址区三叠系中下统碳酸盐岩类分布于背斜轴部，因受两侧碎屑岩所构成的中、低山岭的夹持，具备有利的岩溶发育条件，形成了特有的隆脊型岩溶槽谷，岩溶发育与岩性、地貌条件关系密切；岩溶水运动和富集则受地质构造控制。三叠系上统须家河组砂、页岩，和侏罗系下统珍珠冲组砂、泥岩分布于背斜两翼，岩层以倾斜状态产出，具有形成碎屑岩孔隙裂隙层间承压水和红层承压水良好储水构造条件。尤其是北西翼为缓翼，为典型的自流斜地，是较富水类型之一。

1.3 礼让富水段隧道施工方案

洞身抗水压衬砌段采用单侧壁导坑法（见图1）开挖，且在施工中根据变形情况设置临时仰拱，衬砌施作段一般滞后初期支护50～100m，具体根据现场开挖情况和监控量测结果确定。开挖施工中我们着重加强监控量测工作，及时调整支护

参数，做到动态设计、信息化施工。

图1 单侧壁导坑法示意图

另外礼让隧道在穿越明月峡背斜轴部及两翼岩溶槽谷穿越破碎带、石膏、角砾岩、盐井河底部等段落控制爆破震速不大于10cm/s。为了使隧道能顺利通过富水地段，加快施工进度，对隧道的施工方法和支护参数进行了研讨，通过比选决定放弃不引入大型机械施工和临时支护多的双侧壁导坑法等方法，确定施工方案为“超前物探、钻探结合探水、超前注浆堵水、超短开挖（局部

[1]。辅以弱爆破）、初支加强、仰供超前、二衬紧跟”

1.3.1 采用此施工方案的原因

工期紧张，工程水文地质复杂，IV、V级围岩占70％以上，因此必须设定一种能适应地质变化而迅速过渡的施工方法。能充分发挥先进的大型施工机具的优势，提高工作效率，以求最佳的掘进速度和经济效益。采用此方法，对围岩扰动小，支护能及时封闭成环。1.3.2 施工特点

施工空间较大、引入大型施工机械作业，施工效率高。施工方法转换较快，进度稳定，安全和工期有保障。施工工艺简单，施工投入少。隧道不同段落采用的超前地质预报等级不同。

*

收稿日期：2017-05-02

作者简介：薛伟冰(1991)，男，江西鹰潭人，助理工程师，主要从事市政公路建设管理工作。

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2 富水段施工方法

2.1 超前地质预报

礼让隧道的超前预报中我们采用了TSP法与红外线探测法相结合的方式[2]

。其不但能够快速、准确的对地下情况预报，且测试过程相对简单，成本不高。在隧道岩溶地区进行勘查工作时采用TSP法长距离探测破碎带结合短距离红外探测法进行综合物探能够较好的完成工程中隧道岩溶勘查任务。通过实践经验表明该方法能够可靠的对岩溶隧道地质进行预报工作，对地质信息的获取比较快捷，于岩溶涌水问题的预报，为礼让隧道施工提供有效的参考资料。

2.2 探水及防突水突泥措施

礼让隧道穿越岩溶发育段时，地下水丰富，可能出现突水突泥事故，危及施工安全，对可能存在突水突泥现象的灰岩段采用TSP和雷达超前探测预报，在异常段采用钻孔超前探测验证，钻孔验证我们采用专用探水钻机施工探水孔，探水孔孔径（终孔）为55mm，钻孔外偏角为10°，每次探水段长30m，开挖25m，保留5m作为止水盘并开始下一循环探水，根据钻孔出水量按设计预案进行处治，很好的防止了突水突泥事故的发生。所以超前地质预报须作为隧道施工工序中的重要一环落实到隧道施工的每个循环中，探水孔横断面布置见图2。

图2 探水钻孔横断面布置图

经详细记录探水孔出水点位置、水量、水压等。通过超前地质预报和超前钻探探水，有效防止灰岩段突水突泥突发事故的产生，同时要求施工单位预备了足够的抽水设备，并做好防突水突泥突发事故的预案及演练。

2.3 注浆堵水措施

根据超前钻孔探水的结果，分别采取不同的措施进行下一循环工作，当探水孔有6孔出水且

总水量大于10m3/h时，采用全断面堵水注浆（预注浆）；当总水量小于10m3/h但个别孔出水量大于2m3/h时，采用局部堵水注浆（预注浆）；当6孔出水量均小于2m3/h且总出水量小于10m3/h时，进入下一循环。当隧道开挖后地层裂隙水较大，周边存在大面积淋水或严重渗漏水，对地表生态环境影响较严重，但围岩稳定性较好，不影响掘进时，采用小导管注浆堵水（后注浆）。

预注浆的目的是防止岩溶突水突泥，确保施工安全，后注浆的目的是确保隧道建设不对生态产生大的影响。

1）全断面预注浆见图3。当超前探水孔中6孔出水且总水量大于10m3/h时，启动全断面注浆。设计为30m一环全断面注浆，根据探水钻孔探明的出水点位置，可调整注浆长度，保留注浆止水岩盘5～10m；注浆孔孔径=108mm，开孔孔径150mm；注浆范围为隧道平均开挖半径（a）的1倍，单孔注浆有效扩散半径为R=3.60m，注浆孔底中心距D=1.50，R=5.40m，注浆最终压力为静水压力的2～3倍；岩层破碎地段采用前进式注浆，注浆分段长度5～10m，岩层较好，涌水不大时，可一次全孔注浆；注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆液，水泥为P.0.32.5普通硅酸盐水泥，水灰比W/C＝0.60～1.10，水玻璃波美度30-40Be，双液体积比C/S＝0.70～1.40，凝胶时间根据现场情况确定。

图3 全断面注浆孔布置纵断面示意图

2）局部预注浆：根据探水钻孔探明的出水点位置、水量和预注浆段岩层节理、裂隙发育情况，布置注浆孔个数和位置，注浆孔孔径为108mm，开孔孔径150mm；注浆范围为:出水通道范围内，隧道开挖外轮廓线以外5～6m，单孔注浆有效扩散半径R=3.60m，注浆结束最终压力为净水压力的2～3倍；注浆材料采用水泥至水玻璃双液浆液，

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水泥为P.042.5普通硅酸盐水泥，水灰比W/C＝0.60～1.10，水玻璃波美度30～40Be，双液体积比C/S＝0.70～1.40，凝胶时间根据现场情况确定。

3）后注浆：设计注浆范围为隧道开挖外轮廓线外4m，注浆采用42小导管，孔口环向间距1.20m，纵向间距1.20m，梅花形布置，在集中出水点注浆孔加密，注浆小导管布置范围根据开挖后渗漏水位置合理确定，不一定要全断面布置，局部点出水可采用局部预注浆堵水方法处理；注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆液，水泥为P.042.5普通硅酸盐水泥，水灰比W/C＝0.60～1.10，水玻璃波美度30～40Be，双液体积比C/S＝0.70～1.40，凝胶时间根据现场情况确定。

2.4 抗水压衬砌

与地表存在直接水力联系的岩溶管道、岩溶裂隙发育段，有大量地表水或地下水涌入隧道的地段；岩层破碎，洞周与地表连通的岩溶管道或岩溶裂隙带，在堵水注浆施工后仍出现规模大、水压力大的地段经各方协商、专家会评审通过后讨论实施抗水压衬砌。抗水压衬砌地段的确定必须严格按设计的动态施工程序进行动态施工（见图4），确保施工安全，结构耐久，经济合理，尽量减轻对地表的影响。在水压大于0.41MPa段[3]采取限量排放结合抗水压衬砌的方式。在水压不大于0.41MPa段抗水压衬砌支护参数见表1。

表1 抗水压衬砌支护参数表

项目抗水压衬砌

衬砌类型

SKC25早强喷混凝土

28cm初期支护

6.50钢筋网@20×20cm

系统锚杆28中空注浆锚杆@80×100cm，L=4m

预留变形量12cm

二次衬砌100cmC30防水钢筋混凝土仰拱100cmC30防水钢筋混凝土

铺助施工措施超前小导管初期支护加劲措施

22a工字钢@80cm

防水层

隧道全周布置，形成全包防水结构

由于Zk16+440-Zk15+580段隧道二衬施工完毕后外部水压>0.41MPa，对隧道有极大安全隐患，对其进行了一些设计优化。其一，环向盲管安装，在原有的10m一道基础上变更为3m一道，其二，在隧道起拱线部位每5m设置1个限水压泄水孔，并通过排水管最终引入隧道中心水沟排出

图4 抗水压衬砌施工动态图

洞外，很好的解决了此段安全隐患。

2.5 渠化创新及节约成本—岩溶槽谷段地表河流、溪流

根据详勘，隧道穿越明月背斜轴部后槽发育的盐井河距离隧道顶板较近，隧道施工可能对地面水造成有影响，设计拟采取施工前渠化防渗处理。

隧道穿越后槽发育的盐井河；左、右线穿越里程分别为ZK15+977、K15+991；该段盐井河平面形态上呈“S”状，沟宽5～15m，水深变化较大，一般深0.10～0.30m，局部由于冲涮形成深度相对较大的塘，深度约0.50～1.20m，故设计渠化措施流程如下：

开挖至设计标高后→30cm素土夯实→表面铺3cm厚砂浆找平→铺设土工布→铺设HDPE防渗膜→铺设土工布→30cm粘土夯实→施作80cm厚C25混凝土明渠结构。

渠化[4]范围根据现场施工情况具体确定，以阻止或减轻河流水下渗影响隧道施工为原则，并考虑隧道运营可能对河流的疏干影响。2.6 洞身防水设计2.6.1 防水系统

1)结构防水：要求二次衬砌混凝土采用防水混凝土浇筑，以达到衬砌密实、防裂及防水目的，防水混凝土抗渗等级应不小于P6。

2)“三缝”防水：洞口段变形缝采用背贴式橡胶止水带+中埋式橡胶止水带防水，环向、纵向施工缝采用背贴式止水带+注浆管遇水膨胀止水条防水。全包式防水段在沉降缝处水压较大，施工中应根据现场水压情况，局部注浆以加强沉降缝防水，局部注浆量已计入动态处治工程量。

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3)模筑混凝土衬砌外防水：在初期支护与模注混凝土衬砌之间设置EVA防水板，为保护防水板并形成渗水通道，防水板外侧设无纺布（350g/m2），无纺布与防水板间不采用全复合[5]。

4）在防水系统施工过程中，项目部严格执行三检制，确保防水系统达到设计要求。2.6.2 加强富水段排水措施

1）环向盲沟：衬砌背后环向设置1-3根50单壁打孔波纹管（环向盲沟），纵向间距10m，在施工当中我们根据水压大小适当减小了其纵向间距。

2）在衬砌两边墙墙脚外侧纵向设置2个116/100HDPE双壁打孔波纹管[6]（纵向盲沟），增加排水功能。

3）衬砌背后地下水通过环向盲沟汇集至纵向排水盲沟，再过横向排水支管排入中心水沟，横向排水管在施工中也根据实际情况减小了纵向间距，排出洞外。

4）路面清洗污水经路缘边沟排出洞外在富水段边沟部分减少了沉砂池间距，增加其排水功能。2.7 加强监控量测

2.7.1 加强监控量测目的

1）掌握富水段围岩和支护动态，进行日常施工管理。

2）了解富水段支护构件的作用及效果。3）了解洞内大埋深处地应力情况以确定岩爆、突泥突水、大变形发生的可能性和级别。

4）确保隧道富水段施工及运营安全与经济。5）将富水段监控量测结果反馈到设计变更及施工中。

2.7.2 加强必测项目力度

1）开挖面观察：每次开挖后进行一次观察，并做好观测结果记录，当地质情况基本无变化时可每天进行一次。观察后应绘制开挖面略图，填写工作面状态记录及围岩级别判定卡。初期支护完成区段观察：每天至少进行一次，观察内容包括喷混凝土、锚杆、钢架的状态。

2）水平净空变化量测。每次开挖后立刻进行，完成读数。确定各项数据合格后方才进入下一循环开挖[7]

。

3）拱顶下沉量测。拱顶下沉量测与水平净空变化量测在同一量测断面内进行，其量测频率相同。另外，由于富水段可能下沉量大，除量测拱顶下沉外，还量测拱腰及基底隆起量[8]。

2.7.3 增加选测项目

对有必要的部位进行以下选测项目。1）围岩内部变形量量测（地表设点）。2）围岩内部变形量量测（洞内设点）。3）围岩和初期支护间接触压力量测[8]。4）两层支护间压力量测。5）钢架内力及外力量测。6）锚杆轴力量测[9]。7）支护、衬砌内应力量测。8）围岩弹性波速量测。9）渗水压力、水流量量测。10）爆破震动[10]。

上述选测项目应结合本隧道富水段围岩性质、开挖方式有选择的进行；围岩压力、支护及衬砌应变等项目的量测频率开始时应与同一断面的变形量测频率相同，当量测值变化不大时适当降低量测频率。

3 结语

礼让特长隧道是整个梁忠高速公路的控制性工程，工期压力大，社会关注度高，施工中采用“单侧壁导坑法”及超前物探、钻探结合探水、超前注浆堵水、超短开挖（局部辅以弱爆破）、初支加强、仰拱超前、二衬紧跟等措施，很好地控制了围岩的变形，顺利通过了隧道富水地段并顺利贯通，实现了安全、优质、快速施工。

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