隧道地質論文：隧道突水成因與治理策略

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本文作者：方建華作者單位：中鐵隧道集團有限公司杭州分公司

突水基本情況

1突水過程

2012年7月14日晚9點10分左右，寒嶺界隧道進口左洞上臺階開挖至K88+597位置。在出碴過程中，掌子面正拱頂位置發生突水，水壓非常大，呈瀑布狀噴涌而出，涌水呈黃色，并攜帶有泥狀物流出，圖1為突水發生瞬間。涌水20min左右已淹至K88+297處。至15日早上8點10分涌水發生11h，涌水淹至ZK88+040處，淹蓋長度總計557m，涌水總量約為6×104m3，涌水量約為30m3/min。16日凌晨0點左右，涌水淹至左洞ZK87+900處，由于水壓極大，K88+121處的封堵的人行橫道被沖開，2h后右洞全部被淹沒。此時涌水量為680m3/h，下午3點衰減為600m3/h，17日下午3點衰減為490m3/h，18號下午3點衰減為380m3/h，至23日涌水一直保持在200m3/h長達1個月左右。表1為隧道涌水量記錄表。

2突水部位基本情況

1)地質情況。進入F1斷層破碎帶實際施工開挖揭露圍巖情況為:ZK88+260～ZK88+330段圍巖為碎石土狀強風化砂巖及粉質粘土，結構松散，開挖后無自穩能力;ZK88+330～ZK88+340圍巖巖質為碎裂狀強風化巖;ZK88+340處拱部開始出現煤矸石、洞身圍巖泥質粉砂巖夾強風化片狀砂巖。ZK88+341～ZK88+450段圍巖為中～強風化砂巖，構造角礫和煤層，拱腰部位巖體破碎夾泥質填充物。ZK88+450～ZK88+550圍巖為強風化粉砂巖夾黑色煤矸石，結構較為破碎。ZK88+550～ZK88+595圍巖為強風化粉砂巖夾黑色煤矸石，局部有花崗巖斑狀閃長巖，結構較為破碎。ZK88+594處右側拱腰位置出現了小型水囊空腔。突水掌子面ZK88+597實際開挖揭露圍巖為強風化砂巖局部全風化夾碎石狀以及花崗斑狀結構的閃長巖侵入體，巖質軟硬不均，圍巖節理裂隙發育，結構破碎，巖石自穩能力較差，地下裂隙水發育。2)掌子面對應地表情況。左線隧道中線與106國道部分交叉，掌子面隧道頂地表位于山坳沖溝處，地表植被茂盛，匯水面積較大。3)初期支護情況。掌子面設計為S5a襯砌類型，采用Ⅰ18工字鋼80cm間距，25cm厚C20噴射混凝土，單層Φ8鋼筋網網格尺寸20×20，D25中空注漿錨桿L=5m，縱環間距80×100梅花形布置，45cm厚鋼筋混凝土。突水發生后初期支護被沖刷開裂(見圖2)。

突水處理措施

突水段地質結構復雜，發生突水后涌水量逐漸減少，在使用地質雷達探明前方地質情況后，對富水段采取注漿加固，支護增強等措施進行綜合處理，以保證后續施工安全［4-6］。

1抽水、清除洞內淤泥

突水發生后立即啟動應急預案進行抽水，至7月26日，右洞積水抽排完成，左洞積水抽至ZK88+350位置開始出現大量淤泥堆積，至ZK88+500位置開始淤泥下方出現泥結碎石狀堆積物。自7月14日突水發生后，根據現場實際抽排、清淤記錄，截止9月17日，由左洞突水引起抽水數量達29．2萬m3，清除淤泥數量約6850m3，清理泥結碎石坍碴數量約3000m3(見圖3)。

2超前地質預報

為探明前方突水段地質情況，在對ZK88+585處坍錐面進行平整，在滲水較大位置處埋設排水管進行引排。并噴射C20混凝土進行封閉，噴射厚度10cm，為后續地質雷達超前預報提供了工作基面。根據地質雷達掃描及地質預報初步判別塌方段長度為16m，即ZK88+584～ZK88+600段，塌腔形狀為斜向上，具體情況如圖4所示。

3支護措施

1)為了保證后續施工的安全，對坍方后方20m即ZK88+584～ZK88+564段進行徑向注漿加固，采用42小導管，L=6m，縱環間距80cm×100cm。2)鑒于塌方段涌出大量的泥渣，斷面內全部為松散堆積物，裂隙水發育，無自穩能力，同時為保證ZK88+584有2m的注漿擴散高度，填渣反壓并修葺作業平臺從ZK88+580起采用3環全斷面注漿方式通過塌方段及富水破碎段，3環后根據實際圍巖情況另行處理，帷幕注漿見圖5。3)塌方及富水破碎帶超前支護采取每環12m89長管棚(跟管施工)+42超前小導管L=4．5m組合方案，超前導管每3m設置一環，長管棚9m設置一環，從ZK88+583起架立兩榀Ⅰ18工字鋼護拱作為導向墻，暫定3環穿過斷層分界面后，根據現場情況再行處理。4)塌方富水破碎帶支護參數采用27cm厚C20噴射混凝土，Ⅰ20工字鋼鋼拱架50cm間距，Φ8單層鋼筋網(20×20)，徑向鉆設L=6m，42鋼花管注雙液漿固結周圍巖體，50×100梅花形布置，60cm后C30鋼筋混凝土(S8)，上下臺階開挖，每個臺階拱腳增設2根L=4．5m鎖腳小導管，每榀8根。5)開挖過程中若遇到空腔，在6m以內的空腔泵送C20混凝土填充;6m以上的空腔，泵送1m～1．5m厚C20混凝土墊層后進行吹沙回填。6)ZK88+564～ZK88+650段二襯排水系統，將環向盲管加密為2m一環，對局部滲水點預埋引水管引入縱向排水管。

4處理效果

對左線ZK88+550～ZK88+590段選取四個斷面進行監測，以分析處理效果，Z88+880拱頂下沉及周邊收斂如圖6，圖7所示，拱頂下沉最大值為64．00mm，周邊收斂值為59．17mm。拱頂下沉速率由3mm/d(10月29日)降至0．27mm/d(11月17日);周邊收斂速率由4．23mm/d(10月29日)降至0．42mm/d(11月17日)，圍巖變形基本趨于穩定。