隧道围岩突泥涌水成因与加固处理

隧道围岩突泥涌水成因与加固处理

摘要：结合洋碰隧道工程水文地质特征及整个施工过程，探讨了隧道突泥涌水灾害产生的原因、处理措施及加固效果。分析研究表明：（1）岩溶和断层发育修建隧道，采用超前地质预报和超前地质钻探是十分必要的；（2）超前周边预注浆结合超前小导管注浆组成的超前支护体系，能够有效实现围岩加固；（3）采用注浆、锚杆、锚索三种技术联合加固方法，能够弥补采用单一加固模式的不足，起到很好的围岩加固止水效果。

关键词：隧道；围岩；突泥涌水；超前支护体系；联合加固

引 言

在岩溶区的隧道修建过程中，突水突泥是造成施工地质灾害的主要原因[1,2]。特别是复杂地质条件、强岩溶富水区长大隧道的安全快速修建技术是当前交通建设急需解决的关键问题[3～5]。故加强对复杂岩溶地区的隧道稳定性及施工技术的研究，有着重大的技术价值和经济意义。

1 工程概况

洋碰隧道是京珠高速公路粤境北段重要工程之一，位于乳源县乳城镇北西约6km，为分离式单向行车双向隧道。隧道左线起讫里程为LK76+287～LK78+340，全长2053m，，高差41.30m；右线起讫里程为RK76+300～RK78+410，全长2110m，高差42.21m。路线西高东低，坡度为-2%。

2 工程水文地质条件

2.1 工程地质条件

在区域地质构造上，洋碰隧道位于近南北向大瑶山复背向斜南倾覆端南西部位，隧道出口为寒武系八村群砂岩，北部和南部中低山地段出露泥盆系桂头群砂岩（ ），少量页岩和砾岩，中部的鞍部山丘缓坡地带为泥盆系东岗岭组深灰色中厚层～厚层状隐晶质灰岩（ ），如图1。

断裂构造十分发育，以NE走向的F13为主干断层，2km2范围内共有大小断层19条（图1）。其中F7、F8断层在隧道左线LK76+740～LK76+600段交汇，对隧道施工带来相当严重影响；F12、F16断层在隧道右线RK78+030附近交汇，F12、F13断层在左线LK77+871～LK77+790段左侧70m交汇，造成该段施工发生大量涌水。

图1 洋碰隧道地质构造断面图

2.2 水文地质条件

按岩性和地下水赋存特点，工作区存在三类地下水，即赋存于松散覆盖土层中的孔隙水、赋存于碎屑岩中的裂隙水和赋存于灰岩中的岩溶水。地下水由大气降水补给，水量丰富，以泉的形式排泄。其中灰岩地段地质复杂，断层裂隙、溶洞、溶沟、溶槽等构成地下水补充通道，对隧道开挖施工极其不利。

3 施工方案与事故原因分析

3.1 进口段

进口左右线RK76+401～RK76+610段，隧道处于残积亚粘土与灰岩的接触面或完全处于亚粘土层中，土石界面处灰岩面上部存有一定量的上层滞水和孔隙潜水。

根据工作区实际地质情况，左线除LK76+385～+400段采用明挖施工外，其它段均采用台阶法加临时仰拱进行施工。右线采用CRD工法进行施工，采用长管棚及超前小导管作为辅助施工措施。

本段施工过程中仅出现小股滴水或涌水，未发生工程事故，但施工过程中应注意以下几点：

1、施工方法严格按工序顺序进行，上台阶开挖面与中层临时仰拱及时封闭成环。

2、上台阶与下台阶开挖距离土宜过长，以便及时施工作正式仰拱并为施作二次衬砌做准备。

3、为有效控制拱顶下沉，拱脚除加垫木后可采用扩大拱脚和加设拱脚注浆。

4、采用CRD法施工，上、中层临时仰拱与永久钢架间的连接十分重要，其相应钢架在制作前焊接连接板，钢架间的连接使用螺栓。

3.2 F7、F8断层带

洋碰隧道进口左线施工至LK76+747时，掌子面大部分为亚粘土加强风化灰岩碎块，比设计里程提前进入F7断层。原设计方案为，围岩类别Ⅲ类，按台阶法施工，超前小导管作为辅助施工措施，复合式混凝土衬砌。

2000年9月12日，隧道右侧山体地表出现不同程度裂缝8条，裂缝最宽达15cm，错台15～17cm，同时5个拱顶监测面均发生较大程度下沉。通过分析，主要有以下2个原因：（1）土层失水；（2）地基承载力不足，初期支护刚度不够。

2001年1月26日，进口右线施工至RK76+833时，掌子面右侧拱肩处发生突泥涌水，突水口1m*1.5m，总涌泥水量3000m3。分析表明：该段为土石界面，客观上存在一个长期存水的砂岩凹面，亚粘土层长期被岩凹水浸泡，形成泥浆体，施工揭开后，由势变动，形成冲击。

3.3 右线出口段

从设计的工程地质情况看，出口右线RK78+014～060处于F12、F16断层交汇处中心及其影响带上，岩体完整性差，局部比较破碎，采用CRD法施工。

1999年10月21日，掌子面左上侧部大面积出现突水，同时出现掉块，滑移现象，突水量约为20000～25000t/d，5小时后，突水量减小，但仍维持在4000～6000t/d左右。经专家讨论分析后认为，该段突泥涌水是由于大的断层裂隙造成的，施工正处于F12、F16断层交汇处，可能与F13主断层的水力联系强烈，由于断层内赋存的压力水造成了突泥涌水。

3.4 左线出口F13断层带

该地段水文地质条件最为复杂，F13为主干断层，岩体破碎程度较高，灰岩分布地段富集岩溶地下水，砂岩区裂隙水发育，特别是断层多为富水或导水断层，与地面山沟水力联系密切。原设计方案为台阶法施工，超前小导管作为辅助施工措施，复合式混凝土衬砌。

2000年1月30日，当隧道左线开挖至LK77+849.5处时，上半断面右侧拱脚处支背突然出现涌水，且右侧初支喷混凝土面出现竖向裂纹并伴有大面积淋水。2000年4月6日，LK77+832右拱脚处发生大量集中涌水，涌水点呈不规则孔状，直径250mm～350mm，涌水量300～400m3/h。分析原因为：F13断层水平错距大，断层带波及地表，与地表水联系通道多，含水量丰富，尤其在主断层与分支断层交汇处，涌水可能性极高。4 处理措施与效果

经分析，洋碰隧道突泥涌水事故主要发生在F7、F8断层带，右线出口段与F13断层带，下面分别讨论其处理措施。

4.1 F7、F8断层带

4.1.1 处理措施

根据场地地质条件与安全施工要求，该地段施工方案总体设计思想为“注浆加固围岩，防止土体失水，加强基础承载力”，具体施工顺序为：超前周边预注浆→超前小导管注浆→CRD工法开挖支护→加强初期支护体系→系统锚管固结注浆→底部加固→钢筋混凝土二次衬砌。

1、 超前加固围岩及支护体系

采用超前周边预注浆改善隧道开挖轮廓线外4m范围内围岩的物理力学性能，同时在拱部施作超前小导管注浆作为小管棚承受上方及前方柱的压力，防止围岩松弛、土体脱落。超前周边预注浆参数如表1，超前小导管注浆参数如表2。

2、开挖方法及初支体系

初期支护体系由钢支撑+纵向连接筋、锁脚锚管注浆+网喷C20混凝土组成。各部分的拱架、中隔墙及临时仰拱必须及时封闭成环；钢支撑段间严格栓接牢，连接筋及锁脚锚管与钢支撑间采用双面焊接；喷射混凝土时严格掌握风、水压力，一次喷厚以不坠落时的临界状态为度。

3、系统锚管固结注浆及底部加固措施

采用系统锚管法向固结注浆，主要从隧道永久使用安全性考虑，加固开挖上台阶时在开挖轮廓线外产生的围岩松动圈。在下层初支成环后，及时对底部围岩体进行注浆加固，如图2。

4.1.2 加固效果

本方案自2000年10月21日开始施行，方案实施后隧道拱顶沉降变形趋于收敛，结构逐渐稳定，有效的实现了加固围岩，防止失水的目的。

图2 系统锚管法向固结注浆及底部加固

4.2 右线出口段

4.2.1 处理措施

综合考虑该段地质情况，在出现突泥涌水险情后，按照”巩固后方，初支加强，超前加固，逐步探明、综合治理”的思想进行设计施工，将该地段分四个区进行施工处理。如

图3。

图3 突泥涌水后形成状态图

1、RK78+129～+105后方巩固段的处理措施：尽快完成两板二衬混凝土施工，巩固后方。

2、RK78+105～+060受强烈扰动段的处理措施：在上大半断面的底部增设20b工字钢临时仰拱支撑，增设格栅仰拱支撑，间距100cm，增设花管注浆。

3、RK78+060～+040受剧烈扰动段的处理措施：增设系统花管注浆，掌子面上采用全断面超前注浆，突入泥渣采用加临时仰拱分部开挖施工。

4、RK78+040前方破坏段采用地质超前钻进行勘察，查明情况再行确定施工方案。

4.2.2 加固效果

采用本方案后，F7、F8断层带突泥涌水险情得以排除，对围岩开挖后的再次注浆加固，改善了软弱围岩的物理力学性能，保证了隧道将来的运营安全。

4.3 F13断层带

4.3.1 处理措施

采用“联合加固，综合治理”的思想进行设计施工，除洞体基本支护外，主要手段有锚杆加固、锚索加固和注浆加固。

所谓联合加固，就是三种技术途径结合运用，使隧道围岩形成组合型加固圈。注浆加固不仅可以治理散水，改变围岩的物理力学性质，而且在注浆过程中插入注浆孔中的注浆管能够起到锚固锚杆的作用，而较长的预应力锚索在更大范围内加固了围岩，三种效果合而为一，保证加固圈能够形成一个较为有力的承载体。

综合治理主要是指对地下水的治理，围岩注浆形成致密的加固圈后，将有效封堵散水，对集中涌水打深孔，导水分流，高压注浆，将大量涌水封堵在围岩深处，防止封堵后水压对支护结构的影响。

4.3.2 加固效果

注浆管起到了全长粘结型锚杆的作用，对加固圈产生了良好的锚固效果，使得加固体圈有一定的承载能力。但由于隧道承压受偏，加上部分拱架和仰拱没有立好，本加固圈还不能有效阻止围岩变形。但当顶部第三根锚索张拉之后，顶板下沉很快稳定下来，围岩得到稳定，

5结语

本文分析和探讨了洋碰隧道突泥涌水事故的原因、处理措施及加固体效果，获得的主要经验结论如下：

（1）对于地质构造复杂，溶洞、溶蚀裂隙、岩溶管道和断裂较发育的围岩中采用超前地质预报和超前地质钻探是十分必要的，应有机结合起来。

（2）超前周边预注浆结合超前小导管组成的超前支护体系，能够有效改善软弱围岩的

物理力学性能，使周围地层应力变化缓和均匀，同时压密开挖轮廓线内软弱富水体，有效实现围岩加固。

（3）将锚杆加固、锚索加固和注浆加固三种方法结合起来加固围岩，能够弥补采用单一加固模式的不足，使加固圈成为强有力的人工围岩结构，提高其自身承载能力，减小围岩变形量，保证开挖至二次衬砌期间的施工安全。

参考文献

[1] 干昆蓉,杨毅,李建设.某隧道岩溶突水机理分析及安全岩墙厚度的确定[J].隧道建设,2007年6月,27(3):13～16.