水工隧洞突泥及凝灰岩富水破碎带施工技术

杨自刚,张 坤

（中铁五局集团第一工程有限责任公司,湖南 长沙 410117）

0 引言

在水工隧洞工程施工过程中，常会遇到因地质围岩情况不明造成的突泥涌水等灾害。在水工隧洞发生突泥后，又遇前方凝灰岩富水破碎带时，需要采取一系列有效的施工技术解决这一施工难题。

1 工程简介

1.1 工程概况

大理Ⅰ段施工6标起止桩号DLⅠ91+206.00～DLⅠ112+429.00，全长21.223 km，涉及的受水区有大理白族自治州洱源县及大理市，沿线经邓川、上关、双廊等乡镇。该标段设置支洞0.657 km/2座，其中老马槽隧洞1#施工支洞（长0.346 km）。

老马槽隧洞1#施工支洞为平支洞，其最大纵坡1.87%；断面采用城门洞型（如图1），净断面尺寸为8.0 m×6.5 m（宽×高）。支洞洞口位于玉石厂倒虹吸以南30 m处，与老马槽隧洞主洞正交于DLⅠ104+418.52，位于老马槽隧洞进口处，夹角为90°，大里程接老马槽隧洞出口，小里程接玉石厂倒虹吸。

图1 施工支洞典型断面图

1.2 突泥段

突泥位置位于支洞L1K0+317.00掌子面左侧，2020年7月29日早上8：00左右开始突泥，至11：30最终突至支洞L1K0+260.00里程处，长度为57 m，突泥量约2 200 m3，最大涌水量约140 m3/h。该处隧洞埋深约85 m，围岩类别为Ⅴ类，根据现场揭露情况，岩性为玄武岩夹凝灰岩，凝灰岩遇水变软，岩石破碎，围岩无自稳能力，掌子面有渗流水。

1.3 凝灰岩富水破碎带

从突泥处L1K0+317.00开始直至主洞交叉段L1K0+340.00，长度23 m，经超前地质钻探显示均为凝灰岩富水破碎带（如图2），流水量在50～80 m3/h，最高峰值达140 m3/h，现已趋于稳定，表明山体水系分布范围广且在补给洞内。该段围岩揭露显示多为凝灰岩，岩石软弱、破碎、遇水成泥，弱风化，自稳能力极差。根据初期地勘资料预测，隧洞正好穿过凝灰岩带，横向穿过支洞并延伸穿过老马槽隧洞主洞。

图2 突泥段与凝灰岩富水破碎带平面示意图

2 施工难点

在该突泥段及前方凝灰岩富水破碎带施工时，必须采取有效的施工技术措施，以确保施工安全。否则，措施不到位，容易引起突泥涌水事件的再次发生，将会危及作业人员的安全，因此采用有效的施工技术措施确保施工安全是施工控制的难点。

3 施工技术措施

3.1 超前支护

3.1.1 突泥段

（1）通过监测手段判断突泥情况趋于稳定后，首先清运距掌子面30 m处的突泥堆积体，然后停止清运并对剩余突泥堆积体采用C20喷射混凝土+φ6钢筋网片进行封闭，按1 m间距梅花形布置插入4.5 m长φ42注浆小导管后对该突泥堆积体先进行1∶1水泥浆单液注浆再进行1∶1（水泥浆∶水玻璃）双液注浆，注浆压力为0.5～1.0 MPa，对堆积体进行固结，在防止再次突泥时具有一定抵抗能力的反压体使用，并为掌子面的各项工作开展创造条件。掌子面先用沙袋填堵，然后采用C20喷射混凝土进行封堵作为止浆墙，厚度3 m。

(一)工资、薪金所得，是指个人因任职或者受雇而取得的工资、薪金、奖金、年终加薪、劳动分红、津贴、补贴以及与任职或者受雇有关的其他所得。

（2）针对掌子面的超前支护工作，首先是将山体空腔内水向外引排，对掌子面及已支护成型的洞室进行泄压。排水孔采用潜孔钻钻设，由于凝灰岩软弱、破碎的特性，排水孔钻设完成后立即埋设φ76无缝钢管作为排水管，排水孔间排距按2 m布置。超前支护采用φ108大管棚，沿拱顶120°范围内布置，环向间距20 cm（实际当中由于凝灰岩的特性，钻设过程中容易塌孔卡钻，实际环向间距为15～30 cm），钻头采用Φ127钻头。管棚钻设完成后，进行注浆，注浆先采用单液注浆，材料为水泥∶水=1∶1（重量比）的水泥浆，后采用水泥浆：水玻璃=1∶1的双液注浆，注浆压力为0.5～2.0 MPa。

（3）注浆顺序：先注10 min的1∶1纯水泥浆，接着注3 min的1∶1双液浆，然后停止注浆3 min。依次循环注浆。

3.1.2 凝灰岩富水破碎带

凝灰岩富水破碎带采用φ76超前管棚+φ42注浆小导管双层超前支护措施，其中φ76超前管棚长度12 m，搭接长度3 m，布置范围为拱顶120°范围，环向间距30 cm，倾角15°～25°；φ42注浆小导管每循环布置，环向间距30 cm，布置范围为拱顶120°范围，倾角5°～15°；注浆材料为水∶水泥=1∶0.5～1的水泥净浆。

3.2 开挖及初期支护措施

3.2.1 突泥段

（1）突泥段采用三台阶预留核心土法开挖，先进行上台阶（拱部高度）右侧的开挖（原因：突泥由左侧起拱线涌出，右侧岩石整体性相对较好），由人工手持风镐进行，这样可以最大限度地减小开挖对岩层的扰动；开挖完成后快速支护，拱架采用I20a工字钢，每循环进尺不超过40 cm，右侧开挖出一定的施作空间后，再由右侧向未开挖的左侧打设注浆小导管，完成后进行左侧的开挖及支护；依此循序渐进，直至安全度过突泥段。但需注意的是，此时为保证安全施工，也由于超前管棚的施作，会导致开挖断面小于设计断面，所以要做好各项资料的收集，积极联系设计单位，确定后期的衬砌方案。

（2）突泥段上台阶开挖支护完成后，进行I20a钢架直腿的安装，此时须单侧进行，每次开挖高度视开挖后岩层的稳定情况而定，但不得超过2 m；逐层进行安装，每层钢架采用φ42锁脚导管进行固定，直至接至底板高程后，进行I20a横向支撑的安装，并对直腿采用I18工字钢帮焊进行加强，使初支成环，钢架整体受力。

（3）钢架成环后，进行径向的固结灌浆，灌浆孔排距3 m，梅花形布置，孔深不小于6 m；固结开挖面以外0～6 m的岩层，以形成保护壳，与钢架共同受力以确保施工安全。

3.2.2 凝灰岩富水破碎带

（1）进行凝灰岩富水破碎带开挖前的两个必要条件是：一是边墙泄水孔孔距2 m跟进掌子面且掌子面泄水孔不少于3个；二是每循环开挖对掌子面前方进行超前探孔。

（2）凝灰岩富水破碎带采用三台阶预留核心土法进行开挖。

1）上台阶：上台阶开挖采用预留核心土方法施工，由人工采用风镐进行凿进；每循环进尺控制在50 cm以内，开挖后快速进行支护封闭。

2）中下台阶：中下台阶开挖采用人工开挖，根据岩层稳定情况确定每层开挖高度，接腿超过3节时采用Ⅰ18工字钢进行帮焊加强；中下台阶采用φ42注浆小导管进行锁脚，每次开挖1榀，两侧落底完后设置底板I20a横向支撑进行成环加强。落底封闭成型处与掌子面距离控制不得超过8 m，以确保施工安全。

3.3 排水措施

针对突泥段及凝灰岩富水破碎段的排水措施，需注意的几个原则是：堆积体（核心土）不过流、拱顶不受压、掌子面不受压，水流冲刷堆积体（核心土）会导致堆积体（核心土）被水流带走，拱顶受压存在拱架变形或崩坏的风险，掌子面受压则可能造成更大的突泥涌水。为解决这三个问题，先后在掌子面下方、拱顶、边墙等部位钻设多个排水孔，结果表明有效，掌子面超前管棚的水流由于下方的排水孔而停止流水，说明此段洞室的水系是全部贯通的，可以将水完全向下部引排。同时对掌子面方向流出的少量渗水采用水袋引排，防止水流冲刷堆积体（核心土）。不过需注意的是，凝灰岩遇水变软弱，极易塌孔，排水孔搭设完成后应立即埋设排水管。

4 施工中的注意事项

4.1 加强各项监测、观测

除了加强常规（收敛、沉降、流量等）的监测外，对其可能涉及的隐患部位也要进行加强，如地表、周边建筑物、水质、喷射混凝土是否开裂等，尤其在施工时，拱部是否有异常声响及水量水质的突变是施工观测的重中之重[1]。

4.2 资源准备充足

在处理地质灾害时，面对可能发生的地质灾害，在前期要将所可能需要的物资、设备准备齐全，比如沙袋、抽水泵、模板、网片、管棚、注浆小导管、潜孔钻机、注浆机、输送泵等。

在施工过程中，在开挖将结束时喷射混凝土就必须到场准备，一是保证在开挖完成后立即喷射混凝土及时封闭开挖面，二是在钢架安装完成后及时进行喷射混凝土施工，以尽可能在短的时间内对开挖的临空面进行支护封闭并承受围岩的变形力。

4.3 凝灰岩富水破碎带施工

（1）成立应急管理小组，加强预防突发事故的演练，确保对出现涌泥及涌水等地质灾害时能及时有效应对。

（2）施工步骤要明确，遵循先探后挖、先注后挖、先排后挖、及时支护原则。

（3）用电必须规范。现场值班人员及专职电工必须加强巡视检查，对发现的隐患必须及时处理，确保用电安全。

（4）支护成环一段距离后，必须进行径向固结灌浆施工，固结开挖面以外的岩层，确保施工安全，以防“关门”事故发生。

（5）监测人员在洞内值班，及时进行监测，发现异常及时通知现场操作人员迅速撤离至安全位置。

5 结论

（1）凝灰岩是由火山喷发后的火山灰形成，软弱、破碎、无结构性，且具有随机存在的特性，施工中遇到凝灰岩岩层时，发生地质灾害的可能性大大增加。但当下常规的超前地质预报（TSP、TGS、地质雷达等）方法的可靠性并不高，所以超前探孔的重要性不言而喻，超前探孔能更直观地了解前方的岩层结构，从而对施工更具有针对性。因此，必须加强超前探孔施工，并将其纳入工序进行管理。

（2）凝灰岩是一种火山碎屑岩，其组成的火山碎屑物质有50%以上的颗粒直径小于2 mm。因此浆液在凝灰岩中的扩散效果较差，建议注浆前先注水，让水在凝灰岩中先尽量扩散，形成一定裂隙；再快速注入水泥浆，水泥浆先稀后浓，压力先小后大；最后注入快速凝固的双液浆收尾。如效果不理想，则采用先注水泥浆再注双液浆并停止一段时间，后再依此循环注浆的方式进行注浆加固。

（3）对凝灰岩富水破碎带隧洞的开挖，应做好监控量测、超前支护、排水孔、初期支护加强，最主要的是安全施工，不可盲目追求进度而大面积、大进尺开挖，必要时还应缩小开挖断面以加快初支成环封闭时间。初支完成后，建议衬砌混凝土也应及时紧跟施工，以尽早成环受力。

（4）采用以上的施工方法，虽然进度很缓慢，但是安全、顺利地度过了该突泥段和凝灰岩富水破碎带。