魏文杰

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

中天山隧道超高水壓富水破碎帶施工方法研究

魏文杰

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為解決南疆吐庫二線中天山隧道出口鉆爆法反坡施工中突遇的超高壓涌水施工難題，采取超前地質(zhì)預報和隧道涌水量、水壓及連通性測試，預測前方地質(zhì)情況以及涌水變化規(guī)律。針對掌子面前方超高水壓富水破碎圍巖，結合現(xiàn)場施工情況，對超前注漿堵水、涌水掌子面直接排水、隧道進口施工降壓泄水洞等方案進行比選，最終確定了超前注漿堵水施工方案，成功突破了中天山隧道6.3 MPa超高壓富水破碎段施工，確保了隧道的施工安全。

中天山隧道；反坡；超高水壓；富水破碎帶；超前注漿

0 引言

我國是一個多山的國家，隨著高速公路、鐵路基礎設施的大量建設，隧道工程數(shù)量也在大量增加。為滿足山嶺長大隧道修建的需求，隧道施工技術越來越多地呈現(xiàn)出應用新技術、新方法、新工藝等趨勢。在高壓富水區(qū)修建長大隧道，國內(nèi)外都不同程度地遇到了突泥、涌水現(xiàn)象，給施工和環(huán)境保護帶來了巨大的影響。近年來在不斷地探索中，防涌、防突技術取得了長足的進步。

對于長大隧道高水壓富水破碎帶施工，渝懷鐵路圓梁山隧道巖溶水壓力高達4.2～4.6 MPa，曾發(fā)生多次大規(guī)模突泥、涌水，施工相當困難。李治國等[1]、鄒翀等[2]對高壓富水區(qū)溶洞的注漿和超前支護方案、注漿材料、注漿工藝等進行了研究，通過采取注漿技術順利完成開挖。龍廈鐵路象山隧道施工過程中遇到斷層破碎帶，超前探孔測試涌水壓力為2.0～3.0 MPa，施工中存在突水突泥等地質(zhì)災害問題。魏志昌[3]、張健儒[4]根據(jù)斷層破碎帶地質(zhì)特征采取超前預注漿堵水技術加固地層，有效地防止了施工中突發(fā)涌水等地質(zhì)問題。文獻[5-7]分別研究了帷幕注漿技術、預注漿堵水技術等在不同隧道高壓富水區(qū)中的應用，其富水區(qū)水壓均未超過4 MPa。對于在山嶺隧道建設中遇到靜水壓力達到6.0 MPa以上的超高壓富水破碎帶施工，國內(nèi)尚未有直接采取注漿堵水技術的施工先例，采取何種施工方案可以安全順利通過，需要進行詳細研究論證。

本文以南疆鐵路吐庫二線中天山隧道6.3 MPa超高水壓富水破碎帶施工為例，通過對施工方案進行多方比選，確定了采取超前注漿堵水的施工方案，同時通過工程實踐驗證了超前注漿堵水技術在超高水壓條件下的可行性。

1 工程概況

中天山特長隧道為南疆鐵路吐魯番至庫爾勒段二線的重點工程，隧道最大埋深達1 700 m 以上，隧道設計為雙洞單線式，其中左線全長22 449 m，右線全長22 467 m，左右線相距36 m，隧道進口段采用TBM掘進，出口段采用鉆爆法施工，鉆爆法為反坡排水，其中在左線設置1座長2 547.14 m的斜井(1#斜井，DK158+400處)輔助正洞施工，右線設置1座長2 545.89 m的斜井(2#斜井，DyK158+526處)輔助正洞施工。

2011年10月6日，隧道右線出口鉆爆段掌子面施工至DyK154+901時，在實施超前探孔的過程中出現(xiàn)高壓涌水，出水量約為5 000 m3/d，現(xiàn)場施工被迫停止。2012年5月3日，左線掌子面施工至DK154+856處，實施超前地質(zhì)鉆孔時也出現(xiàn)高壓涌水。

2 高壓富水段超前地質(zhì)預報

2.1 洞內(nèi)超前地質(zhì)預報

2011年12月7日、2012年5月31日采用TSP分別對隧道右線DyK154+901～+733段(長168 m)、左線DK154+856～+706段(共150 m)進行超前地質(zhì)預測，同時在右線掌子面布置4個(左線3個)超前地質(zhì)鉆孔進行更準確的地質(zhì)、水量等探測。其中最深探孔達到38.3 m，此孔在鉆進到12 m處有水流出，水很清澈，水量為200 m3/h；鉆進到13.5 m時水量增加，為252 m3/h，有一定壓力；在13.5～38.3 m鉆進過程中涌水量、水壓持續(xù)增加。最終對隧道左、右線超前地質(zhì)探測資料進行分析，預測隧道高壓富水段長度為73～106 m，高壓富水段圍巖為Ⅲ級至Ⅳ級，其他地段為Ⅱ級。

2.2 突涌水水壓、水量觀測及連通試驗

為了解隧道涌水特性，對左右線隧道涌水進行了水壓、水量、水溫及掌子面涌水的連通試驗。

1)涌水量量測。右線掌子面涌水里程為DyK154+901，涌水量為8 064 m3/d。左線掌子面涌水里程為DK154+856，涌水量為6 524 m3/d。

2)涌水水壓、連通性測試。對隧道左線、右線各安裝了壓力表及閥門的3個探孔進行測試。在左線掌子面一個排水孔漏水的情況下進行連通性測試，從水壓測試情況分析，突水段巖層裂隙發(fā)育，連通性好，水源補給快。關閉左、右線掌子面其他孔閘閥后，專門對隧道右線掌子面剩余的2個排水孔進行水壓測試，水壓前期上升較快，在前50 min內(nèi)達到5.8 MPa，隨后上升緩慢，200 min后測得最大靜水壓力為6.3 MPa。

經(jīng)過對地質(zhì)預報及相關試驗分析，掌子面前方約300 m處為f7斷層，斷層下盤為志留系片巖夾砂巖，上盤為閃長巖。根據(jù)突涌水水量大、壓力高的特點，分析地下水類型主要為斷層接觸帶層間水。同時根據(jù)掌子面超前地質(zhì)鉆孔、水量及水壓測量試驗，采用古德曼經(jīng)驗式、水壓力法及單長水量進行估算，預測隧道高壓富水段正常涌水量為1.6萬m3/d，最大涌水量可達到3.2萬m3/d[8]。

3 高壓富水段施工方案研究

3.1 方案1：超前注漿堵水方案

隧道出口鉆爆段高壓富水破碎帶采取超前注漿堵水技術通過，進口段采取TBM繼續(xù)正常掘進。受出口涌水段水壓高達6.3 MPa影響，為確保注漿效果，采取超前注漿的同時進行泄水降壓。隧道左、右線2作業(yè)面可同時開展施工，互不干擾。

3.1.1 泄水孔降壓

在掌子面上布設泄水孔，開孔里程設置在掌子面后方5～10 m，終孔位于加固圈范圍外2 m，分別在掌子面四角各設1個(右上泄水孔、右下泄水孔、左上泄水孔和左下泄水孔)，泄水孔內(nèi)設有泄水管，泄水管上設有閥門，注漿時打開水閥降低水壓。

3.1.2 超前注漿堵水

注漿時，采用注漿局域劃分，對角泄水引導注漿方式，加大注漿、泄水孔空間距離。當泄水孔出現(xiàn)串漿時，若注漿壓力低于普通水泥水玻璃雙液漿(C-S漿)凝結強度時，采用C-S漿封堵串漿。注漿壓力高于C-S漿凝結強度后，且串漿量超過注入量的50%時，關閉泄水孔進行頂水注漿。注漿結束后，立即打開泄水孔，如出現(xiàn)泄水孔被注漿封堵，立即重掃，再進行下步注漿施工。注漿工序完成后，再進行鉆孔排水降壓，然后實施隧道開挖。

該方案中，進口TBM正常施工，出口采用泄水降壓超前注漿處理涌水段，其中每循環(huán)注漿作業(yè)+開挖需1.4個月，TBM按230 m/月考慮，拆卸洞(60 m)按4個月考慮。根據(jù)對現(xiàn)場施工進展及剩余段落施工組織分析，左線隧道貫通需要11.7個月，右線隧道貫通需要11.2個月。

3.2 方案2：出口涌水掌子面直接排水方案

根據(jù)掌子面前方物探、超前鉆探結果綜合分析，富水段圍巖為Ⅲ級至Ⅳ級圍巖，左線、右線掌子面涌水為6 524 m3/d和8 064 m3/d。在該種地質(zhì)條件下，考慮采用超前小導管或超前管棚預加固圍巖，提高施工安全性。由于隧道出口為反坡施工，現(xiàn)有排水系統(tǒng)排水能力太低，需提高排水能力。

該方案進口TBM正常施工，出口富水段采取超前預支護措施施工，進度指標為30 m/月，TBM掘進指標按230 m/月考慮，正常段120 m/月，拆卸洞(60 m)按4個月考慮。根據(jù)對現(xiàn)場施工進展及剩余段落施工組織分析，左線隧道貫通需10.7個月，右線隧道貫通需7.8個月。

3.3 方案3：進口施工降壓泄水洞方案

出口掌子面封堵暫停施工，進口TBM施工靠近富水段時停止掘進，然后采用鉆爆法施工迂回導洞對前方富水段進行泄水降壓，降壓后采用拱部超前支護等措施施工富水段。

1)右線TBM掘進至DyK154+672時，停止掘進，在設備尾部對應里程DyK154+597處采用鉆爆法施工迂回導洞至DyK154+682，轉換為泄水洞斷面施工至DyK154+901，為出口端泄水降壓；進口端再迂回至TBM前方用鉆爆法施工正洞。

2)左線、右線施工泄水洞之后，出口端可開始施工。進口施工降壓泄水洞平面布置見圖1。

圖1 進口施工降壓泄水洞平面布置圖(單位：m)Fig.1 Plan layout of water releasing tunnel in entrance section of Zhongtianshan tunnel (m)

該方案工法轉換考慮1個月，TBM掘進指標按230 m/月考慮，正常段120 m/月，拆卸洞(60 m)按4個月考慮。根據(jù)對現(xiàn)場施工進展及剩余段落施工組織分析，左線隧道貫通需14.9個月，右線隧道貫通需13.6個月。

3.4 方案對比

見表1。

表1 3種施工方案比選表Table 1 Comparison and contrast among three different options

經(jīng)過對上述3種方案進行充分對比分析，采用超前注漿堵水施工方案能夠確保施工安全，施工工期可控，為推薦采用方案。

4 高壓富水段超前注漿方案實施

結合隧道高壓富水段圍巖狀況及隧道排水能力等，高壓富水段施工處理原則確定為“注漿減排、排水降壓”[9]，同時通過注漿試驗確定注漿方式、注漿設備、注漿參數(shù)和注漿材料，保證在6.3 MPa超高水壓條件下實施全斷面超前注漿方案的可行。超前注漿方案具體實施過程如下。

4.1 止?jié){墻施工

開挖接近預定位置時，根據(jù)超前炮孔和開挖面的情況，選擇止?jié){墻施作位置，止?jié){墻設置厚度為3 m。為穩(wěn)定止?jié){墻，將止?jié){墻下部擴挖50 cm，將止?jié){墻嵌入基巖，同時在止?jié){墻周邊安裝接茬筋。止?jié){墻施工示意見圖2。

圖2 止?jié){墻施工示意圖(單位：cm)Fig.2 Sketch of construction of grout stopping wall(cm)

4.2 分區(qū)定位

通過超前探孔，對掌子面進行“分區(qū)定位”，將掌子面布孔范圍劃分為弱水區(qū)、一般區(qū)和強水區(qū)(弱水區(qū)水量Q≤10 m3/h，一般區(qū)水量1030 m3/h)；然后根據(jù)分區(qū)涌水量及地質(zhì)情況，有針對性地確定合理的注漿加固范圍及鉆孔間距。

4.3 鉆設泄水孔

注漿前，在掌子面四角各設有1個泄水孔，分別為右上泄水孔、右下泄水孔、左上泄水孔和左下泄水孔。泄水孔開孔位置設置在掌子面后方約10 m處，終孔設置于加固圈范圍外2 m。泄水孔布置見圖3。

4.4 注漿加固范圍及開挖長度

根據(jù)超前地質(zhì)預報資料分析，Ⅱ級至Ⅲ級圍巖采用周邊注漿，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m。每循環(huán)預留止?jié){巖盤長度可根據(jù)開挖揭示地質(zhì)情況及注漿效果預留2～4 m；開孔位置和終孔位置均按環(huán)形布孔方式；Ⅳ級至Ⅴ級圍巖采用全斷面注漿，注漿范圍為開挖輪廓線外8 m；每循環(huán)預留止?jié){巖盤長度，可根據(jù)開挖揭示地質(zhì)情況及注漿效果預留4～6 m。

X代表泄水孔；A代表注漿孔。

圖3注漿泄水孔布置圖
Fig.3 Layout of water releasing holes

4.5 注漿方式、參數(shù)及材料選擇

注漿方式采用前進式分段注漿與孔底注漿相結合的方式。每循環(huán)縱向加固長度確定為30 m，終孔間距不大于3.75 m，注漿終壓控制在6～8 MPa，漿液擴散半徑為2.5 m。注漿材料主要采用普通水泥單液漿(W∶C為0.6∶1～1∶1)。當出現(xiàn)串漿時，采用普通水泥-水玻璃雙液漿(W∶C為0.8∶1～1∶1，水泥、水玻璃體積比=1∶(1～0.3)，水玻璃濃度為30～35 Be′)?？紤]注漿后允許部分巖體滲水以及材料成本，本方案注漿材料不考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿。

4.6 分區(qū)域實施注漿

采用“劃分注漿局域，對角泄水降壓”的原則，對左上區(qū)域注漿時，開啟右下泄水孔進行泄水；對左下區(qū)域位注漿時，開啟右上泄水孔進行泄水；對右上區(qū)域注漿時，開啟左下泄水孔進行泄水；對右下區(qū)域注漿時，開啟左上泄水孔進行泄水，如此交替進行。

注漿過程中出現(xiàn)串漿時，當注漿壓力低于雙液漿凝結強度時，采用雙液漿封堵串漿；注漿壓力高于雙液漿凝結強度后，通過關閉泄水孔進行頂水注漿，注漿壓力達到設計標準后結束注漿。

4.7 注漿效果檢查及評定

針對隧道高壓富水節(jié)理密集帶施工特點，結合長大隧道反坡排水能力，確定了檢查孔允許出水量標準：一般情況下不大于2.5 L/(min·m)；在圍巖完整段，最大不超過5 L/(min·m)?，F(xiàn)場對一個循環(huán)注漿后檢查孔出水量進行測量，各檢查孔終孔出水量都小于5 L/(min·m)(見表2)，滿足開挖要求，且在檢查孔鉆設過程中鉆速快，無卡鉆現(xiàn)象，達到注漿結束標準要求。

表2檢查孔各段出水情況
Table 2 Water seepage of inspection holes

孔號孔深/m開始出水位置/m22m處出水量/(L/(min·m))終孔出水量/(L/(min·m))檢128．6180．210．27檢229．0220．020．35檢329．800檢429．4150．51．72檢528．8141．63．17檢628．1180．71．68檢728．1190．92．85檢828．3210．030．21

4.8 注漿結束后鉆孔泄水降壓

注漿完成后，在掌子面后方10 m鉆設2個泄水孔排水泄壓(左、右側各設1個)，降低圍巖背后水壓力，保障隧道開挖和運營安全。

5 開挖支護

對隧道高壓富水段實施超前注漿后，采用上、下臺階法實施開挖，每循環(huán)開挖進尺Ⅱ級和Ⅲ級圍巖不超過2 m，Ⅳ級圍巖不大于1 m。考慮高水壓對圍巖的影響，初期支護采取加強支護，在Ⅱ級和Ⅲ級圍巖地段初期支護噴射23 cm厚C25混凝土，拱部120°范圍設φ25 mm中空錨桿，邊墻設φ22 mm砂漿錨桿，間距為1.2 m×1 m，長度為2 m，隧道全環(huán)安設I16型鋼拱架，間距為1m；在Ⅳ級圍巖地段初期支護噴射30 cm厚C25混凝土，拱部120°范圍設φ25 mm中空錨桿，邊墻設φ22 mm砂漿錨桿，間距為1.0 m×0.8 m，長度為2.5 m，隧道全環(huán)安設I22b型鋼拱架，間距為0.8 m；在噴混凝土時安設盲管，將滲漏水集中經(jīng)排水溝引排。

6 結論與討論

1)通過對隧道高壓富水段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及施工實際情況分析，采用超前預注漿施工方案是切實可行的。

2)在注漿開始前，為保證注漿施工安全，需要先施作泄水降壓孔；在注漿完成后，為保證開挖工作在低壓狀態(tài)下進行，在開挖前需在注漿加固圈以外施作降壓孔排水降低圍巖承受的壓力，以保障隧道開挖安全。

3)隧道開挖后，對掌子面圍巖裂隙處擴散漿液進行分析，破碎巖層內(nèi)的滲水裂隙均通過注漿得到填充，掌子面僅有局部裂隙水滲漏現(xiàn)象，總涌水量約為13 m3/h，比注漿前明顯減小，達到了預期效果。

中天山隧道高壓富水段施工為反坡排水，隧道排水系統(tǒng)能力有限，繼續(xù)加大排水設施投入不經(jīng)濟，必須采取注漿堵水措施控制隧道總涌水量。今后類似工程若為順坡排水，或者隧道排水能力配置充足富余，則可考慮采用掌子面直接排水的方案通過，施工投入費用和工期均可得到較大節(jié)省。本工程具體實施效果有待日后類似工程驗證。

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TunnelingthroughWater-richFracturedZonewithSuper-highWaterPressureCaseStudyonZhongtianshanTunnel

WEI Wenjie

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Water gushing with super-high pressure occurs in the down-slope construction of the exit section of Zhongtianshan tunnel on the second Turpan-Korla railway in Xinjiang,China.Advance geology prediction and tests on the water inflow rate,water pressure and water conductivity are made to forecast the geological conditions ahead of the tunnel face and the variation pattern of the water inflow.Three options,i.e.,advance grouting option,direct water releasing option and option of installing water releasing tunnel from the entrance section of Zhongtianshan tunnel,are proposed to cope with the super-high pressure water-rich fracture zone.In the end,the advance grouting option is adopted and the water-rich fractured zone with 6.3 MPa water pressure has been successfully tunneled through.

Zhongtianshan tunnel; down-slope tunneling; super-high water pressure; water-rich fracture zone; advance grouting

2014-02-12;

2014-03-25

魏文杰(1972—)，男，河南鞏義人，1995年畢業(yè)于蘭州鐵道學院,隧道及地下工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.014

U 45

A

1672-741X(2014)05-0484-05