李 彬，賴志輝，彭德民

(保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣州 510620)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)南方地區(qū)的山嶺隧道不斷增多，多條隧道出現(xiàn)突泥涌水和高壓涌水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度及安全，甚至導(dǎo)致項(xiàng)目通車時(shí)間一拖再拖。超前帷幕注漿雖然能較好地解決高壓涌水問題，但費(fèi)用高、工期長(zhǎng)，往往導(dǎo)致建設(shè)工期大幅度延長(zhǎng)，工程變更費(fèi)用居高不下。而采用帶壓帶水作業(yè)，進(jìn)度較快，費(fèi)用較少，但安全風(fēng)險(xiǎn)高。因此在圍巖穩(wěn)定性較好的條件下，采用合理的技術(shù)手段和管理措施確保安全實(shí)施高壓帶水作業(yè)，是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要因素，也是急需解決的技術(shù)和管理難題。

隧道內(nèi)涌水是危害施工安全和結(jié)構(gòu)安全的重要因素，每年因涌水出現(xiàn)的事故和損失經(jīng)常發(fā)生，隨著治水“防、排、堵、截”技術(shù)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。吳應(yīng)明，任少?gòu)?qiáng)[4]依托巖鷹隧道對(duì)逆沖強(qiáng)涌水?dāng)鄬痈呶恍顾┕ぜ夹g(shù)進(jìn)行了研究；劉剛[9]依托太行山隧道對(duì)帶水作業(yè)技術(shù)進(jìn)行了介紹；張鵬[1]介紹了高黎貢山隧道帶水施工措施。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般隧道涌水處治方式為低壓帶水作業(yè)或采取注漿堵水后作業(yè)，技術(shù)應(yīng)用相對(duì)成熟，但高壓帶水作業(yè)的應(yīng)用實(shí)例尚不多見。我國(guó)南方地區(qū)深埋特長(zhǎng)隧道多出現(xiàn)高壓涌水情況，而部分特長(zhǎng)山嶺隧道巖體強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，采用帶水作業(yè)相較超前帷幕注漿可大幅節(jié)省工期，降低建設(shè)成本，確保按期通車，因此針對(duì)圍巖較好地段采取帶水作業(yè)的技術(shù)研究愈發(fā)重要。

本文以高壓富水公路隧道帶水作業(yè)施工為例，結(jié)合以往富水隧道的研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)，介紹高壓富水地層帶水作業(yè)綜合施工技術(shù)，期望能給類似高壓帶水作業(yè)施工提供參考。

1 工程概況

鴻圖特長(zhǎng)隧道位于梅州市豐順縣湯西鎮(zhèn)及五華縣郭田鎮(zhèn)，從蓮花山山脈八鄉(xiāng)山位置通過，右洞長(zhǎng)6 350m，左洞長(zhǎng)6 336m，最大埋深739.9m，為雙向4車道分離式隧道。隧址區(qū)受區(qū)域構(gòu)造蓮花山斷裂帶、蓮花山斷裂伴生北西向斷裂、桐子洋復(fù)向斜褶皺影響，沿線分布多條斷裂，隧道需穿越隧址區(qū)中間洼地的網(wǎng)格狀構(gòu)造發(fā)育段。網(wǎng)格狀構(gòu)造發(fā)育段的具體位置如圖1所示。

圖1 鴻圖特長(zhǎng)隧道地表網(wǎng)格狀構(gòu)造發(fā)育段平面

2020年4月25日～5月23日，隧道左、右線分別開挖至ZK91+163、K91+169時(shí)進(jìn)行超前探水。經(jīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，單洞最大涌水量約為1 650m3/h，最大靜水壓力為4.8MPa，經(jīng)過5個(gè)循環(huán)的帷幕注漿及開挖后，隧道掌子面前方仍出現(xiàn)高壓涌水，涌水量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)值。

截至2020年1月4日，進(jìn)口右線掌子面開挖至里程K91+343，掌子面圍巖主要為中～微風(fēng)化安山玢巖，堅(jiān)硬巖～較硬巖。圍巖主要受構(gòu)造裂隙影響，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體局部較破碎，整體穩(wěn)定性較好，局部破碎部位開挖后拱部易掉塊。在施作超前水平地質(zhì)鉆孔過程中，位于掌子面右側(cè)的水平鉆孔(孔深21m)中地下水呈噴涌狀出水，噴射距離約10m；左側(cè)水平鉆孔(孔深14m)中地下水亦呈噴涌狀出水，噴射距離約4m；拱頂一周邊眼呈涌流狀出水，噴水距離1～2m。當(dāng)前掌子面水壓較大，工人無法作業(yè)，如圖2所示。

圖2 K91+343掌子面高壓涌水

經(jīng)專家進(jìn)一步分析研討后，認(rèn)為考慮圍巖穩(wěn)定性較好，地下水清澈，超前帷幕注漿雖然堵水效果好，作業(yè)安全，但進(jìn)度慢、費(fèi)用高，采用鉆孔泄水降壓后帶水作業(yè)方案適合鴻圖特長(zhǎng)隧道的實(shí)際情況。

2 涌水原因分析

2.1 工程水文地質(zhì)

隧址區(qū)地表水系發(fā)育，植被茂盛，雨量充沛，地下水豐富，蓮花山斷裂帶影響范圍大。隧道穿過地層巖性主要為J3 火山巖(凝灰?guī)r及安山玢巖)和花崗巖，F(xiàn)4-5斷層和F2-6斷裂及次級(jí)斷裂和節(jié)理發(fā)育，形成棋盤網(wǎng)格狀構(gòu)造，受北東走向的大浦-海豐斷裂與北西走向的深圳-五華斷裂控制，J3 的花崗巖和火山巖為主要含水層且地下水位較高，約為700～750m，連通性較好，而區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)標(biāo)高低，約為277m。在以上因素的影響下，加上隧道不斷地開挖掘進(jìn)，擾動(dòng)了圍巖，破壞了原有地下水和圍巖的平衡狀態(tài)，掌子面裂隙與棋盤網(wǎng)格狀構(gòu)造斷層及斷裂相連通，改變了地下水通道，在高水位的作用下，最終形成高壓涌水，對(duì)隧道內(nèi)施工人員和機(jī)械造成嚴(yán)重的安全威脅[1]。

2.2 洞內(nèi)涌水量觀測(cè)結(jié)果

施工期間通過每天對(duì)洞內(nèi)涌水量和季節(jié)性降雨、地表水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理和分析，得到鴻圖特長(zhǎng)隧道洞口涌水量與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 鴻圖特長(zhǎng)隧道洞口涌水量與時(shí)間關(guān)系曲線

從觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，在帶水作業(yè)前期泄壓降水階段，隨著泄水通道的不斷打開，涌水量達(dá)到峰值，在開挖的繼續(xù)掘進(jìn)和持續(xù)泄水的作用下，水壓逐漸被分散降低，涌水量有所下降。

2.3 地下水補(bǔ)給、連通特征

從地下水的類型來看，主要可分為構(gòu)造裂隙水和節(jié)理裂隙水。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)造裂隙水主要分布于地質(zhì)斷裂帶[4]，隧道開挖至棋盤網(wǎng)格狀構(gòu)造段，斷層、斷裂、寬張裂隙或?qū)拸埩严睹芗?，?dǎo)通上部含水層，易產(chǎn)生高壓涌水[9]。經(jīng)過一段時(shí)間的泄排水后，構(gòu)造裂隙水逐漸消耗完畢，地下水來源主要為大氣降雨補(bǔ)給及蓮花山斷裂影響范圍內(nèi)的節(jié)理裂隙水側(cè)向補(bǔ)給，以及地表水和地下水相互補(bǔ)充。

帶水作業(yè)前期，右洞為先行洞，涌水量遠(yuǎn)大于左洞涌水量。后期隨著左洞緊隨其后，分擔(dān)了部分涌水量，使左、右洞涌水量逐漸趨于接近，表明左、右洞圍巖張性裂隙與F4-5和F2-6斷層及次級(jí)斷裂相互交錯(cuò)，連通性較好。

3 高壓帶水作業(yè)綜合施工技術(shù)

3.1 隧道突涌水預(yù)警

3.1.1 長(zhǎng)距離涌水預(yù)警

根據(jù)前期隧道隧址區(qū)水文地質(zhì)報(bào)告、地勘資料及設(shè)計(jì)圖紙等所涉及的斷層或斷裂頂面與隧道交叉樁號(hào)、斷層的傾向、傾角和埋深，初步計(jì)算推測(cè)出隧道將于某段附近出現(xiàn)涌水風(fēng)險(xiǎn)，粗略劃定超前水平探孔施作范圍。再根據(jù)洞內(nèi)出水裂隙情況與斷層或斷裂描述相比較，初步確定隧道是否進(jìn)入斷層或斷裂影響范圍。

通過以上分析方法和信息，可以大致判斷斷層群先后遇到的順序，主斷層間距，斷層影響范圍，掌子面首先出現(xiàn)涌水的部位及主控節(jié)理面傾向及傾角，用于預(yù)判涌水出現(xiàn)的位置。

3.1.2 中短距離涌水預(yù)警

通過地質(zhì)雷達(dá)法(30m)、瞬變電磁法(90m)、TGP預(yù)報(bào)(120m)3種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，對(duì)前期的預(yù)判進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證，用于實(shí)施超前水平鉆孔泄水和涌水預(yù)警參考。

3.1.3 短距離預(yù)警

如遇以下3種情況，則需引起高度重視并立即施作超前水平鉆孔探水和探明前方地質(zhì)情況。(1)掌子面某一部位的涌水量突然增加，并且有向整個(gè)掌子面發(fā)展的趨勢(shì)；(2)周邊眼施作過程中有高壓水射出或高壓氣噴出；(3)出現(xiàn)與水文地質(zhì)資料中描述相似的斷層或構(gòu)造裂隙發(fā)育帶特征并富水。施作探水孔時(shí)應(yīng)選擇合適的位置，避免涌水射出后影響后續(xù)工序施工。

3.1.4 繪制主要出水裂隙平面圖

根據(jù)掌子面出水裂隙走向及超前水平鉆孔涌水點(diǎn)位置，通過兩個(gè)及以上涌水點(diǎn)連線繪制該出水張性裂隙在雙洞開挖輪廓線以外15m范圍內(nèi)的位置，為后續(xù)實(shí)施精準(zhǔn)泄水降壓孔提供依據(jù)。

3.2 超前泄水降壓

在掌子面實(shí)施泄水壓降的主要目的，是將高壓涌水轉(zhuǎn)換為低壓涌水，通過打通新的泄水通道改變主要涌水方向，改善工人打眼裝藥的作業(yè)環(huán)境，降低操作難度和施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.1 單洞泄水降壓

根據(jù)主要出水裂隙平面圖，提前至少5m在掌子面?zhèn)缺谝砸欢ǖ耐獠褰鞘┳鞒八叫顾?。泄水孔深度不小于開孔位置與主要出水裂隙垂直距離，即打穿出水裂隙直至將部分涌水引至鉆孔位置排出，如圖4所示。

圖4 主要出水裂隙平面

超前泄水降壓孔宜根據(jù)出水點(diǎn)位置、斷層和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，設(shè)置適當(dāng)?shù)耐獠褰遣荚O(shè)于靠近掌子面開挖輪廓線內(nèi)側(cè)，采用φ110mm孔徑。當(dāng)涌水壓力較大時(shí)，可適當(dāng)加密布設(shè)，直至水壓減小至可帶水作業(yè),如圖5所示。

圖5 泄水降壓效果

超前水平泄壓降水孔施作完畢后，預(yù)留5m不開挖，根據(jù)下一輪超前探水情況確定是否繼續(xù)開挖或泄水。

3.2.2 左、右洞聯(lián)合泄水降壓

通過前期的證明與判斷，左、右洞出水裂隙是連通的，可通過隧道洞內(nèi)主要出水裂隙平面圖(圖4)預(yù)測(cè)另一個(gè)洞出水裂隙的大致樁號(hào)位置，左、右洞可采用一個(gè)洞超前作為泄水洞，另一個(gè)洞緊隨其后。當(dāng)超前洞水壓水量過大無法實(shí)施帶水作業(yè)時(shí)，可通過在兩洞之間巖體或后行洞打設(shè)超前泄水降壓孔增大出水?dāng)嗝?，降低超前洞涌水壓力和涌水量?/p>

3.2.3 超前水平鉆-多臂臺(tái)車聯(lián)合泄水降壓

超前水平鉆孔長(zhǎng)度最大可達(dá)150m，但受設(shè)備操作制約，施作高度和角度范圍有限。同時(shí)隨著鉆孔深度的增加，容易卡鉆，鉆孔效率降低，進(jìn)行全方位鉆孔需操作平臺(tái)輔助，部位位置難以施鉆，造成泄水降壓盲區(qū)。多臂鑿巖臺(tái)車可快速進(jìn)行全方位鉆孔，但長(zhǎng)度有限(5m)，可與超前水平鉆孔搭配使用，長(zhǎng)短結(jié)合，高低搭配。超前水平鉆孔用于探明前方地質(zhì)及涌水情況，同時(shí)兼作泄水降壓孔；多臂鑿巖臺(tái)車在周邊眼外側(cè)設(shè)置適當(dāng)?shù)耐獠褰遣荚O(shè)鉆孔進(jìn)行掃盲，鉆孔環(huán)向間距2m，當(dāng)涌水壓力較大時(shí)，可適當(dāng)加密布設(shè)，進(jìn)一步分散水壓，降低打眼和裝藥的難度。

3.3 帶水作業(yè)施工

3.3.1 人工-多臂鑿巖臺(tái)車聯(lián)合鉆眼裝藥

超前水平鉆-多臂鑿巖臺(tái)車聯(lián)合泄水降壓后，采取以鑿巖臺(tái)車為主，人工配合為輔及短進(jìn)尺、快循環(huán)掘進(jìn)的方法，進(jìn)行開挖鉆孔爆破施工。因炮眼孔水流速大而無法裝藥的孔位，應(yīng)在周邊繼續(xù)開孔降低炮眼水流速后，用防水膠帶將炸藥捆綁固定在竹片或鋼筋后送進(jìn)孔位，并用木楔或石頭固定孔口。

針對(duì)部分周邊眼位置水流速較快，難以裝藥，鉆孔太多影響爆破效果，可實(shí)施分部開挖，先起爆除周邊眼外的其余炮眼，待水流方向改變后，再實(shí)施周邊眼人工補(bǔ)充打眼裝藥，二次擴(kuò)挖。人工作業(yè)前先在出水量大的位置設(shè)置防水板和排水管，將裂隙水引排至拱腳水溝處排出，為工人操作創(chuàng)造良好的條件。開挖時(shí)適當(dāng)放大開挖輪廓線，為初期支護(hù)預(yù)留引水通道或預(yù)埋管線位置，復(fù)噴后不影響二襯厚度。

圖6 人工-多臂鑿巖臺(tái)車聯(lián)合開挖

3.3.2 帶水施作初期支護(hù)

為保證作業(yè)人員安全和初期支護(hù)的施工質(zhì)量，富水段開挖排險(xiǎn)后，根據(jù)出水點(diǎn)位置及涌水量大小及面積，采用散水收集、集中排放與直接接管排放相結(jié)合的方法，控制水流線路方向，盡可能地減少對(duì)后續(xù)工序的影響。具體方案：

(1)立即安裝鋼拱架，針對(duì)集中股狀出水點(diǎn)和片狀淋雨?duì)畛鏊謩e在鋼拱架背后安裝引水半圓管和鋪設(shè)防水板，將散水收集后再通過引水管引至兩側(cè)拱腳，拱腳處設(shè)置半圓防水板排水槽將水排至下游側(cè)溝。噴射混凝土前，在防水板與鋼拱架之間用高強(qiáng)砂漿墊塊隔離，并鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片，以增加噴射混凝土的附著力。對(duì)于涌水量過大的部位，在保證安全的情況下，可以預(yù)留局部拱架間暫不噴錨支護(hù)，預(yù)埋排水管作為泄水通道(圖7)。

圖7 拱架間預(yù)埋排水管排水

(2)巖壁在流水狀態(tài)下，噴射混凝土極難附著于巖面，因此先將易附著噴射混凝土的區(qū)域噴射完，再對(duì)難附著于巖面的部分加大速凝劑用量，多次復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。對(duì)于流速過大的部位，可以暫不噴射，后期通過埋管引水后再分次進(jìn)行補(bǔ)噴。

(3)初期支護(hù)完成后，若出現(xiàn)因背后水壓過大導(dǎo)致噴射混凝土開裂，為確保安全，在拱腳增設(shè)φ42mm鋼管鎖腳。拱腳鎖住后再在積水部位打設(shè)泄水孔，鋪設(shè)半圓管或引水管后再進(jìn)行復(fù)噴，減輕初期支護(hù)背后的水壓，如圖8所示。

圖8 初支打孔泄壓

(4)針對(duì)出水裂隙的分布情況和可能出現(xiàn)噴射混凝土背后空洞的位置，預(yù)埋注漿管，待噴射混凝土完成后，再進(jìn)行后注漿。

3.3.3 富水段仰拱(整平層)施工

(1)利用攔水壩節(jié)流。為保證仰拱(整平層)混凝土的施工質(zhì)量，富水段落的仰拱(整平層)施工根據(jù)涌水量大小采用截流排放的方法，在來水方向設(shè)置攔水壩阻斷水流流向仰拱，并通過架設(shè)鋼管或用鋼筋固定的半圓防水板將水引至下游水溝，盡可能減少流水對(duì)仰拱混凝土的沖刷。

(2)仰拱開挖后底部經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)冒水現(xiàn)象，施工區(qū)域難以保持干燥狀態(tài)。在仰拱兩側(cè)端頭施作集水坑，設(shè)置抽水泵，降低地下水位，將水抽排至下游水溝排出，確保仰拱施工在少水的環(huán)境下進(jìn)行，如圖9所示。

圖9 仰拱帶水作業(yè)

(3)預(yù)埋橫向透水管。對(duì)于整平層底部冒水的現(xiàn)象，先開挖橫向排水溝，鋪設(shè)橫向φ100HDPE硬式透水管，并用土工布包裹，周邊用碎石填充，頂面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片后再澆筑混凝土。

3.4 帶水作業(yè)段后期處理措施

由于富水段落涌水量較大，容易造成初期支護(hù)背后空洞，隧道洞內(nèi)涌水量接近或超過隧道排水系統(tǒng)能力，導(dǎo)致后期襯砌背后水壓較大。同時(shí)地下水位較高將會(huì)滲入隧道路面結(jié)構(gòu)，影響后期運(yùn)營(yíng)安全和破壞洞內(nèi)路面結(jié)構(gòu)。根據(jù)限量排放的原則，同時(shí)考慮完全封堵后水壓上升造成結(jié)構(gòu)破壞，根據(jù)富水段落出水的實(shí)際情況采用全斷面或局部徑向后注漿止水將地板以上出水裂隙封堵。注漿壓力控制在1.0～1.5MPa，按先拱頂后兩側(cè)，自上而下的順序進(jìn)行，引導(dǎo)地下水流入側(cè)式暗溝或從地板滲出。再通過設(shè)置中心排水溝使地下水位進(jìn)一步下降，引排至中心排水溝，確保隧道路面結(jié)構(gòu)層在無水狀態(tài)下施工。

3.4.1 徑向后注漿

(1)沿裂隙兩側(cè)注漿。針對(duì)張開裂隙帶狀出水情況，采用沿主裂隙兩側(cè)注漿，每側(cè)兩排，注漿間距為間距為150cm×150cm，呈梅花形布置注漿孔，且在集中出水點(diǎn)注漿孔處進(jìn)行加密處理，跳空間隔分階段鉆孔注漿。

(2)底板以上全斷面后注漿。若出水裂隙較為發(fā)育，拱底以上部位大面積淋雨?duì)畛鏊?，為確保注漿效果，采用底板以上全斷面徑向后注漿方案。注漿孔間距為150cm×150cm，呈梅花形布置，注漿范圍適當(dāng)超出涌水段范圍。

(3)斷層處后注漿。由于斷層部位圍巖破碎，填充物主要由斷層泥和細(xì)顆粒組成，易在涌水沖刷的作用下被水帶出，造成襯砌背后空洞越來越大，一般的徑向后注漿難以控制和達(dá)到效果。對(duì)斷層背后的空洞位置采用噴送防水混凝土填充，為確保結(jié)構(gòu)安全，填充須分多次進(jìn)行，待混凝土填充至拱頂后再沿?cái)鄬觾蓚?cè)進(jìn)行徑向后注漿。

3.4.2 中心排水溝

為減輕襯砌背后的水壓，緩解兩側(cè)排水暗溝排水壓力，在隧道超車道下各增加一條 80cm(寬)×60cm(深)的中心排水溝，并在中心排水溝兩側(cè)設(shè)置橫向?qū)?，連通側(cè)式暗溝，將底板滲水引至中心排水溝，改善洞內(nèi)路面施工環(huán)境，如圖10所示。

圖10 隧道中心排水溝斷面

4 帶水作業(yè)與帷幕注漿工效比較

根據(jù)表1可知，帶水作業(yè)相較于帷幕注漿施工進(jìn)度快、費(fèi)用低。帶水作業(yè)后實(shí)施后注漿可與掌子面開挖同步進(jìn)行，不影響開挖進(jìn)度，工期處于可控狀態(tài)。

表1 帶水作業(yè)與帷幕注漿工效比較

5 結(jié)論與建議

(1)鴻圖特長(zhǎng)隧道作為大豐華高速公路的控制性工程，是實(shí)現(xiàn)通車目標(biāo)的關(guān)鍵工程。通過在鴻圖隧道高壓富水段落采用帶水作業(yè)綜合施工技術(shù)，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了建設(shè)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了安全順利貫通。

(2)分散水壓是高壓帶水作業(yè)轉(zhuǎn)換為低壓帶水作業(yè)成敗的重要因素，應(yīng)重視地質(zhì)編錄和對(duì)張性出水裂隙的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)。通過選擇合理的截、排水和注漿堵水方式控制水流線路方向，保障隧道良好的作業(yè)環(huán)境。

(3)帶水作業(yè)后通過徑向后注漿和增設(shè)中心排水溝，將隧道圍巖裂隙涌水位進(jìn)一步控制在底板以下，保證隧道路面結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和耐久性。

(4)本文僅對(duì)鴻圖隧道特殊的地質(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性的分析，但對(duì)其它山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件可能不具有普遍的適用性，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步研究。