高压富水公路隧道带水作业施工

2021-09-09赖志辉彭德民

广东公路交通 2021年4期

李彬，赖志辉，彭德民

(保利长大工程有限公司，广州 510620)

0 引言

近年来，随着我国南方地区的山岭隧道不断增多，多条隧道出现突泥涌水和高压涌水现象，严重影响隧道施工进度及安全，甚至导致项目通车时间一拖再拖。超前帷幕注浆虽然能较好地解决高压涌水问题，但费用高、工期长，往往导致建设工期大幅度延长，工程变更费用居高不下。而采用带压带水作业，进度较快，费用较少，但安全风险高。因此在围岩稳定性较好的条件下，采用合理的技术手段和管理措施确保安全实施高压带水作业，是实现安全生产的重要因素，也是急需解决的技术和管理难题。

隧道内涌水是危害施工安全和结构安全的重要因素，每年因涌水出现的事故和损失经常发生，随着治水“防、排、堵、截”技术的不断发展，很多学者进行了深入的研究。吴应明，任少强[4]依托岩鹰隧道对逆冲强涌水断层高位泄水施工技术进行了研究；刘刚[9]依托太行山隧道对带水作业技术进行了介绍；张鹏[1]介绍了高黎贡山隧道带水施工措施。根据文献调查发现，一般隧道涌水处治方式为低压带水作业或采取注浆堵水后作业，技术应用相对成熟，但高压带水作业的应用实例尚不多见。我国南方地区深埋特长隧道多出现高压涌水情况，而部分特长山岭隧道岩体强度高，稳定性好，采用带水作业相较超前帷幕注浆可大幅节省工期，降低建设成本，确保按期通车，因此针对围岩较好地段采取带水作业的技术研究愈发重要。

本文以高压富水公路隧道带水作业施工为例，结合以往富水隧道的研究成果和施工经验，介绍高压富水地层带水作业综合施工技术，期望能给类似高压带水作业施工提供参考。

1 工程概况

鸿图特长隧道位于梅州市丰顺县汤西镇及五华县郭田镇，从莲花山山脉八乡山位置通过，右洞长6 350m，左洞长6 336m，最大埋深739.9m，为双向4车道分离式隧道。隧址区受区域构造莲花山断裂带、莲花山断裂伴生北西向断裂、桐子洋复向斜褶皱影响，沿线分布多条断裂，隧道需穿越隧址区中间洼地的网格状构造发育段。网格状构造发育段的具体位置如图1所示。

图1 鸿图特长隧道地表网格状构造发育段平面

2020年4月25日～5月23日，隧道左、右线分别开挖至ZK91+163、K91+169时进行超前探水。经连续监测，单洞最大涌水量约为1 650m3/h，最大静水压力为4.8MPa，经过5个循环的帷幕注浆及开挖后，隧道掌子面前方仍出现高压涌水，涌水量远超设计预测值。

截至2020年1月4日，进口右线掌子面开挖至里程K91+343，掌子面围岩主要为中～微风化安山玢岩，坚硬岩～较硬岩。围岩主要受构造裂隙影响，节理、裂隙较发育，岩体局部较破碎，整体稳定性较好，局部破碎部位开挖后拱部易掉块。在施作超前水平地质钻孔过程中，位于掌子面右侧的水平钻孔(孔深21m)中地下水呈喷涌状出水，喷射距离约10m；左侧水平钻孔(孔深14m)中地下水亦呈喷涌状出水，喷射距离约4m；拱顶一周边眼呈涌流状出水，喷水距离1～2m。当前掌子面水压较大，工人无法作业，如图2所示。

图2 K91+343掌子面高压涌水

经专家进一步分析研讨后，认为考虑围岩稳定性较好，地下水清澈，超前帷幕注浆虽然堵水效果好，作业安全，但进度慢、费用高，采用钻孔泄水降压后带水作业方案适合鸿图特长隧道的实际情况。

2 涌水原因分析

2.1 工程水文地质

隧址区地表水系发育，植被茂盛，雨量充沛，地下水丰富，莲花山断裂带影响范围大。隧道穿过地层岩性主要为J3 火山岩(凝灰岩及安山玢岩)和花岗岩，F4-5断层和F2-6断裂及次级断裂和节理发育，形成棋盘网格状构造，受北东走向的大浦-海丰断裂与北西走向的深圳-五华断裂控制，J3 的花岗岩和火山岩为主要含水层且地下水位较高，约为700～750m，连通性较好，而区间隧道结构标高低，约为277m。在以上因素的影响下，加上隧道不断地开挖掘进，扰动了围岩，破坏了原有地下水和围岩的平衡状态，掌子面裂隙与棋盘网格状构造断层及断裂相连通，改变了地下水通道，在高水位的作用下，最终形成高压涌水，对隧道内施工人员和机械造成严重的安全威胁[1]。

2.2 洞内涌水量观测结果

施工期间通过每天对洞内涌水量和季节性降雨、地表水位进行监测，经过数据整理和分析，得到鸿图特长隧道洞口涌水量与时间关系曲线，如图3所示。

图3 鸿图特长隧道洞口涌水量与时间关系曲线

从观测数据可知，在带水作业前期泄压降水阶段，随着泄水通道的不断打开，涌水量达到峰值，在开挖的继续掘进和持续泄水的作用下，水压逐渐被分散降低，涌水量有所下降。

2.3 地下水补给、连通特征

从地下水的类型来看，主要可分为构造裂隙水和节理裂隙水。根据以往经验可以发现构造裂隙水主要分布于地质断裂带[4]，隧道开挖至棋盘网格状构造段，断层、断裂、宽张裂隙或宽张裂隙密集，导通上部含水层，易产生高压涌水[9]。经过一段时间的泄排水后，构造裂隙水逐渐消耗完毕，地下水来源主要为大气降雨补给及莲花山断裂影响范围内的节理裂隙水侧向补给，以及地表水和地下水相互补充。

带水作业前期，右洞为先行洞，涌水量远大于左洞涌水量。后期随着左洞紧随其后，分担了部分涌水量，使左、右洞涌水量逐渐趋于接近，表明左、右洞围岩张性裂隙与F4-5和F2-6断层及次级断裂相互交错，连通性较好。

3 高压带水作业综合施工技术

3.1 隧道突涌水预警

3.1.1 长距离涌水预警

根据前期隧道隧址区水文地质报告、地勘资料及设计图纸等所涉及的断层或断裂顶面与隧道交叉桩号、断层的倾向、倾角和埋深，初步计算推测出隧道将于某段附近出现涌水风险，粗略划定超前水平探孔施作范围。再根据洞内出水裂隙情况与断层或断裂描述相比较，初步确定隧道是否进入断层或断裂影响范围。

通过以上分析方法和信息，可以大致判断断层群先后遇到的顺序，主断层间距，断层影响范围，掌子面首先出现涌水的部位及主控节理面倾向及倾角，用于预判涌水出现的位置。

3.1.2 中短距离涌水预警

通过地质雷达法(30m)、瞬变电磁法(90m)、TGP预报(120m)3种超前地质预报手段，对前期的预判进行补充和验证，用于实施超前水平钻孔泄水和涌水预警参考。

3.1.3 短距离预警

如遇以下3种情况，则需引起高度重视并立即施作超前水平钻孔探水和探明前方地质情况。(1)掌子面某一部位的涌水量突然增加，并且有向整个掌子面发展的趋势；(2)周边眼施作过程中有高压水射出或高压气喷出；(3)出现与水文地质资料中描述相似的断层或构造裂隙发育带特征并富水。施作探水孔时应选择合适的位置，避免涌水射出后影响后续工序施工。

3.1.4 绘制主要出水裂隙平面图

根据掌子面出水裂隙走向及超前水平钻孔涌水点位置，通过两个及以上涌水点连线绘制该出水张性裂隙在双洞开挖轮廓线以外15m范围内的位置，为后续实施精准泄水降压孔提供依据。

3.2 超前泄水降压

在掌子面实施泄水压降的主要目的，是将高压涌水转换为低压涌水，通过打通新的泄水通道改变主要涌水方向，改善工人打眼装药的作业环境，降低操作难度和施工风险。

3.2.1 单洞泄水降压

根据主要出水裂隙平面图，提前至少5m在掌子面侧壁以一定的外插角施作超前水平泄水孔。泄水孔深度不小于开孔位置与主要出水裂隙垂直距离，即打穿出水裂隙直至将部分涌水引至钻孔位置排出，如图4所示。

图4 主要出水裂隙平面

超前泄水降压孔宜根据出水点位置、断层和结构面的产状，设置适当的外插角布设于靠近掌子面开挖轮廓线内侧，采用φ110mm孔径。当涌水压力较大时，可适当加密布设，直至水压减小至可带水作业,如图5所示。

图5 泄水降压效果

超前水平泄压降水孔施作完毕后，预留5m不开挖，根据下一轮超前探水情况确定是否继续开挖或泄水。

3.2.2 左、右洞联合泄水降压

通过前期的证明与判断，左、右洞出水裂隙是连通的，可通过隧道洞内主要出水裂隙平面图(图4)预测另一个洞出水裂隙的大致桩号位置，左、右洞可采用一个洞超前作为泄水洞，另一个洞紧随其后。当超前洞水压水量过大无法实施带水作业时，可通过在两洞之间岩体或后行洞打设超前泄水降压孔增大出水断面，降低超前洞涌水压力和涌水量。

3.2.3 超前水平钻-多臂台车联合泄水降压

超前水平钻孔长度最大可达150m，但受设备操作制约，施作高度和角度范围有限。同时随着钻孔深度的增加，容易卡钻，钻孔效率降低，进行全方位钻孔需操作平台辅助，部位位置难以施钻，造成泄水降压盲区。多臂凿岩台车可快速进行全方位钻孔，但长度有限(5m)，可与超前水平钻孔搭配使用，长短结合，高低搭配。超前水平钻孔用于探明前方地质及涌水情况，同时兼作泄水降压孔；多臂凿岩台车在周边眼外侧设置适当的外插角布设钻孔进行扫盲，钻孔环向间距2m，当涌水压力较大时，可适当加密布设，进一步分散水压，降低打眼和装药的难度。

3.3 带水作业施工

3.3.1 人工-多臂凿岩台车联合钻眼装药

超前水平钻-多臂凿岩台车联合泄水降压后，采取以凿岩台车为主，人工配合为辅及短进尺、快循环掘进的方法，进行开挖钻孔爆破施工。因炮眼孔水流速大而无法装药的孔位，应在周边继续开孔降低炮眼水流速后，用防水胶带将炸药捆绑固定在竹片或钢筋后送进孔位，并用木楔或石头固定孔口。

针对部分周边眼位置水流速较快，难以装药，钻孔太多影响爆破效果，可实施分部开挖，先起爆除周边眼外的其余炮眼，待水流方向改变后，再实施周边眼人工补充打眼装药，二次扩挖。人工作业前先在出水量大的位置设置防水板和排水管，将裂隙水引排至拱脚水沟处排出，为工人操作创造良好的条件。开挖时适当放大开挖轮廓线，为初期支护预留引水通道或预埋管线位置，复喷后不影响二衬厚度。

图6 人工-多臂凿岩台车联合开挖

3.3.2 带水施作初期支护

为保证作业人员安全和初期支护的施工质量，富水段开挖排险后，根据出水点位置及涌水量大小及面积，采用散水收集、集中排放与直接接管排放相结合的方法，控制水流线路方向，尽可能地减少对后续工序的影响。具体方案：

(1)立即安装钢拱架，针对集中股状出水点和片状淋雨状出水分别在钢拱架背后安装引水半圆管和铺设防水板，将散水收集后再通过引水管引至两侧拱脚，拱脚处设置半圆防水板排水槽将水排至下游侧沟。喷射混凝土前，在防水板与钢拱架之间用高强砂浆垫块隔离，并铺设双层钢筋网片，以增加喷射混凝土的附着力。对于涌水量过大的部位，在保证安全的情况下，可以预留局部拱架间暂不喷锚支护，预埋排水管作为泄水通道(图7)。

图7 拱架间预埋排水管排水

(2)岩壁在流水状态下，喷射混凝土极难附着于岩面，因此先将易附着喷射混凝土的区域喷射完，再对难附着于岩面的部分加大速凝剂用量，多次复喷至设计厚度。对于流速过大的部位，可以暂不喷射，后期通过埋管引水后再分次进行补喷。

(3)初期支护完成后，若出现因背后水压过大导致喷射混凝土开裂，为确保安全，在拱脚增设φ42mm钢管锁脚。拱脚锁住后再在积水部位打设泄水孔，铺设半圆管或引水管后再进行复喷，减轻初期支护背后的水压，如图8所示。

图8 初支打孔泄压

(4)针对出水裂隙的分布情况和可能出现喷射混凝土背后空洞的位置，预埋注浆管，待喷射混凝土完成后，再进行后注浆。

3.3.3 富水段仰拱(整平层)施工

(1)利用拦水坝节流。为保证仰拱(整平层)混凝土的施工质量，富水段落的仰拱(整平层)施工根据涌水量大小采用截流排放的方法，在来水方向设置拦水坝阻断水流流向仰拱，并通过架设钢管或用钢筋固定的半圆防水板将水引至下游水沟，尽可能减少流水对仰拱混凝土的冲刷。

(2)仰拱开挖后底部经常会出现冒水现象，施工区域难以保持干燥状态。在仰拱两侧端头施作集水坑，设置抽水泵，降低地下水位，将水抽排至下游水沟排出，确保仰拱施工在少水的环境下进行，如图9所示。

图9 仰拱带水作业

(3)预埋横向透水管。对于整平层底部冒水的现象，先开挖横向排水沟，铺设横向φ100HDPE硬式透水管，并用土工布包裹，周边用碎石填充，顶面铺设钢筋网片后再浇筑混凝土。

3.4 带水作业段后期处理措施

由于富水段落涌水量较大，容易造成初期支护背后空洞，隧道洞内涌水量接近或超过隧道排水系统能力，导致后期衬砌背后水压较大。同时地下水位较高将会渗入隧道路面结构，影响后期运营安全和破坏洞内路面结构。根据限量排放的原则，同时考虑完全封堵后水压上升造成结构破坏，根据富水段落出水的实际情况采用全断面或局部径向后注浆止水将地板以上出水裂隙封堵。注浆压力控制在1.0～1.5MPa，按先拱顶后两侧，自上而下的顺序进行，引导地下水流入侧式暗沟或从地板渗出。再通过设置中心排水沟使地下水位进一步下降，引排至中心排水沟，确保隧道路面结构层在无水状态下施工。

3.4.1 径向后注浆

(1)沿裂隙两侧注浆。针对张开裂隙带状出水情况，采用沿主裂隙两侧注浆，每侧两排，注浆间距为间距为150cm×150cm，呈梅花形布置注浆孔，且在集中出水点注浆孔处进行加密处理，跳空间隔分阶段钻孔注浆。

(2)底板以上全断面后注浆。若出水裂隙较为发育，拱底以上部位大面积淋雨状出水，为确保注浆效果，采用底板以上全断面径向后注浆方案。注浆孔间距为150cm×150cm，呈梅花形布置，注浆范围适当超出涌水段范围。

(3)断层处后注浆。由于断层部位围岩破碎，填充物主要由断层泥和细颗粒组成，易在涌水冲刷的作用下被水带出，造成衬砌背后空洞越来越大，一般的径向后注浆难以控制和达到效果。对断层背后的空洞位置采用喷送防水混凝土填充，为确保结构安全，填充须分多次进行，待混凝土填充至拱顶后再沿断层两侧进行径向后注浆。

3.4.2 中心排水沟

为减轻衬砌背后的水压，缓解两侧排水暗沟排水压力，在隧道超车道下各增加一条 80cm(宽)×60cm(深)的中心排水沟，并在中心排水沟两侧设置横向导水管，连通侧式暗沟，将底板渗水引至中心排水沟，改善洞内路面施工环境，如图10所示。