鼓岭隧道强涌水处治技术研究

2019-11-05王树永

福建交通科技 2019年5期

王树永

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

0 引言

在富水地区修建隧道，最常见的工程问题即隧道突涌水，不仅影响工程进度，而且长期排水会影响地下水结构平衡和生态环境。据统计，至今修成的公路隧道中约40%的隧道仍存在不同程度的渗水、涌水问题，影响公路正常通行。而在建隧道的突涌水情况更为普遍，国内外众多隧道都曾发生过严重的涌水事故，造成极大的经济损失。如国内的前碉3# 隧道、秦岭某高速公路隧道，最大涌水量分别达到3600m3/d、5750m3/d[1-3]。

隧道涌水给工程安全和生态环境带来极大的危害性，分析涌水原因并制定合适的防治措施是工程施工迫切需要解决的问题[3]。本文依托福建省104 国道鼓岭隧道，引入一种新型注浆材料——SJP 型水泥浆[4]。该浆液性能优良且可控，结合现场施工情况，对该工程的强涌水情况进行注浆处治。

1 工程概况

在建鼓岭特长隧道位于福建省福州市，为104 国道连江至晋安段改线工程控制性工程之一，采用双洞分离式布置，全长5359m，进口标高157m，出口标高57m，隧道为单向下坡，纵坡为-1.9%，隧道最大埋深约490m。

鼓岭隧道自开工至今，左洞已出现多次较大突涌水情况，致使工程滞后严重。其中，2018 年5 月，隧道左洞开挖至桩号ZK28+448 位置时，掌子面左侧开始出现大量涌水，洞内加大排水力度，但直至2018 年7 月涌水始终未能减小，致使隧道停工。

2 鼓岭隧道涌水分析

2.1 左洞涌水特征

左洞开挖至掌子面ZK28+448 位置后，掌子面左侧断面出现多处突涌水情况，涌水面积约18m2，涌水量达到13200m3/d～18000m3/d，为探明掌子面前方围岩赋水情况，在掌子面右下角处钻超前探孔(1-1 号孔)至孔深18m时，该孔出现强涌水情况，压力达2MPa，射程3～5m。根据掌子面节理裂隙发育形态及不同位置涌水情况，左洞围岩突涌水主要表现为高压集中涌水、线状渗水、拱顶大面积淋水，呈涌水量大、分布范围广、涌水形态复杂以及水压大等特点，并且左洞节理裂隙宽陡、张开度大小不一、发育度高，治理难度较大。

2.2 涌水原因分析

(1)地下水储存与补给原因

鼓岭隧道左洞ZK28+448 位置埋深380m 左右，该区段节理裂隙发育，包含富水性松散岩类和含水岩组，可储存大量地下水。由于当地大气降水量充沛，使得掌子面周边区域内储存大量的地下水，尤其在5～9 月份，源源不断的为地下水提供补给。

(2)连通原因

ZK28+448 掌子面节理裂隙发育，倾角40～80°，裂隙面多平直光滑，少数呈现波状粗糙状，裂隙张开度高，存在多组优势结构面；F08 断层构造带位于ZK28+400～ZK28+465 处，倾角80°左右，断层宽度2～6m，临近掌子面。在节理裂隙带和断层构造带的共同影响下，使得岩体裂隙出现连通性，形成涌水的主要通道。

(3)隧道开挖原因

ZK28+448 掌子面开挖后，改变了原来地下水的迁移和流动方向。在隧道开挖之前，地下水处于平衡状态，其循环基本稳定，在开挖后，尤其受到爆破振动影响，掌子面围岩受到大幅度扰动，围岩变形和裂缝扩张后，地下水的迁移和流动方向就会集中在隧道掌子面附近，打破原来的地下水平衡状态，为隧道涌水创造了不利条件。

图1 左洞涌水情况

(4)盲目冒进原因

鼓岭隧道ZK28+448 前后原设计勘探过程中发现存在节理密集带和断层构造带，此段要求加强超前地质预报和监控量测，在反射波法基础上采用超前水平钻孔进行预报，明确掌子面前方围岩赋水情况后采取帷幕注浆等方案进行超前堵水方案，由于施工过程中未重视超前地质预报工作，为赶工期，盲目冒进，致使掌子面前方大量地下水被开挖出。

3 治理方案及工艺

3.1 封堵浆液及性能

3.1.1 SJP 水泥浆和纯水泥浆

SJP 水泥浆由水泥、水、三种SJP 型外掺剂1#、2#、3#按照一定比例配制成的一种粘度时变型浆液。其中，1#掺量0.1%～0.3%、2# 掺量1.5%～2.2%、3# 掺量为0.6%～1.5%。通过调节三种外掺剂的配比，可实现SJP 型浆液性能可控。 SJP 水泥浆与纯水泥浆部分性能指标对比详见表1。通过对比分析SJP 水泥浆与纯水泥浆各项性能指标，鼓岭隧道强涌水处治材料选择SJP 水泥浆。

表1 SJP 水泥浆与纯水泥浆部分性能

3.1.2 SJP 水泥浆性能特点

(1)SJP 水泥浆的起始稠度为10～12s(水是8s)，并且浆液稠度随时间的延长而缓慢增加，待浆液即将失去流动性时，稠度发生突变。

(2)SJP 水泥浆可泵期可控。自水泥浆搅匀至可泵送的最后时刻，该段时间称为可泵期。通过调节SJP 外加剂的掺量和浆液水灰比，可促使浆液可泵期在5～60min 的范围内调控，以满足可控注浆工艺对可泵期的需要。

(3)相比普通水泥浆，SJP 水泥浆的初凝时间短，为2～3h 初凝，4～6h 终凝，因此，能够实现浆液在动水条件下宽大裂隙中留存、堆积、凝固，以达到封堵裂隙的效果。

(4)SJP 水泥浆固结过程中浆液析水率2%以下，根据稳定性浆液配置完成后两小时析水率小于5%的要求，该粘度时变浆液为稳定性浆液。

(5)SJP 浆液的强度在同一龄期下均高于普通水泥浆，并且后期强度较纯水泥浆提高了10%[5]。

3.2 SJP 可控注浆施工工艺

SJP 水泥浆的可泵期和凝结时间均可调控，因此在施工过程中，根据现场涌水和地层情况调整浆液的可泵期和凝结时间进行动态施工，以达到对高压涌水裂隙的成功封堵。施工工序如图2 所示：

图2 可控注浆工艺流程图

3.2.1 止浆墙

由于掌子面裂隙陡倾发育、涌水量大，因此在注浆封堵过程中，为防止水泥浆液和裂隙水泄露严重，确保浆液沿裂隙有效扩散，需要在工作面设计止浆墙。止浆墙采用人工砌筑混凝土的方式，具体有以下几点要求：

(1)止浆墙浇筑前先设置隔水层，预留数个注浆孔，再对大面积裂隙涌水进行引流；

(2)采用C20 混凝土浇筑；

(3)根据规范[6]，平面型混凝土止浆墙的厚度计算经验公式为：

式中：B 为混凝土止浆墙厚度，m；K 为安全系数，一般取1.0～2.0；w 为作用在墙上的荷载，w=PS，N；S 为混凝土止浆墙面积，m2； b 止浆墙宽度，m；h 为巷道高度，m；[σ]为混凝土允许抗压强度，MPa。

本隧道工程中C20 混凝土的设计轴心抗压强度fc=9.6MPa，取其为混凝土允许抗压强度，即[σ]=fc=9.6MPa；结合式(1)，假设止浆墙为圆形，即h=b；根据经验[7]，当r＜2m 时，K=1.6；当r=2m 时，K=0.9；当r＞2m 时，K=2/3。代入数值得到计算结果如表2 所示：

表2 止浆墙厚度

止浆墙厚度数据符合实际工程要求。

(4)混凝土达到强度后通过接缝灌浆使止浆墙与周边围岩连接成整体，保证施工优良性。

3.2.2 孔口密封装置

对于隧道内单孔高压涌水情况，普通的止浆塞缺乏抵抗水压的能力，难以完成封孔。现使用一种简易装置——铁打塞，装置结构如图4。该装置能够隔离水泥浆与地下水，防治初始浆液在下行过程中被水稀释等问题，铁打塞通过与孔壁的挤压摩擦，防治突塞等情况的发生。实践证明铁打塞可完成高压涌水孔密封效果，为下一步注浆创造有利条件。

3.2.3 SJP 水泥浆注浆施工

隧道内根据不同形式的突涌水情况，针对性地设计注浆方案。

(1)帷幕注浆

掌子面左侧开挖面裂隙涌水点多，岩体较破碎，为防止注浆时串浆、漏浆情况，首先通过浇筑止浆墙封闭大面积涌水裂隙面，待止浆墙凝固后，进行接缝处理，使得止浆墙与开挖面岩体连成整体；其次，在止浆墙位置处，先对预留孔注浆处理，达到封孔要求后，再以1.5m 间距钻孔，孔深30m，梅花型错开布孔，自下至上，间隔注浆，先注一序孔，后注二序孔。注浆施工完成后，打开引流管阀门，若无涌水，则局部注浆工作结束。

图3 止浆墙施工

图4 孔口密封装置

掌子面全断面帷幕注浆，采用多排孔注浆，以1.5m间距钻孔，梅花型错开布置，每钻进5m，注浆一次，共钻进30m，注浆顺序满足“由外到内、先下后上、间隔调控”的原则。具体布孔参数如图5 所示：

(2)顶水注浆

基于鼓岭隧道存在多处高压涌水的情况，采用顶水注浆的方式治理。在涌水点处钻孔，孔深30m，钻孔完成后，安装孔口密封装置，关闭阀门并观察孔口周围是否存在漏水，若存在渗漏，可使用土工布和高分子材料进行封堵，待周围无大量渗水时，接通注浆管，此过程“铁打塞”阀门始终关闭，以保证该注浆位置的岩体内的水处于静态，直至注浆开始时开启阀门。