试论新店隧道节理密集带超高压裂隙水处理技术--中国期刊网

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试论新店隧道节理密集带超高压裂隙水处理技术

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：马敬翔

[导读] 摘要：结合新店隧道工程实例，在对该隧道节理密集带特殊水文地质条件的分析基础上，对工程涌水问题提出了治理方案。

        中铁二十五局集团第一工程有限公司广东广州 510000
        摘要：结合新店隧道工程实例，在对该隧道节理密集带特殊水文地质条件的分析基础上，对工程涌水问题提出了治理方案。采用超前大管棚和小导管注浆等止水加固措施，结合引排手段实现密集带超高压裂隙水处理。从处理效果来看，检查孔出水量不超2L/分钟•m-1，掌子面出水量约12m³/h，能够保证工程施工安全。
        关键词：新店隧道节理密集带超高压裂隙水处理施工安全
        引言：在隧道施工期间，发生渗漏水情况将严重威胁施工安全，水压较大甚至将引发衬砌变形情况，给隧道施工和使用埋下较大安全隐患。岩体中的水流通过裂隙渗漏，在节理密集带等特殊地质条件下汇集，发展为渗漏通道，开挖至断层时可能发生集中涌水，需要采取科学的止排水措施对其进行处理，从而增强隧道施工安全性，为工程的顺利进行提供保障。
        一、工程概况
        新店隧道位于四川省万源市黄钟镇和草坝镇交界处，为双向四车道高速公路分离式特长隧道，左线长4895m，右线长4938m，左右线最小间距17.73～19.73m，进口至出口纵坡在±0.3％～±3％之间。本隧道共穿越两处断层（K194+450～K194+520（ZK194+440～ZK194+510）、K194+760～K194+890（ZK194+790～ZK194+920）），开挖至围岩节理密集带位置，遭遇高压裂隙水，压力达到6MPa左右，正常涌水量为2906.05 m³/d，最大涌水量为5812.1 m³/d，给施工带来了较大安全威胁。
        二、工程水文地质条件
        结合工程水文地质情况可知，隧道穿越山峰海拔1430.2m，属于构造剥蚀中山地貌，进口斜坡整体坡度约30°，下部多为崩破积层的块、碎石，以薄层状粉砂质泥岩为主。受大巴山弧形构造控制，隧道地层为单斜构造，隧址区节理裂隙发育，地表主要分布风化节理裂隙，深部以构造节理裂隙为主[1]。围岩主要为IV、V级，IV级围岩岩体破碎，结构面结合差，属较软～极软岩。部分围岩段属于节理密集带，地下水以基岩孔隙裂隙水为主，呈点滴状、线状渗出。遭遇涌水后，抽水后进行超前深孔钻探，现场对左、右线水力进行联测，确认在两线不排水时静水压最大达到6.3MPa，有一侧排水则水压不足2MPa，说明直接爆破将遭遇塌方等风险，需要做好裂隙水处理。
        三、节理密集带超高压裂隙水处理
        （一）处理方案
        新店隧道节理密集带为V级围岩，采用环形开挖留核心土法开挖，上台阶每循环开挖进尺V级围岩不大于1榀钢架间距（0.8m），下台阶每循环进尺不得大于2榀钢架间距（0.8m）；超前支护设计为φ42mm注浆小导管在拱部120°范围施作，超前支护循环进尺为3m，环向施作35根注浆小导管，环向间距40cm。隧道节理密集带掌子面开挖后涌水量最高达25 m³/h，并伴随拱顶掉块情况，原设计超前小导管注浆对裂隙水封堵效果不佳，钢架安装、喷射混凝土施工受到严重影响。针对节理密集带制定专项超高压裂隙水处理方案，采用地质雷达、TSP203波物探仪、红外探水仪等设备实施地质超前预报[2]。综合运用地质法、声波法、地球物理法。在开挖支护初期，在渗漏水集中区域钻设集流孔，埋设端头包裹无纺布的排水管，并利用泥浆封堵管与孔壁缝隙，沿着隧道边墙预埋管实现渗漏水引排。在支护后期，采用注浆措施对大面积散水进行封堵，降低二次衬砌渗漏水风险。在软弱围岩段，采用超前大管棚和小导管注浆等加固措施，在导管内注入水玻璃和水泥浆加固围岩，发挥止水作用。隧道两侧每50m布置一对集水坑，采用抽水机先抽至集水井再排至洞外。
        （二）关键技术
        1.注浆施工
        在注浆施工阶段，需要综合考虑机械设备能力和掌子面围岩稳定性，合理设计大管棚、超前小导管及钢拱架间距，加强开挖高度和进尺长度把控。
        考虑洞口围岩较差，岩层强度低，遇水容易软化崩解，拱顶采用超前大管棚预注浆施工技术，通过改善土体性能增加围岩强度。采用φ108热轧无缝注浆钢管，在套拱外侧搭设管棚，与拱架焊接连接，能够提升套拱整体强度。在拱部120°范围内布置大管棚，左线进出口均为20m，右线进口25m，出口20m，环向布置35根钢管，间距为0.4m。
        洞身施工采用超前小导管施工技术，小导管使用Φ42×4mm热轧无缝钢管加工。小导管前端为尖锥形，尾部采用φ6mm钢筋加劲箍并焊接，管壁每隔15cm交错钻眼，孔径达6mm。各节钢管利用丝扣连接两端，确认同一断面内接头数不超总钢管数的50%。钢管施工期间，径向误差不超20cm，相邻管环向误差不超±50mm。根据各段施工方案确定施工程度，同样保持0.4m环向间距，纵向搭接长至少1m，外插角在5°～10°之间。采用风动凿岩机进行钻孔，并按图纸要求插入小导管。遭遇水压较大的地段，将面临钻进困难。配合采用15MPa高压水泵供压，能够实现水钻成孔。在围岩软弱地段，预支护体系[3]采用凿岩机沿着格栅钢架中部直接打入小导管，同时将尾部和钢架通过焊接固定。确认外插角达到设计要求后，可以利用注浆泵注浆，按照0.5～1.0MPa压力值注入水泥单液浆。
        为保证注浆效果，应在掌子面喷射5～10cm厚的混凝土，通过布置止浆墙对掌子面进行封闭处理。基底嵌入围岩50cm，周边布置2环Φ25mm砂浆锚杆（环向×纵向：1.5m×1.0m），长达2m，锚入围岩1m。顶部周边埋设长度为1.5m的Φ42mm钢花管，在浇筑后用于注浆，起到封闭初期支护与止浆墙间裂隙的作用。钢花管上注浆孔孔径为12mm，间距15cm，按梅花形布置，尾部不钻孔止浆段至少为300cm。在高压水条件下，为确保浆液能够有效填充裂隙，并降低施工难度，需要在右下部位设置泄水孔，并与注浆孔保持一定距离，避免发生串浆问题。按照1：1水灰比配置水泥浆液，按照由上向下顺序注浆，需要进行分段注浆，注浆工艺如图1所示。在注浆量达到设计要求的1.5～2倍后，确认注浆压力在8h内不上升，按照0.8：1～1：1比例混合水泥和水玻璃，制备双液浆进行可控性注浆[4]。设计注浆压力为6～8MPa，达到该数值后应注浆流量开始下降，维持5～30分钟后可以结束注浆。

        图 1 小导管注浆工艺流程图
        2.止水施工
        为确保防水效果，需要做好拱部、边墙等位置的止水施工。布置止浆墙，应确认斜切断及明洞段拱墙、仰拱等各处使用的防水混凝土抗渗等级不低于P8。为控制防水质量，应确认端墙混凝土一次浇注成型，提前做好浇筑设备检查，避免出现浇筑中断问题。浇筑期间，应确认沿着隧道纵向钢筋不能截断。在初支和二衬间的拱部及边墙部位，铺设厚度为1.5mm的EVA防水卷材同时粘贴无防布防水，粘贴质量≥350g/m2。拱墙环向施工缝通过粘贴背贴式止水带和带注浆管的膨胀止水条。明洞段变形缝宽2cm，填充聚苯乙烯板，设置橡胶止水带和沥青浸制软木板。做好排水管，做到防排堵结合，设置防水板。在交界位置布置沉降缝，利用沥青麻絮塞填，确保明暗交界位置不存在漏水问题。
        二次衬砌拱部的预留回填注浆孔间隔为3～5m，当混凝土达设计强度以后开始注浆。通过实时监测，确认支护变形稳定，且表面平整度、二次衬砌厚度等技术指标合格，可以进行土工布和防水板铺设。施工前，应做好防水层检查，确认无问题后可以进行EVA防水板铺设，期间做好接缝充气检查。使用的防水板幅宽≥450cm，拉伸强度≥16MPa，扯断伸长率≥550%，撕裂强度≥60KN/m，满足0.3MPa下30分钟无渗漏要求。将支护表面异物清理干净，确认无凹凸起伏等异常，可以进行放线测量。基准线定位后使用专用塑料垫和钢钉将缓冲层固定在基础面紧接着用暗钉圈将防水板固定从而形成无顶空铺设防水层，如图2所示。

        图 2防水板结构固定示意图
        防水板表面清理完成之后，在拱的顶部划出隧道纵向中心线，保证土工布垫层中心线和所划隧道纵向中心线重合。按照拱顶部向两侧的原则下垂铺设。将垫片用射钉固定，土工布固定在混凝土面层上。防水板铺设应保持与中心线重合。防水卷材和热融衬垫片通过焊接方式连接，按向下铺设的原则先从拱顶开始，边铺边焊。采用双缝热熔自动焊接机，结合板材厚和环境温差调整焊接速度、温度等参数，可以进行焊接作业。焊接后卷材表面留有空气道检测质量，采用注射针与压力表连接，通过打气筒充气，确认板材在0.2MPa压力作用下5分钟内保持至少0.16MPa焊接强度。铺设过程中，应确保板材与土工布紧密粘贴，同时使拉力适中，留有一定余量。使用专用融热器对准热融衬垫位置，热合5s后便可连接牢固，粘结剥离强度至少超出防水板抗拉强度。衬砌拱架完成调整之后，需在堵头模板中间布置橡胶止水带从而完成堵头模板的拼接。安装过程中，做到对称、平直，做到止水带伸入模内和外露宽度相同。沿环向位置，使用φ6mm短钢筋间隔0.5m对止水带加固。
        3.混凝土喷射
        考虑到密集带容易出现大股涌水问题，在注浆堵水后应喷射混凝土，起到防水加固作用，避免防水结构被破坏。
        考虑到岩面潮湿，需要选用粘结性强混凝土，并施工外加剂等改善材料性能。材料拌和使用全自动计量强制式搅拌机，过程中严格按照配比添加各原材料，喷射机喂料的同时加入速凝剂。拌和阶段，速凝剂辅助风阀、主风阀、计量泵、主电机、振动器依次打开。粗骨料、细骨料、水泥先进行干拌，之后再加水搅拌，干拌时间不得少于1.5min，总体搅拌时间比普通混凝土延长1～2 min，至少达到3 min。采用多台喷射砼运输罐车实现交替运料，能够不间断供应混凝土，期间加强坍落度控制，确认不存在初凝问题。
        按照自下而上顺序分段、分片、分层喷射施工，各段的长度不得超过6m，先喷平低洼，再分层、往复喷射。上层喷射混凝土时预留宽200～300mm的斜面，利用压力水冲洗湿润后再行喷射。不同片区的喷射顺序为，先是钢架与壁面之间再是钢架之间位置。喷射边墙，应从墙角向上喷射，确保回弹不会裹入最后喷层。前一层混凝土终凝后，可以进行一下层喷射。如果终凝1h后喷射，应提前应清水清洗表面。喷射过程中严格控制厚度，保证混凝土不发生坠落和滑移，过薄将导致回弹量的增加，过厚直接影响混凝土凝聚力及粘结力。边墙喷射厚度保持在7 cm到10cm之间，拱部喷射厚度保持在5 cm到6cm之间，厚度要保证均匀。顶部喷射为避免堕落，两次保持2～4h的间隔。为加强混凝土压实，应做好喷射速度控制，以免影响混凝土回弹和结构强度。施工期间应注意监测风压，喷射前的风压须达0.5MPa，过程中根据喷嘴出料情况及时调整，边墙风压0.3～0.5MPa，拱部风压0.4～0.65MPa。喷嘴与喷面距离保持在1.5米到2.0米，尽可能保持垂直状态，达到回弹最小、压实最大的施工效果。喷嘴连续、缓慢横向环行移动，一圈压半圈，所画环形圈横向为40～60cm，高为15～20cm。钢架、钢筋网遮挡喷面的情况下可偏斜喷嘴但至少达到70°的角度，避免因混凝土滚动而导致喷面凹凸不平。在混凝土终凝2h后，可以进行喷雾养护，时间至少达到14d，气温不超+5℃则禁止洒水养护。
        （三）出水监测
        在防水施工期间，需要做好出水监测，加强钻孔涌水量控制。从监测结果来看，探孔阶段平均出水率达到176m³/h，依次进行外圈孔、二圈孔和内圈孔注浆，出水量持续下降，堵水率达到80%以上。完成掌子面孔注浆后，堵水率能够达到93%以上。针对注浆薄弱区域，需要设置检查孔，纵向钻孔深达28m，终孔在开挖轮廓线外5m区域，如表1所示，孔出水量最大不超2L/分钟•m-1。
        表 1 检查孔出水监测结果

        （四）处理效果
        在结束注浆后，需要利用支护表面铺设的排水管排水引流，对周围钻孔进行排水降压。排水孔多位于拱腰以上位置，孔径在Φ96～125mm范围内，深度超出纵向注浆长2～3m，并且比环向外加固范围宽2～3m。经过集中引水后，有个别面存在线状水。为保证隧道施工和使用安全，在出水点部位钻孔，打入基岩50cm，埋设盲管引水，并外包土工布加强盲管保护。在支护面开槽，埋设打孔波纹管，将水引排至隧道侧沟，确保治水效果的同时，避免重复施工造成费用增加。确认排水达到要求后，针对Ⅴ级围岩段超前管棚注浆封水加固后的围岩，采用上下导坑开挖法，并预留核心土，使用风钻打眼，减震控制爆破，开挖进尺控制在0.5～1m，避免围岩和注浆体受到过大扰动。从开挖施工效果来看，掌子面出水量最大为13m³/h，可以保证施工安全。
        结论：隧道施工期间遭遇节理密集带，需要做好超高压裂隙水处理，以免因突发涌水问题给人员施工安全带来威胁。结合工程施工经验可知，遵循“以排为主，排防结合”原则施工，应结合洞口、洞内围岩的不同情况采取超前大管棚和小导管注浆等不同防水施工技术，并通过铺设防水层和喷射混凝土做好止水处理，从而取得理想注浆加固和堵水效果。
        参考文献：
        [1]程小勇.火成岩地区深埋特长隧道典型富水段渗透系数反算及涌水量预测[J].广东土木与建筑，2021，28（03）：66-68+78.
        [2]张文光，鲁彪.城市轨道交通施工区间隧道漏水快速堵水工艺研究与实践[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2020（08）：184-185.
        [3]赵志轩，赵爽，王伟，等.喷射混凝土在某隧道止水加固工程中的应用[J].江苏建筑，2020（06）：107-110.
        [4]朱建国.泥砂岩富水隧道基岩裂隙水治理关键技术研究与应用[J].现代隧道技术，2020，57（S1）：1140-1146.
        作者简介：马敬翔出生年月：1985年5月性别：男民族：汉籍贯：甘肃省武威市工作单位：中铁二十五局集团第一工程有限公司职称：工程师研究方向：隧道工程