隧道地质论文：隧道突水成因与治理策略
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本文作者：方建华作者单位：中铁隧道集团有限公司杭州分公司
突水基本情况
1突水过程
2012年7月14日晚9点10分左右，寒岭界隧道进口左洞上台阶开挖至K88+597位置。在出碴过程中，掌子面正拱顶位置发生突水，水压非常大，呈瀑布状喷涌而出，涌水呈黄色，并携带有泥状物流出，图1为突水发生瞬间。涌水20min左右已淹至K88+297处。至15日早上8点10分涌水发生11h，涌水淹至ZK88+040处，淹盖长度总计557m，涌水总量约为6×104m3，涌水量约为30m3/min。16日凌晨0点左右，涌水淹至左洞ZK87+900处，由于水压极大，K88+121处的封堵的人行横道被冲开，2h后右洞全部被淹没。此时涌水量为680m3/h，下午3点衰减为600m3/h，17日下午3点衰减为490m3/h，18号下午3点衰减为380m3/h，至23日涌水一直保持在200m3/h长达1个月左右。表1为隧道涌水量记录表。
2突水部位基本情况
1)地质情况。进入F1断层破碎带实际施工开挖揭露围岩情况为:ZK88+260～ZK88+330段围岩为碎石土状强风化砂岩及粉质粘土，结构松散，开挖后无自稳能力;ZK88+330～ZK88+340围岩岩质为碎裂状强风化岩;ZK88+340处拱部开始出现煤矸石、洞身围岩泥质粉砂岩夹强风化片状砂岩。ZK88+341～ZK88+450段围岩为中～强风化砂岩，构造角砾和煤层，拱腰部位岩体破碎夹泥质填充物。ZK88+450～ZK88+550围岩为强风化粉砂岩夹黑色煤矸石，结构较为破碎。ZK88+550～ZK88+595围岩为强风化粉砂岩夹黑色煤矸石，局部有花岗岩斑状闪长岩，结构较为破碎。ZK88+594处右侧拱腰位置出现了小型水囊空腔。突水掌子面ZK88+597实际开挖揭露围岩为强风化砂岩局部全风化夹碎石状以及花岗斑状结构的闪长岩侵入体，岩质软硬不均，围岩节理裂隙发育，结构破碎，岩石自稳能力较差，地下裂隙水发育。2)掌子面对应地表情况。左线隧道中线与106国道部分交叉，掌子面隧道顶地表位于山坳冲沟处，地表植被茂盛，汇水面积较大。3)初期支护情况。掌子面设计为S5a衬砌类型，采用Ⅰ18工字钢80cm间距，25cm厚C20喷射混凝土，单层Φ8钢筋网网格尺寸20×20，D25中空注浆锚杆L=5m，纵环间距80×100梅花形布置，45cm厚钢筋混凝土。突水发生后初期支护被冲刷开裂(见图2)。
突水处理措施
突水段地质结构复杂，发生突水后涌水量逐渐减少，在使用地质雷达探明前方地质情况后，对富水段采取注浆加固，支护增强等措施进行综合处理，以保证后续施工安全［4-6］。
1抽水、清除洞内淤泥
突水发生后立即启动应急预案进行抽水，至7月26日，右洞积水抽排完成，左洞积水抽至ZK88+350位置开始出现大量淤泥堆积，至ZK88+500位置开始淤泥下方出现泥结碎石状堆积物。自7月14日突水发生后，根据现场实际抽排、清淤记录，截止9月17日，由左洞突水引起抽水数量达29．2万m3，清除淤泥数量约6850m3，清理泥结碎石坍碴数量约3000m3(见图3)。
2超前地质预报
为探明前方突水段地质情况，在对ZK88+585处坍锥面进行平整，在渗水较大位置处埋设排水管进行引排。并喷射C20混凝土进行封闭，喷射厚度10cm，为后续地质雷达超前预报提供了工作基面。根据地质雷达扫描及地质预报初步判别塌方段长度为16m，即ZK88+584～ZK88+600段，塌腔形状为斜向上，具体情况如图4所示。
3支护措施
1)为了保证后续施工的安全，对坍方后方20m即ZK88+584～ZK88+564段进行径向注浆加固，采用42小导管，L=6m，纵环间距80cm×100cm。2)鉴于塌方段涌出大量的泥渣，断面内全部为松散堆积物，裂隙水发育，无自稳能力，同时为保证ZK88+584有2m的注浆扩散高度，填渣反压并修葺作业平台从ZK88+580起采用3环全断面注浆方式通过塌方段及富水破碎段，3环后根据实际围岩情况另行处理，帷幕注浆见图5。3)塌方及富水破碎带超前支护采取每环12m89长管棚(跟管施工)+42超前小导管L=4．5m组合方案，超前导管每3m设置一环，长管棚9m设置一环，从ZK88+583起架立两榀Ⅰ18工字钢护拱作为导向墙，暂定3环穿过断层分界面后，根据现场情况再行处理。4)塌方富水破碎带支护参数采用27cm厚C20喷射混凝土，Ⅰ20工字钢钢拱架50cm间距，Φ8单层钢筋网(20×20)，径向钻设L=6m，42钢花管注双液浆固结周围岩体，50×100梅花形布置，60cm后C30钢筋混凝土(S8)，上下台阶开挖，每个台阶拱脚增设2根L=4．5m锁脚小导管，每榀8根。5)开挖过程中若遇到空腔，在6m以内的空腔泵送C20混凝土填充;6m以上的空腔，泵送1m～1．5m厚C20混凝土垫层后进行吹沙回填。6)ZK88+564～ZK88+650段二衬排水系统，将环向盲管加密为2m一环，对局部渗水点预埋引水管引入纵向排水管。
4处理效果
对左线ZK88+550～ZK88+590段选取四个断面进行监测，以分析处理效果，Z88+880拱顶下沉及周边收敛如图6，图7所示，拱顶下沉最大值为64．00mm，周边收敛值为59．17mm。拱顶下沉速率由3mm/d(10月29日)降至0．27mm/d(11月17日);周边收敛速率由4．23mm/d(10月29日)降至0．42mm/d(11月17日)，围岩变形基本趋于稳定。
