某隧道突泥涌水成因分析及处治技术研究.pdf

文章编号:():./.某隧道突泥涌水成因分析及处治技术研究吴宪富郭碧槐(吉林省交通规划设计院 长春市)摘 要:针对富水软弱带突泥涌水工程通过理论分析和现场试验对该隧道突泥涌水成因、处治技术进行研究得出突泥涌水灾害的形成主要受地质条件和施工作业影响 对于一定规模的突泥涌水灾害泵送混凝土、注浆改良松散体释放水压力超前大管棚超前注浆小导管等措施有较好的处治效果 总结出“控制能量积蓄合理释放能量增强防突能力”的突泥涌水处治技术原则在某隧道突泥涌水处治实践中取得良好效果 关键词:隧道突泥涌水富水软弱带泵送混凝土超前预支护中图分类号:.文献标识码:引言近年来对于黄土隧道、软岩隧道、岩溶隧道、断层破碎带等遇到的塌方、突泥涌水的处治措施相对成熟 王万平等在青兰高速吉家村隧道通过对黄土隧道涌泥原因和处治方案分析采用挤密、劈裂注浆加固技术加强管棚等措施顺利通过涌泥段中铁十九局集团在兰渝铁路胡麻岭隧道饱和富水粉细砂地层中采用轻型井点降水、重力深井负压降水等综合降水技术结合帷幕注浆加固围岩等措施经过 年时间成功克服了围岩液化、突水涌砂等灾害王子洪等通过研究将岩溶隧道的突水模式划分为防突岩层破坏型和填充介质渗透失稳型并提出了超前小导管、注浆加固、加强监控量测等防治措施张伟杰通过调研大量断层破碎带突水涌泥案例开展注浆加固试验深入研究断层破碎带优势通道等提出复合控制注浆技术在工程实践中取得了成功黄鑫以隧道突水涌泥致灾系统与充填溶洞间歇型突水涌泥灾变机理为研究对象以工程实例为依托对突水涌泥致灾系统进行分类提出评判方法等 但对于埋深大、高压富水、地质条件复杂于一体突泥涌水频发的隧道可借鉴经验较少如何安全快速通过突泥涌水段是学界、业界关注的重点问题 现以某隧道 软弱带突泥涌水研究为例对该隧道突泥涌水产生原因和处治技术进行研究 突泥涌水情况介绍某隧道为双向六车道上下行分离式设计全长出口段突泥涌水灾害频发以 富水软弱带突泥涌水最为复杂 该段为级围岩台阶法施工开挖后拱顶出露一软弱夹层宽约 斜向前发育层间充填物破碎含泥量大在水作用下不断掉块随着时间推移水量增大松动范围进一步扩大发生突泥涌水方量约为 现场采取腔口堆垒砂袋喷射混凝土封闭后方初支斜向腔内钻孔预埋泵送混凝土管在上方.处打设泄水通气孔向腔内泵送 混凝土 形 成 稳 固“承 载 体”稳 定 后 涌 水 速 率 约/水质由浑浊转为清澈监控量测显示后方初支无明显变化 腔内混凝土凝结后重新打设超前小导管开挖腔口砂袋墙扒开一个小口后有少量泥渣混合物涌出拱顶异响人员设备立即撤离设置警戒加强观察 期间不断发生小股突涌泥石 后发生大规模突泥涌水涌出固体物质由碎石、石屑、粘土组成固液两相不离析单次涌泥量 瞬时最大涌水量 /水质浑浊稳定后涌水速率约/涌出物冲涌达 作业台架等设备被掩埋 突泥涌水现场情况见图 突泥涌水成因分析突泥涌水的实质是隧道开挖掘进破坏了原有含水充填构造的平衡状态致使构造内储存的能量瞬北方交通 年 第 期图 突泥涌水现场情况间高速释放形成动力破坏 因此从能量释放的角度突泥涌水的形成需要一定的条件主要包括含水充填物的能量储存、地下水动力性能和能量释放、围岩稳定性等 结合工程实例和理论分析该隧道形成突泥涌水的原因主要为地质条件和施工作业的影响.地质条件影响岩石工程地质性质的因素主要包括岩石的地质特征如岩石的矿物成分、结构、构造及成因等其次为岩石的赋存环境包括地下水和风化作用等外部因素的影响该处埋深 岩层走向与隧道轴线小角度相交倾角 处于强风化与中风化过渡段局部小构造发育出露为绿泥石云母片岩片理发育灰色、灰青色粒状变晶结构裂隙极发育强度低极易风化剥落岩体赋存环境差地下水发育自稳能力差具有埋深大、高压富水、软弱和陡倾角的特点 由于隧道开挖渗透压力差增大岩体裂隙内小颗粒物质被不断冲刷水路逐步开阔地下水增大岩体结构进一步被破坏软弱破碎岩体为突泥涌水提供了丰富的固体物质来源且该处为陡倾构造固体物质运动势能和水压力明显增大围岩软弱破碎防突能力较低地质条件满足突泥涌水触发条件.作业过程的影响突泥涌水产生的另一个必要条件为蓄能空间像岩溶、宽大张裂隙、断层破碎带等本身已形成较大蓄能空间 随着隧道开挖形成凌空面原来处于阻滞状态的充填物有了移动空间充填物涌出后蓄能空间进一步扩大 腔口形成封堵后腔壁风化岩体在地下水作用下仍在塌落能量持续蓄积当能量超过围岩和隧道支护防突能力极限后泥水混合物的运动势能以高压力形式在腔口瞬间释放形成大规模突泥涌水如图 图 突泥涌水形成示意图通过理论分析该处软弱带能量积蓄大、高压富水、围岩稳定性差防突能力不足隧道开挖后为能量释放提供了空间由于对突泥涌水形成机理及危害性认识不足未在第一次突泥涌水后采取有效处治手段控制能量积蓄增强防突能力致使腔内松散体完成二次蓄能与释放 由此可见地质条件和施工因素都是产生大规模突泥涌水的重要原因 处治技术由上述突泥涌水的形成原因分析可知能量积蓄和隧道防突能力与突泥涌水之间的关系当能量积蓄达到隧道防突能力极限时就会产生突泥涌水反之便不会产生 所以如何控制能量积蓄合理释放能量和增强防突能力是处治突泥涌水的关键 下文从三方面着手结合理论分析和现场试验对突泥涌水处治技术进行阐述.控制能量积蓄和合理释放能量当发生大规模突泥涌水且灾害发展迅速时应采取快速果断的处治措施对能量积蓄和释放进行控制避免蓄能空间无限扩大 应快速反应采取反压回填等措施稳定掌子面采用砂袋墙、网喷射混凝土等封堵腔口增强防突能力预留排水通道避免因能量积蓄过大造成更大范围的突泥涌水事故在形成较强的防突能力前必须采取合理有效的能量释放措施才能避免腔内能量积蓄过大突破承载能力 腔内能量来源于松散体势能、水压力和塌落岩体冲击荷载随着松散体不断堆积腔内空间 年 第 期 吴宪富等:某隧道突泥涌水成因分析及处治技术研究逐步减小松动范围和冲击能量将受到空间限制且松散体的释能过程不易控制易造成灾害因此不可采取清理松散体的方式进行能量释放应采取打设泄水孔对水进行高位截流和压力释放.增强防突能力在控制能量积蓄、合理释放能量的基础上还应使防突能力能够承载腔内积蓄的能量 可以采取后方围岩补强、初期支护加固、泵送混凝土和注浆改良腔内松散体、增强预支护、加强支护参数、分部开挖等措施提高防突能力围岩补强和初支加固 掌子面后方 采用 长 钢花管径向注浆补强围岩间距 梅花形布设钢管孔口 不开孔浆液采用后期强度大的普通水泥单液浆水灰比 对两侧拱脚渣体注浆加固采用单液浆水灰比.稳固拱脚抑制支护变形必要时设置临时支撑、护拱等保护和加强既有初期支护泵送混凝土和注浆改良腔内松散体 采用潜孔钻钻孔预埋泵送混凝土管路在泵送管路以上 处打设泄水排气孔向腔内泵送 混凝土混凝土对腔内松散体形成挤密作用机理类似压密注浆同时混凝土自身和部分周边松散体凝结成稳固承载体泵送混凝土后涌水速率减小为/泵送混凝土后进行小导管半封闭周边注浆根据地下水情况和注浆部位进行材料选择地下水发育部位采用水泥 水玻璃双液浆水泥浆水灰比 水玻璃浓度 无水或水较小部位采用普通水泥单液浆经对涌出渣体进行现场试验浆液配比、性能和适用条件等如表 所示注浆机理为渗透注浆 注浆顺序依据先重点后一般先疏后密先周边后中间注浆方式由稀到浓先低压后逐步增大钻一孔注一孔的原则进行 综合分析总注浆量、注浆压力、表 现场试验注浆材料性能与适用条件水灰比凝结时间结石率/适用条件 后方初支径向注浆.腔内松散体改良.腔内松散体改良、后方初支拱脚加固双液浆地下水较大部位腔内松散体改良注浆时间和流量等因素确定注浆过程中各项参数控制值经现场试验得出水灰比为.的单浆液当注浆压力达到.时扩散半径和注浆效果能满足注浆目的要求注浆完成后涌水速率减小为/打设检查孔对加固效果进行检验有水从探孔流出时进行补充注浆 小导管注浆示意图见图 改良加固效果直接决定突泥涌水处治成败因此注浆过程控制、加固效果检验、注浆队伍和设备专业性、生产管理团队等因素直接影响处治效果图 小导管注浆示意图增强超前预支护措施加强支护参数 采用 长 超前大管棚和.长 超前注浆小导管配合使用难以成孔下管时可采用大直径自进式锚杆管棚环向间距在拱顶范围内布设注浆完成后灌注砂浆增强刚度 泵送混凝土、注浆改良的松散体与超前大管棚和超前小导管组合形成“梁效应”和“加强效应”承载能力增强支护参数见表 表 突水涌泥段支护参数汇总表预支护与预加固初期支护衬砌拱顶 范围 长 超前大管棚环向间距 共 根拱顶 范围.长 超前注浆小导管环向间距 共 根泵送混凝土、注浆改良松散体 喷射混凝土 钢拱架纵向间距 双层钢筋网梅花形布设长 径向注浆小导管间距 钢筋混凝土二次衬砌 主筋纵向间距 采用分部开挖法人工或机械掘进控制扰动强度和扰动范围 调整支护参数加大拱架型号缩小拱架间距使结构尽快闭合成环 加大衬砌厚度对隧道拱脚、隧底进行加固保证该段承载要求 对出水部位集中引排加密环向排水半管透水盲管横向排水管以满足排水要求避免衬砌承受过大的外水压力 安设钢筋计、水压计等监测设备对衬砌结构承载状态进行长期监测保障隧道运营安全北方交通 年 第 期 注意事项突泥涌水主要由自然因素、勘察设计因素、施工因素等方面造成很多突泥涌水灾害的发生是可以预防和控制的()在突泥涌水发生后切不可盲目清淤致使腔内松散体涌出造成蓄能空间扩大产生更大规模灾害()松散体可从超前小导管、超前大管棚间隙漏出其改良加固效果决定突泥涌水灾害处治成败从注浆设计、注浆准备、过程控制和效果检验等方面着手保证加固改良效果使泵送混凝土、注浆加固松散体、管棚及小导管组成支承体系保障支护体系稳定()突泥涌水风险高的隧道在施工过程中应特别重视超前地质预报工作做好地质判释双洞隧道可根据先行洞地质条件对后行洞进行预判制定应急预案储备应急物资降低地质灾害风险()对突泥涌水段落前后都应加强监控量测工作加密监测点布置和监测频率及时反馈监测信息确保施工安全 结论通过某隧道工程实践结合理论分析和现场试验对隧道突泥涌水灾害的成因、处治技术进行了研究总结出“控制能量积蓄合理释放能量增强防突能力”的处治原则成功处治了多起突泥涌水事故处治后隧道初期支护和衬砌等未发生相关病害技术和经验可为同类隧道设计施工参考参考文献 王万平李建斐张龙.黄土公路隧道涌泥段注浆加固处治技术研究.公路交通科技():.王胜国.综合降水技术在胡麻岭隧道富水粉细砂地层中的应用.国防交通工程与技术():.王子洪付会斌马伟斌等.岩溶地区隧道突水机理及防治措施.铁道建筑():.张伟杰.隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究.济南:山东大学.黄鑫.隧道突水突泥致灾系统与充填溶洞间歇型突水突泥灾变机理.济南:山东大学.翁贤杰.富水断层破碎带隧道突水突泥机理及注浆治理技术研究.济南:山东大学.窦明健.公路工程地质.北京:人民交通出版社.杨波任尚强.详解回填处理隧道掌子面塌方方法.公路交通技术():.肖广志.不良、特殊地质条件隧道施工技术及实例:第 册.北京:人民交通出版社股份有限公司.().年 第 期 吴宪富等:某隧道突泥涌水成因分析及处治技术研究