张家湾隧道涌水涌泥段技术方案处理

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　　摘要：张家湾隧道是洛湛铁路通道娄底至邵阳段扩能改造工程高风险隧道，是娄邵铁路关键控制性工程。该隧道地质条件复杂，洞身受多条断裂带影响，区域溶岩发育，富含地下水，在施工期间DK17+250～+375段集中发生了3次较大涌水、涌泥等问题，本文对该隧道工程地质、水文地质及地形、地貌和涌水涌泥特征综合分析，阐明了涌水涌泥产生的根源及影响，提出通过注浆加固止水和集中引排相结合的综合措施对涌水涌泥段进行有效处治，为今后复杂地段隧道涌水涌泥处理提供有效参考。
　　关键词：张家湾隧道；涌水；成因分析；处理措施
　　中图分类号： TU74文献标识码：A
　　
　　1.工程概况
　　张家湾隧道为娄邵铁路扩能改造工程，其位于湖南省娄底市娄星区与涟源县交界地段, 为双线电气化隧道，列车最高行车速度200km/h，全长3064m，隧道进口里程DK16+525，出口里程DK19+589，进口75m（DK16+525～600）为3.0‰上坡，其余2989m（DK16+600～DK19+589）为5.8‰下坡。隧道最大埋深135米。进口段位于灰岩地层中，岩溶较发育。DK17+250～+375（涌水涌泥段）地表存在较多房屋、水塘、农田，埋深约70m。设计隧道正常涌水量2079m3/d，最大涌水量23501m3/d。
　　隧道地貌属丘陵、谷地。地形起伏大，山高坡陡，冲沟发育，山体自然坡度20～40°，植被较发育，多为松树、油茶树、桔圆；坡面多辟为民房及旱地，谷地地势较平坦，洞身顶部有村民居住。
　　隧道测区属大陆性中亚热带季风湿润气候区，平均年降雨量1344.5mm，年最大降雨量1753.1mm，日最大降雨量226.1mm，降雨主要集中每年4～7月份。
　　2.工程地质及水文地质
　　2.1地层岩性
　　隧道洞身穿过地层主要为石炭系和二叠系地层，均为碳酸盐岩地层。
　　（1）石炭系下统岩关阶（C1y）灰岩，青灰色，弱风化，隐晶质结构，块状构造，节理裂隙较发育，网状方解石脉充填，岩层产状：140°＜60°。主要分布在隧道进口至DK16+930附近；大塘阶（C1d）灰岩，灰白色，弱风化，中间细晶结构，厚层状构造、节理裂隙发育，为方解石脉及浅黄、浅红色黏性土充填，钻探取心岩芯完整，呈短柱状，节长7～103cm，RQD=90%。返水正常，无漏水现象。岩层产状160°＜75°。主要分布在DK16+930至DK17+430段附近；
　　（2）二迭系下统栖霞组（P1q）炭质灰岩，灰黑色、弱风化、隐晶质结构，厚层状构造，节理裂隙发育，夹少量薄层炭质页岩。岩层产状：125°＜43°。主要分布在DK18+620至DK19+000段附近；茅口组（P1m）页岩：褐黑色、强风化，岩芯较破碎，呈薄片状夹片块状。其下为炭质灰岩，灰黑色、弱风化、隐晶质结构，块状构造成短柱状。岩层产状：140°＜60°。主要分布在DK19+000至隧道出口附近；
　　（3）山坡表层为第四系残坡积（Q4el+dl）黏土，褐黄色，硬塑，进口附近厚3～10m，中部坡顶覆盖土层较厚，约3～5m，出口覆盖土层厚约5～9m。凹地表层为第四系残坡积（Q4el+dl）黏土，褐黄色，灰黑色，硬塑，厚8～10m。
　　2.2地质构造
　　隧道整体为向斜构造，向斜长轴呈北东东向。线路走向与向斜长轴方向呈大角度相交。张家湾隧道位于向斜西翼，区内断层较为发育，岩层呈单斜构造。
　　根据物探EH-4资料，揭示该段发育5处推测断裂。分别位于DK16+890-DK16+925、DK17+400-DK17+435、DK18+890-DK19+000、DK19+125-DK19+160、DK19+265-DK19+305为低阻带，推测为断裂破碎带。
　　2.3 不良地质
　　根据实地调查，测区内存在溶岩、煤层等不良地质现象。
　　2.4水文地质
　　2.4.1地下水类型及富水性
　　隧道区地下水主要为孔隙水及灰岩的基岩裂隙水。
　　（1）孔隙水，赋存在于第四系地层中，第四系地层层厚较薄，空隙较小，富水性差，水量不大。
　　（2）基岩裂隙水：主要赋存在全-强风化的基岩之中，岩体受风化影响而破碎，透水性强，主要分布于地表及浅部层水位，埋深约6-8m。
　　（3）构造裂隙水：受构造影响，赋存在构造破碎带及构造裂隙之中，主要分布于沿线的断层带附近及深部，深部主要为脉状裂隙水。断层带及其影响范围，裂隙发育，为较好的储水构造，地下水较发育。
　　（4）碳酸盐岩类裂隙溶洞水：赋存与岩溶裂隙及之中，主要分布于沿线的碳酸盐岩地段，本隧道碳酸盐岩类地段占隧道总长度的80%，为主要的富水地段。
　　2.4.2 地下水补给、径流、排泄与地表水关系
　　（1）补给特征：隧道位于丘坡地带，构造裂隙和风化裂隙十分发育，植物发育，地表土层厚5-10m，大气降水为地下水主要补给来源。
　　（2）径流与排泄特征：大气降水通过裂隙、断层带下渗后通过包气带后由垂向径流转为水平径流，其中大部分赋存于浅部（50m以上）的构造裂隙和风化裂隙中，通过短途径的径流后在沟谷中以散流形式排泄，一般径流途径短、径流强度及深度较小，地下水水位动态变化。部分沿着大的构造裂隙和断层破碎带向深部径流，成为深部地下水静储量的一部分或通过远距离的径流后以散流形式排泄。
　　3 隧道施工情况
　　该隧道2010年12月开工，分别由进出口同时施工，进口工区为反坡施工。2012年12月至2013年1月，进口工区DK17+250～DK17+375段施工揭示DK17+258～+273，DK17+351～+365半充填溶洞，施工初时涌水量较大，携带泥砂，随后水量逐渐衰减成为渗流，其中DK17+258～+273段洞内蓄水约1058m3，DK17+351～+365段基本无水；以及DK17+285、DK17+333、DK17+367共3处涌水量较大的岩溶裂隙，涌水量分别约30m3/h。进口工区针对半充填溶洞地段，采用加强型复合式衬砌（55cm厚钢筋混凝土）、混凝土回填、预留排水管引排等工程措施进行处理；针对岩溶裂隙段，采用了预留排水管引排至隧道中心排水沟等工程措施处理。
　　2013年雨季，连续暴雨期间洞内涌水量增大，进口工区发生三次反坡淹井，最大瞬时涌水量710m3/h，涌水携带粉质泥沙。隧道开挖揭示和涌水涌泥后，引起失水、地面塌陷，地表多处水塘、水井干枯，在DK17+260左线中线右侧13m处地表发生塌陷。洞内涌水主要集中在DK16+710溶洞（空溶洞，长8.5m、宽1.5m、高1.3m，最大涌水量35m3/h、清水，暂未处理）、DK17+230～+579（二衬端头）段泄水孔及未施工二次衬砌段初期支护表面，洞内DK17+273～+300段二次衬砌出现开裂（5条纵向、斜向裂缝）、渗漏水。
　　
　　
　　
　　 隧道涌水
　　
　　4 涌水、涌泥成因
　　根据隧址自然条件、水文地质勘探、施工揭示及地表和洞内物探资料，推断隧道涌水涌泥并导致次生灾害发生的主要原因有以下几方面。
　　4.1 地质条件
　　（1）隧道DK17+250～DK17+375段围岩岩溶较强发育。主要为岩溶裂隙、岩溶管道和溶腔等，水平向和竖向均有，地表未见落水洞、漏斗等，具有自然径流排泄条件，地下水主要为地表水入渗补给。岩溶管道和溶腔多为软泥充填，隧道总体上属于岩溶水的垂直循环带中。
　　（2）隧道施工为地下水提供了良好的排泄通道。隧道经过山坳低洼地段，地表多为农田及提供村民生产、生活用水的塘堰，有部分水井，隧道没施工时地下水位较浅，隧道施工为地下水提供了良好的排泄通道，地下水位明显下降，地表水下渗补给，造成地表近于干枯。隧道涌水携带泥砂，进一步疏通岩溶管道，岩溶异常带多为直接连通至地表土层底部的开口型溶洞，易地表塌陷等。
　　4.2 气象条件
　　2012年12月至2013年1月进口工区施工DK17+250～+375段期间，属枯水季节，降雨少，涌水主要为岩溶蓄水，涌水量小。2013年3-6月份较集中发生3次强降雨（最大降雨量2013年5月14日达201mm），由于隧道区域地表水系不发育，没有河流、溪谷等，大量地表水汇集低洼地段，沿岩溶裂隙、溶洞、岩溶管道及溶腔夹带大量泥沙快速下渗洞内形成较大涌水涌泥，造成反坡淹井和地表塌陷。
　　由于大量地表水快速下渗，而岩溶段已施工的衬砌后背因排水受限局部水位不断升高成为衬砌开裂的主要原因。
　　4.3该涌水特征:
　　（1）洞内涌水涌泥段为岩溶区及其影响区。
　　（2）涌水涌泥段为岩溶发育段，主要为岩溶裂隙、岩溶管道和溶腔等，水平向和竖向均有。
　　（3）洞内涌水受大气降雨十分明显，涌水涌泥量随大气降雨的增加而增加。
　　（4）大气降雨从入渗到排泄，径流快，溶滤时间短，补给迅速。
　　5. 处理措施
　　根据DK17+250～+375段岩溶规模形态、水文工程地质资料，以及施工隧道涌水对地面村庄和水环境影响，为防止地表塌陷、房屋开裂等次生灾害的发生，对“DK17+258～+273”和“DK17+351～+365”涌水涌泥段及影响地段采用注浆封堵为主；针对施工揭示局部裂隙水发育段，设置侧向洞室，采用钻孔排水防止局部水压升高导致衬砌结构破坏处理方案。
　　
　　
　　5.1洞内注浆封堵
　　本段隧道埋深较深，采用地表注浆难度大，施工期间对地表居民生活影响较大，深孔注浆施工工艺较高，
　　DK17+250～+275、DK17+345～+375岩溶密集段在已回填混泥土的基础上，进行5.0m径向注浆填充岩溶空洞，封堵水流通道，提高隧道岩体整体强度和抗渗能力，形成隔水保护层，减少隧道外水压力。
　　DK17+277～+300段衬砌开裂较严重，注浆加固拱墙以外5m范围内的围岩。
　　（2）DK17+285、DK17+333、DK17+367三处岩溶裂隙涌水点采取局部注浆封堵处理。
　　（3）地表陷坑回填土进行注浆加固。
　　注浆堵水参数：孔口间距1～1.5m，注浆孔径50mm，根据现场适当调整；单孔扩散半径2.0m，注浆孔与裂隙出水面尽量大角度相交；注浆压力0.5～1.0MPa。
　　注浆加固参数：注浆孔梅花形布置，孔口环向间距拱墙120cm、拱脚80cm、仰拱部150cm，孔底环向间距200cm，注浆孔纵向间距200cm；注浆孔径50mm；单孔扩散半径1.2m；注浆压力10～1.5MPa。
　　5.2施作抗水压衬砌（抗渗钢筋混泥土)
　　考虑隧道施工及运营安全，DK17+250～+300、DK17+345～+375段注浆及超前管棚施工完后，拆除施作的二次衬砌，重新施作抗水压钢筋混凝土衬砌，抗水压衬砌两端施作阻水椎，防止岩溶水纵向窜流，同时避免水压过大对其产生不利影响。
　　5.3加强排水措施
　　根据隧道涌水量现场观测情况，预计DK16+845～DK17+950段雨季期间正常涌水量1947m3/d，最大涌水量19558m3/d，须加强隧道涌水段的排水措施，消减地下水压力。
　　（1）加密DK17+250～+375段衬砌泄水孔，单侧间距1.0m～2.0m/处，泄水孔直径100mm（采用钻孔打穿二衬），位置位于衬砌纵向盲沟处，并向洞内形成不小于2%排水坡。
　　（2）加密DK17+250～+375段衬砌背后盲沟环向排水板。
　　（3）增大横向排水管断面及纵向排水沟断面等。
　　5.4设置侧向洞室引排
　　为防止岩溶水蓄积，致使局部水压升高影响衬砌安全，在溶岩裂隙发育段DK17+300～+345右侧设置侧向洞室集中引排至侧向水沟，预留设置钻孔排放岩溶水条件，钻孔根据运营期溶洞水压、水量及衬砌结构的安全情况确定钻孔设置及排水时机。
　　6.结束语
　　（1）受工程地质、水文地质和地形、地貌及地下水特征的影响，致使张家湾隧道进口工区雨季出现3次严重反坡淹井，施工严重受阻，同时造成施工及运营安全隐患。
　　（2）张家湾隧道洞内涌水涌泥受大气降雨明显，其涌水涌泥量与降雨时间、降雨强度直接相关。涌水涌泥形式表现为溶洞、岩溶管道、溶腔涌水涌泥和裂隙渗水。
　　（3）涌水涌泥段通过岩溶注浆封堵、施作防水压衬砌、加密二次衬砌泄水孔、增大排水管截面和设置侧向洞室引排等综合措施有效解决了张家湾隧道施工涌水问题，为后续施工及今后运营安全提供了保障。

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