岩溶复杂地质隧道施工中涌水灾害的处治措施

岩溶复杂地质隧道施工中涌水灾害的处治措施

李红卫

中铁十四局集团第二工程有限公司 ,泰安 ,271000

摘要：岩溶复杂地质条件下的涌水灾害严重威胁着隧道工程的施工安全和工程进度，基于齐岳山隧道具体工程案例，分析了岩溶涌水的特征，提出了关键孔注浆方案，采用分批次注浆的方法，结合双浆液注浆施工技术进行注浆，通过预留孔检查方法，结果显示涌水量减小，注浆效果明显，这对类似岩溶地区隧道工程涌水灾害的治理具有一定的借鉴意义。

关键词：岩溶隧道；涌水灾害；关键孔；处治技术

1 引言

随着国家基础设施建设的发展，铁路、高速公路等大型工程项目在西南山区越来越多，同时遇到的工程技术问题也逐渐增加；西南山区是岩溶等复杂地质的分布区，特别是山岭隧道的开挖过程中，遇到岩溶复杂地质条件下的涌水灾害数不胜数，由此造成的安全灾害也是屡见不鲜

注浆技术是解决隧道涌水灾害最为有效的方法之一，注浆技术在涌水灾害治理中的作用也日渐突出，并且伴随着注浆技术的发展，注浆技术已经发展成为包含控制学、机械学、材料学等多门学科的综合性技术，对于注浆技术的应用和发展，很多学者专家也作出了一定的成果。

注浆技术方面，张霄基于对龙固煤矿涌水灾害的研究，提出了采用关键孔注浆方法用于治理高压裂隙涌水，并结合层次分析法，找出关键孔的优选方法，起到了较好的效果；刘海林研究分析了劈裂注浆技术在大坝坝基渗漏的应用，并通过数值模拟方法，终结了劈裂管家技术的主要施工措施；刘招伟通过对圆梁山隧道高水压地质情况的分析，提出采用超前预注浆的方法进行治理，并提出了注浆效果的评定方法，起到了满意的效果。

注浆材料方面，李术才通过室内试验的方法，研究分析了不同类型浆液与水的界面特征，从另一方面直观的揭示了浆液进入岩体裂隙后的堵水机制，对于建立水-浆液面界面模型也具有一定启示意义；冯志强提出了采用新材料进行注浆的注浆机制，通过应用一种新材料聚氨酯进行堵水，试验表明，堵水效果较为明显。

注浆设备方面，蔡金火通过在进行帷幕注浆的研究分析中，研制了一种轨道式注浆列车，这对于在隧道中注浆能够解放劳动力的效果；刘倩基于盾构施工中注浆研究分析，采用掘进和注浆同步的方法，主要从注浆量和注浆压力方面进行改进，验证了注浆设备的改进效果。

通过以上分析可知，许多专家学者在注浆技术、注浆材料和注浆设备方面进行需要具有建设性的建议，但是同时可以看出，大多数的研究成果不是基于一般的工程案例，就是基于室内试验研究，对于在复杂地质条件的注浆技术研究较少。

文章通过对岩溶隧道涌水灾害的研究分析，提出了控制注浆的理念，结合利万高速齐岳山隧道工程，并采用双浆液注浆的注浆方法，对注浆设计、注浆施工和注浆效果检查进行了详细的分析，对岩溶地区的隧道工程具有一定的借鉴和参考。

2 工程概况

齐岳山隧道位于恩施市利川南坪乡和谋道镇之间，属于典型的山岭隧道，最大埋深可达到600m左右。齐岳山隧道是利万高速公路的控制性控制，齐岳山隧道长达3375m，属于特长隧道。

齐岳山所处的地形地貌复杂，大多处于岩溶发育的地区，地形呈波浪形起伏。该地区处于亚热带季风季候，雨量充沛，并且有明显的季节差异，更加加重岩溶的发育；由于隧道地域川鄂湘黔交界处褶皱地带，该地区主要以灰岩发育为主，隧址有可能存在大型溶洞。

齐岳山隧道所在地下水丰富，主要穿越三组岩溶含水岩组；其中包括茅口组溶隙-弱岩溶含水岩组，该组主要分布于齐岳山背斜两翼位置；长兴组-中等岩溶含水岩组分布于齐岳山背斜中心位置，岩溶发育中等主要以裂隙为主；三叠系-嘉陵江强岩含水岩组，位于齐岳山山顶东侧， 主要以岩溶管道为主，降雨补偿水量充沛。下图表示齐岳山水文地质剖面图。

图1 齐岳山岩溶水文地质剖面图

由于齐岳山的水文地质条件极其复杂，岩溶情况发育，在隧道掘进施工的过程中，遇到了大量的涌水情况，涌水不仅威胁施工安全，而且严重影响工程进步。

3 隧道施工涌水特征

齐岳山隧道从目前揭示的岩溶发育情况以及涌水问题，可以将其归结为以下几个特点。

3.1地表连通性强，齐岳山岩溶管道及其发育，导致地表连通性强，隧道开挖后，致使地下水大量上涌，由于地下水受到降雨的补偿，因此涌水出现了随气候变化的特点，在少雨季节，连通的裂隙水几乎不上涌，雨季隧道涌水量较大。

3.2涌水量大，涌水持续时间较长，特别在雨季，涌水量较大，最多出每天直接呈喷涌状，从施工处知，从14年1月-7月，隧道排水量达到600万立方米，造成了隧道施工进度延迟了长达两个月，并由此发生了8次淹井情况，最大岩溶水每天大8.7万立方米。

3.3破坏性大，由于涌水造成施工停滞，隧道内大量的设备被淹，致使损坏严重，并且造成施工中人员受伤情况。

下图表示齐岳山隧道涌水情况。

图2 隧道涌水情况

4 隧道涌水灾害处治

4.1 隧道注浆必要性

采用注浆技术对涌水灾害进行治理，对于改善施工安全条件、加快施工进度有着重要的作用，除此之外，注浆堵水具有以下几个作用。

改善结构安全性，齐岳山隧道施工开挖，打破原有的岩体内岩溶水发育平衡，并且改变了洞身一定范围内的流通和排泄管道系统；隧道高压涌水已经击穿了个别隧道底板，如果长时间没有得到治理，可能导致岩溶管道继续发育，对隧道结构体造成更大的破坏。

注浆治理隧道涌水可以减少排水系统的压力，按照设计隧道内的排水系统已经没有进一步优化改进的空间，并且现有的排水系统不能有效的改善隧道运营期间的要求，因此必须进行隧道注浆堵水治理。

可以加快施工进度，不影响工期，齐岳山隧道工程师整个利万高速公路的控制性工程，隧道能否顺利完工直接关系到利万高速建设的成败，进行注浆堵水也是减少成本的一种方式。

保证水资源生态，居民生产生活的需要，齐岳山水量丰富，如果采用排水的话，严重影响水资源的循环，对该地区居民的生产生活带来一定影响。

4.2 隧道注浆堵水设计施工

隧道涌水工程中采用注浆技术进行堵水施工，起到关键作用的就是注浆钻孔，从统计得到大量的工程经验可以证明，一般只有少数的钻孔可以真正起到封堵作用，因此为了减少材料浪费，提高钻孔的利用率，提出了采用关键孔注浆方式进行注浆，并进行分批次注浆方式（见图3），具体的施工过程见图4。

图3 分批次注浆示意图

图4 注浆过程组织图

在施工过程中，需要注意以下几个方面；钻孔采用潜孔钻，配套采用Φ60钻杆；根据现场情况，进行分批次钻孔，钻孔的过程中，一定保证钻机角度的准确性，防止出现角度偏差较大的情况，钻机钻进的过程中，低速慢进的方式进行钻孔，钻孔结束后，选择关键孔进行注浆，这是注浆工程得以顺利完工的关键。

注浆采用双浆液注浆的方式，通过采用水泥浆液和控制液共同混合注浆的方式，控制液可以随意调配，控制液的主要作用是加快水泥浆液的凝固，可以充分发挥围岩自身的止浆作用，可以及时有效的改变浆液渗透路径，起到固结围岩的作用。

5 治理效果分析

注浆结束后，为了检查注浆效果，通过预留孔的涌水量来表示注浆效果的评定。通过关键孔系统注浆，可以得到底板涌水量有原来的75m³/d减少后来的2m³/d，且注浆变形速率减小，减水和加固的效果明显，具体的水量的变化见图5。

采用预留孔法检测注浆效果，在涌水出设置三处预留孔作为检测孔，并对这三处预留孔进行实时量测涌水量，通过15天的量测，下图表明，涌水处的出水量明显降低，并且在前7天最为明显，随着浆液的注入，涌水量得到控制，说明采用关键孔注浆方案起到较好的堵水效果。

图5 涌水量效果图

6 结论

通过对注浆技术的研究分析，提出了采用关建孔注浆方案进行注浆，结合利万高速齐岳山隧道工程，分析了岩溶裂隙发育情况，根据涌水量的特征情况，建立了关键孔注浆方案，采用分批次注浆方法，通过双浆液注浆，工程实践证明，该方法能够较好的实现的堵水的效果，齐岳山隧道涌水问题得到解决，这对岩溶复杂地区涌水灾害的治理提供了参考。

参考文献

[1] 张霄, 李术才, 张庆松, 等. 关键孔注浆方法在高压裂隙水封堵中的应用研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(7): 1414-1421.

[2] 刘海林. 劈裂灌浆技术在心墙坝加固中的应用及其效果评价[D]. 长江科学院, 2009.

[3] 刘招伟, 张顶立, 张民庆. 圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(10): 1728-1734.

[4] 李术才, 孙子正, 刘人太, 等. 基于裂隙动水注浆的水泥–水玻璃浆液相界面特征研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(8): 1640-1646.

[5] 冯志强, 康红普. 新型聚氨酯堵水注浆材料的研究及应用[J]. 岩土工程学报, 2011, 32(3): 0-7.

[6] 蔡金火. 歌乐山隧道岩溶富水地段注浆设备配套技术研究[J]. 铁道标准设计, 2003 (z1): 75-77.

[7] 刘倩, 曲明月. 盾构法隧道掘进用同步注浆设计[J]. 大连交通大学学报, 2011, 32(3): 105-108.