随着高速铁路、公路发展迅速, 隧道施工也越来越多。隧道施工中如果遇见地下水发育的地段, 会严重影响隧道施工安全、质量和进度。大量实践表明, 水会降低围岩的力学性能, 使自承能力降低, 进而使围岩丧失稳定性, 产生隧道变形。如何降低水对隧道施工的影响十分重要。以通省隧道左线成功穿越富水段施工为例, 介绍各种排水施工控制措施。

通省隧道是湖北省十房高速公路上的特长隧道, 是全线的重难点工程和控制性工程。隧道地处鄂西北山地, 中低山地貌区, 附近山顶标高1 360.000m, 最大切割深度近900m, 地形坡度一般为30°~50°, 沿线山高谷深, 峡谷蜿蜒, 区内水系发育, 多呈树枝状、栅状, 水系主方向多为近南北向, 沟谷深切多呈V形。隧址区在大地构造上, 处于扬子板块北缘和秦岭-大别山造山带的交接部位, 在长期的地质发展演化进程中, 经历了多期次、多阶段的变形变质作用和岩浆活动, 地质构造复杂。

通省隧道为单向双车道隧道, 隧道左线全长6 900m (起讫里程:ZK110+090—ZK116+990) , 其中合同段隧道长3 450m (起讫里程:ZK113+540—ZK116+990) , 隧道进口位于R=1 000m的圆曲线内, 超高横坡-3%, 出口位于R=1 420m的圆曲线内, 超高横坡2%, 其余路段位于直线内;通省隧道右线全长6 873m (起讫里程:YK110+085—YK116+958) , 其中本文所研究合同段隧道长3 438m (起讫里程:YK113+520—YK116+958) , 隧道进口位于R=1 000m的圆曲线内, 超高横坡-3%, 出口位于R=1 420m的圆曲线内, 超高横坡2%, 其余路段位于直线内。隧道左、右线纵坡设计均采用单向坡, 坡率为1.9%, 进口端洞门设计标高为561.700m, 出口端洞门设计标高为690.800m, 该合同段隧道均由出口端反坡进行施工。

隧道富水段施工时, 渗涌水一直是持续的, 期间渗涌水量大小会有变化, 但是隧道内的抽排水工作必须持续进行。通省隧道渗涌水的特征主要为:渗水量雨后会有显著变化, 期间掌子面和初期支护上的渗水会明显加大, 某时间达到渗涌水的峰值是突发性和瞬时性的。渗涌水情况如图1所示。通省隧道渗涌水情况统计如表1所示。

隧道涌水突泥段围岩为武当群变质云母石英片岩, 推测此段落为断层破碎带, 节理裂隙及片理发育, 风化泥质夹层发育, 岩体破碎, 完整性较差, 岩体在遇水情况下很容易发生泥化, 自稳能力非常差。此段落内发育的地下水为基岩裂隙水, 来源主要是大气降水, 因此隧道开挖后滴渗水现象严重, 雨天后隧道掌子面容易出现涌水现象。

通省隧道隧址区顶部无小溪、河流等明显水源, 山体内无暗河、溶洞存在, 因此地下水主要受大气降水影响, 隧址区年平均降水量约为926mm, 最大日降水量为210mm, 同时, 隧道涌水突泥段顶部地势为V形低洼沟谷, 大气降水等地表水会在此汇聚, 形成面积大约为0.36km²汇水区。

通省隧道涌水突泥段地质构造和岩体结构极为复杂, 围岩受反复地质运动的影响, 岩体破碎, 透水能力强, 地下水在此段落运移通畅, 储存空间广泛。通省隧道隧址区地下水主要为分布于变质岩的构造裂隙中的基岩裂隙水, 接受隧址区地表水和大气降水的补给, 向下排渗, 涌水突泥段隧道埋深约350m, 因而此段落内水位埋置较深, 含水层很厚。

通省隧道涌水突泥段山体中断层破碎带及揉皱等发育, 岩体节理裂隙发育, 透水性强, 且山体内断层破碎带相互交接, 部分互通向上延伸于地表, 向地下延伸于隧道所在部位之下, 形成隧道与地表水之间连通的通道, 使山体内的水得到源源不断的补充。

通省隧道涌水突泥段围岩为云母石英片岩, 松散破碎, 黏结性差, 围岩透水性强, 岩体节理裂隙发育, 连通条件好, 隧道埋深较大, 山体内水储量大。在隧道掘进过程中, 通过此段落时, 就会打乱地下水的正常运移通道, 当隧道周边围岩中富含大量地下水时, 水就会沿着断层破碎带中的裂隙间涌入临空面, 就会形成渗涌水, 当隧道周边围岩地下水水源补给充足时, 就会形成连续渗涌水。

针对通省隧道出现的“逢涌必停”的严重水文地质灾害, 为确保隧道按期贯通, 以及隧道施工及运营安全, 通过长期观察总结、技术分析及专家论证, 认为导致隧道涌水突泥的原因为隧道主洞位于地下水位之下, 地表水在断层破碎围岩中的补给作用明显, 沿既有孔道涌入隧道。涌水突泥处治应遵循“以排为主, 堵排结合”的综合治理原则, 从而缓解涌水突泥对隧道施工及运营造成的危害。

当开挖后渗水较大时, 可以在初期支护背后埋设一定数量的环形排水盲管引排渗水, 同时在初期支护两侧边墙上钻设一定数量的排水孔引排渗水, 防止渗水在初期支护背后回流堆积, 让渗水从孔中排出。

在渗水较大地段, 在拱部打设一定数量的6m长的径向小导管进行引排, 引排小导管采用外径42mm、壁厚3.5mm的无缝钢管, 钢管前段制作成呈尖锥状, 锥头长10cm, 管壁四周钻φ6mm渗水孔。引排小导管以径向钻入围岩, 纵向间距和环向间距视渗水量大小可以进行调整。

在渗水较大地段, 型钢间预留1道泄水槽进行引排水。在需要预留泄水槽位置, 预先开挖合适的距离, 测量后按照30cm型钢拱架间距, 以正常半径轮廓立设拱架。由于该段落需要预留, 拱架立设后不需要喷射混凝土, 为保证施工安全, 泄水槽型钢拱脚利用短截型钢进行支垫以确保拱脚基础牢固, 按原设计的2倍数量对纵向连接钢筋进行加密布置以确保拱架连接牢固, 而后在两侧的拱脚和拱腰部位各增加2根锁脚导管 (共8根) 进行加固, 最后系统锚杆和超前支护按正常设计支护进行施工, 钢筋网可以暂时不进行安装。此时需要注意的是, 由于此施工循环未喷射混凝土, 隧道下一个施工循环开挖时, 要尽量减少对围岩的扰动, 最好采用机械配合人工开挖, 若确实需要爆破开挖, 要多打炮眼, 少装炸药。

正常开挖完成3个循环, 待喷射混凝土达到一定强度后, 在预留好的泄水槽中间拱部120°, 环向间距1.2m, 打设5m径向炮孔, 每孔装药0.15kg, 对周边围岩进行爆裂, 制造一定数量的裂隙, 为水源的渗漏创造连通条件。此时1道泄水槽施工完毕, 如此循环按纵向间距10m布置下一道泄水槽。

在二衬施工到泄水槽处时, 在每道槽内埋设1道环向100mm的软式透水管进行引排, 然后按照设计支护布设钢筋网, 最后用喷射混凝土对槽进行补平。预裂炮孔布设范围如图2所示, 泄水槽布置如图3所示。

管棚技术是一种超前支护方法, 用来防止掌子面塌方和约束围岩变形。沿着隧道开挖轮廓线水平放置钢管, 然后将浆液通过钢管注入围岩中, 使隧道拱部预先形成一个伞状钢管棚, 从而提高钢管的强度和加固围岩。在渗水塌方处, 施做管棚套拱, 采用H175型钢双层拱架 (在初期支护上导洞内再增加1层H175型钢) , 套拱长2.4m, 纵向间距60cm, 第2层上导初支再喷射25cm厚C25混凝土做管棚套拱 (待二衬施工至该套拱段落处再进行拆除) 。在拱部约150°范围内环向布设间距50cm的定向钢管, 打设30根30m管棚钢管及6根泄水管, 管棚钢管以1°仰角打入, 泄水管以20°仰角打入。管棚钢管和泄水管均采用φ108mm无缝钢管, 壁厚8mm, 管壁四周钻φ10mm渗水注浆孔, 梅花形布置, 每断面3孔, 断面间距50cm, 尾部1m长范围内不钻孔。管棚钢管采用水泥-水玻璃双浆液体进行注浆, 泄水管不进行注浆。管棚钢管布置如图4所示。

通省隧道原设计的排水体系为:拱墙初期支护与二次衬砌之间铺设2m宽自粘EVA防水板, 防水层与初期支护间拱墙环向每5m间距设置环向排水盲管, 在隧道两侧边墙墙脚路缘排水沟处设置通长φ100mm纵向排水盲管, 同时每隔5m设置1道φ100mm横向泄水盲管, 采用三通管连通, 通过横向泄水管直接引入隧道侧式排水沟内。考虑到隧道为强富水隧道, 以及后期二衬防水施工质量问题, 在渗水较大地段, 排水体系采用双层防水板, 每张防水板背后设置1道环向排水盲管进行引排。这里需要注意的是两层防水板的铺设问题, 第1层防水板正常铺设, 第2层防水板铺设时, 由于没有防水板固定射钉点连接处, 要使用外力进行固定。通省隧道采用环向钢筋进行固定, 纵向间距1m, 即每张防水板宽度范围布置2道钢筋;环向钢筋的设置, 一是固定第2层防水板, 二是为第1层防水板提供环向支撑, 由于初期支护表面渗水, 防水板的自重会大大加大, 原有的固定射钉支撑力会出现不足, 挂设好的防水板可能会出现整块掉落, 环向钢筋正好可以提供环向支撑力, 抵消增加自重重力, 用以保证后期二衬施工安全。

通省隧道线路为1.9%的单向纵坡, 该合同段由隧道出口端反坡进行施工, 同时隧道内渗涌水量很大, 因此在日常施工中引排水时必须做好反坡排水。通省隧道在穿越涌水突泥段时已掘进约2 600m, 结合考虑水泵扬程等因素, 主要采用设置集中泵站和临时抽水点相结合的方法进行接力排水。在距隧道掌子面50m处设置1个6.0m (长) ×2.5m (宽) ×2.0m (深) 水箱, 作为临时积水池, 水箱随掌子面的开挖而前移, 确保掌子面处无积水。在隧道已施工完二衬的区间内, 每隔约500m设1个40m²固定水池。隧道开挖施工时首先将掌子面渗涌水汇集抽排入水箱中, 利用大功率水泵将水抽排入固定水池中, 然后在每个固定水池处设置集中泵站, 利用高压水泵以及专用排水管路将水抽送至下一个固定水池, 如此循环将水排至洞外。在此需要注意的是, 一定要根据需求选用合适水泵和合适管径的排水管路, 布置足够的备用排水水泵和管路, 及时更换出现故障的排水机械设备。同时, 在掌子面周围布设1台大功率泥浆泵, 用以应对隧道突泥事故。在平时施工中, 隧道内的渗涌水必须及时采取相应措施防止其到处漫流, 尽量将其汇集到掌子面处水箱内, 尽量避免水浸泡隧道拱脚和仰拱, 保证隧道结构安全。通省隧道现场设置了专门的排水班组进行现场值班管理, 负责水泵及管路的维护保养, 确保隧道能24h不间断进行排水, 必要时辅以罐车运水, 保证隧道内水位不断下降。

对富水隧道二衬施工前的防排水施工质量控制相当重要, 质量控制目标:隧道防水等级标准达到一级防水, 二次衬砌表面无湿渍。

防水板材料类型、性能指标必须达到或超过设计要求, 防水板在使用前应按规定频次的2倍进行抽检试验。防水板铺挂前严格对初期支护表面平整性进行检查及处理, 挂设时松紧应适度并留有余量, 铺贴平整顺直, 搭接宽度满足要求, 下部防水板压住上部防水板, 采用双焊缝焊机进行焊接。防水板施工完成后, 采用充气法对防水板的搭接焊缝质量进行检查。

止水带材质、尺寸、形状、物理机械性能必须达到或超过设计规定。止水带接头必须粘接良好, 粘接前做好接头表面的清理。止水带埋设时以施工缝为中心两边对称埋设, 并固定牢固, 防止偏移。二次衬砌脱模后, 要对止水带中心进行检查, 及时进行纠偏。

环向排水盲管间距按设计要求2倍及以上进行加密。严格控制纵向、横向排水管沟位置及坡度, 采用变径三通牢固地将环向、横向排水盲管连为一体, 进而形成完整的排水系统。

从2013年11月至2015年3月, 通省隧道施工通过采取以上排水控制措施后, 隧道左线ZK114+611—ZK114+360共251m长的富水施工段落安全平稳通过。富水隧道施工过程中切忌图快, 隧道开挖施工时, 采取用相应的措施增加初期支护的强度和刚度, 严格控制初期支护施工质量, 防止初期支护变形, 及时合理地引排渗涌水, 严格控制二衬防排水施工质量, 适时跟进二次衬砌, 充分发挥二衬受力储备的作用。此次隧道左线富水段落施工完成后, 隧道衬砌表面未出现结构性的裂缝和渗水, 说明隧道采取的相应排水措施及质量控制措施很成功。

富水隧道施工应首先确定涌水原因, 结合现有的施工条件, 制定出切实可行的施工防排水处理措施, 通省隧道富水段施工主要为渗水提供排水通路, 对渗漏下来的水进行有目的的疏导, 防止渗水在初期支护背后以及衬砌和防水层之间随意窜流, 减小渗水对初期支护喷射混凝土和隧道二次衬砌混凝土的腐蚀。通省隧道通过“以排为主, 堵排结合”的综合治理原则对富水段落的施工处理, 使隧道平稳安全通过了富水区域, 为类似隧道施工提供一定的参考。