隧道突泥涌水处理实例
涌水突泥发生经过
2015年11月24日凌晨4点,作业班组在xx隧道出口DK156+903处掌子面进行钻眼作业,掌子面左侧有小股地下水流出,无水压,水质清澈,无夹砂夹泥现象,涌水量为12立方米/d。凌晨4点40分对掌子面右侧进行钻眼时,发现左侧有少量流沙出现,立即组织人员撤离,5点整开始出现大量涌水突泥现象,此时掌子面作业人员已全部撤离。
项目部立即组织人员对凌晨涌水突泥进行现场调查,早上8点钟左右突泥量大约有55立方米,并伴有地下水流出,水量为250立方米/d,且突泥面仍在持续突泥,但突泥量较少。项目部立即将现场情况上报监理及建设单位。
xx隧道出口区域属于丘陵地貌,燕山期晚期(γ53)中粗粒花岗岩,浅红色,全~弱风化,全风化层厚12~42m,强风化层厚2~12m,下为弱风化,洞身主要通过花岗岩弱风化层,岩体较完整;地下水主要为基岩裂隙水和风化带网状裂隙水,偶有渗水。
xx隧道DK156+840~DK156+930段围岩等级设计为Ⅲ级,衬砌类型采用Ⅲb复合式衬砌,开挖采用台阶法施工。
上台阶施工至里程DK156+922处,发现掌子面围岩岩体较破碎,有少量地下水流出,岩体节理裂隙发育。项目部委托隧道超前地质预报单位中铁xx科学研究院,对DK156+922掌子面进行地质雷达测试,预报掌子面前方20m围岩情况。
地质雷达探测结果显示:DK156+922~DK156+902段围岩主要为强至弱风化花岗岩,呈块石状结构,局部区域裂隙发育,裂隙水发育,有较少渗水,岩体中间围岩较破碎,岩体整体完整性较差,围岩稳定性较差。
根据现场开挖情况及地质雷达探测结果,由建设单位组织参建四方单位召开了xx隧道DK156+922~DK156+902段围岩设计变更会。会议确定了DK156+922~DK156+902段围岩级别由原设计Ⅲ级变更为Ⅳ级,衬砌类型由原设计Ⅲb调整为Ⅳa型复合式衬砌。
xx隧道出口目前掌子面里程为DK156+903,开累进尺362m;仰拱里程为DK156+970,开累进尺295m;二衬里程为DK157+021,开累进尺244m。
隧道示意图
DK156+903掌子面示意图
DK156+922~DK156+903段按Ⅳ围岩开挖方式施工。拱部初期支护设置钢筋网,钢筋网采用HPB300,直径Φ6钢筋,网格间距20×20cm。拱部锚杆采用Φ25中空锚杆,边墙采用Φ22砂浆锚杆,长3.5m。初期支护拱架采用I16工字钢,钢架纵向间距为1.0m,相邻钢架间采用Φ22钢筋连接,环向间距1.0m,斜向布置。拱墙喷射C30混凝土,喷射厚度为23cm。每分部开挖的钢架接头处均设2根锁脚锚管,锁脚锚管采用Φ42、壁厚3.5mm钢管,长度L=4.0m,采用Φ12钢筋与型钢钢架焊接牢固。采用Ⅰ型超前小导管注浆预支护,超前导管采用外径Φ42mm、壁厚3.5mm,单根长度4.5m的热轧无缝钢花管,环向间距为0.5m,每环打设28根,相邻两排小导管水平搭接长度为1.0m。
隧道施工截止到11月23日,拱顶沉降累计最大值11.0mm(GD-DK156+935-01,预警值33mm),速率2.2mm/d(预警值5mm/d)。净空收敛累计最大8.32mm(SL-DK156+955-01,预警值33mm),速率1.76mm/d(预警值5mm/d)。
xx隧道出口发生涌水突泥里程为DK156+903,设计隧道拱顶标高为49.128,洞顶地表标高为91.479,隧道涌水突泥处埋深为42.35m。发生涌水突泥后,立即派人到发生突泥段地表进行查看,当日地表无沉降塌陷现象。
根据xx隧道出口第3期(测试范围为DK156+980~DK156+880)TSP报告显示:DK156+980~DK156+930段围岩主要为弱风化花岗岩,呈块石状结构,节理裂隙发育较少,裂隙主要呈密闭型,部分为微张型,岩体整体完整性较好,围岩整体稳定性较好。DK156+930~DK156+880该段围岩相对前段稍差,主要为弱风化花岗岩,呈块石状结构,节理裂隙较发育,裂隙水发育,裂隙主要呈密闭型,部分为微张型,岩体整体完整性一般至较好,围岩整体稳定性较好。
根据xx隧道出口第11期 (测试范围为DK156+922~DK156+902)地质雷达报告显示:DK156+922~DK156+902该段主要为强至弱风化花岗岩,呈块石状结构,局部区域发育较少裂隙,裂隙水发育,较少渗水,岩体中间(2~7m和8~10m)围岩较破碎,岩体整体完整性较差,围岩稳定性较差。
11月24日,掌子面累计突泥量大约为110立方米,掌子面出水量为440 立方米/d,地表无塌陷。
11月25日,掌子面累计突泥量约为180m?,掌子面有地下水流出,水量为460 m3/d。地表出现面积约62㎡,深度为2.0m的塌坑。
11月26日,掌子面累计突泥量约为280m?,掌子面有地下水流出,水量为420 m?/d。地表塌坑持续扩大,塌陷面积约75㎡,塌坑平均深度为3.5m。
11月27日,掌子面累计突泥量约为345m?,掌子面有地下水流出,水量为300 m?/d。地表塌坑持续扩大,塌陷面积约132㎡,塌坑平均深度为3.0m。
1.现场立即在DK156+932处设警戒线,并安排安全员24小时值班。
2.用沙袋对突泥沙堆积处进行护脚堆码。
3.安排人员到突泥沙的山顶地表位置处进行观察,4小时一次。
4.增加隧道洞内DK156+920~DK156+904段及地表塌陷区域监控量测频率,并及时报告监控量测成果。
5.地表塌陷区设置警戒线,塌陷坑周边开挖截水沟,塌陷区上覆彩条布或防水板(坑内搭设支架),防止地表水及雨水汇入坑内。
在隧道出口布设了7个断面的监控量测点,通过4天的连续量测。拱顶沉降累计值最大值为11.3mm,位于DK156+935断面。净空收敛累计值最大值为6.22mm,也位于DK156+935断面。
发生涌水突泥后,我部委托道超前地质预报单位采用TSP地质预报探测掌子面前方100m地质情况。TSP测试结果显示:DK156+903~DK156+850段围岩节理裂隙发育、岩体破碎且裂隙水发育,围岩稳定性差,易发生坍方冒落,DK156+850~DK156+803围岩节理裂隙发育、局部裂隙水发育,围岩稳定性较差。
从2015年11月28日开始钻孔取样,直到12月18日钻了3个探孔,分别为55.1m、55.4m、65m。探孔1、探孔2均偏离左线13m,探孔3偏离左线16m,情况如下图:
DK157+903掌子面顶上原地面出现了一个长11m、宽9m的椭圆形塌陷坑。为了防止塌陷坑下沉影响周边山体,首先将塌陷坑回填,再采用灰土进行封闭,外面再抹砂浆,做好永久排水。
1.塌陷坑回填
DK157+903掌子面顶上塌陷坑,采用粘土进行回填,填筑时采用轻填不进行碾压。
2.塌陷坑封闭
将塌陷坑回填粘土高度比原地面低0.5m,再采用2:8灰土回填1m,比原地面高出0.5m。灰土采用分层碾压,每层厚度为0.25~0.3m。回填完成后在灰土上抹5cm厚的M7.5水泥砂浆。
塌陷坑周边的裂隙较大的先用粘土回填,离地面0.5m采用灰土回填。较小的裂隙直接采用灰土回填。确保地面水不从裂隙向下渗透。
3.塌陷坑周边排水
排查塌陷影响范围,在最外层裂隙的外缘10m左右的位置开挖0.4×0.4m的排水沟,在塌体外缘2m处挖0.2×0.2m的排水沟。排水沟开挖必须顺畅,确保流水畅通不得有积水。排水沟采用M7.5水泥砂浆抹5cm厚。
1.对掌子面进行反压
为了稳定掌子面,防止更多的涌泥突出,采用片石洞渣进行反压,并在反压体内埋设泄水孔,让水可以排出,泥沙隔离不得随水带走。反压方量约250立方米。
2.施作泄水孔
洞内渗水较大,岩体为全风化、强风化花岗岩,遇水成流砂状,自稳能力差。在DK157+912处在拱顶120度的范围内打φ89管棚,角度为大于10度。管棚数量为11根,出水点位于左侧,因此左侧打密些,每个孔的深度控制标准为直到打出水。超过30m未能引出水,就停止作业。无水的孔不需要安装管棚,作以后注浆用。有水的孔需要安装引水管。引水管上半圆梅花型开孔,间距为50cm,孔径为1cm。引水管连接必须采用丝扣。引水管在送入孔之前必须要用土工布全包,成孔时间不能暴露过长,成孔后及时送管。
中台阶挖进过程中,在泄水孔下方再打泄水孔,让水位往下降,保证掌子面没有水出来。
3.打注浆孔并注浆
在拱顶上方施工φ89超前管棚,间距40cm,角度控制在10~30度,管棚长度大于20m。管棚要梅花型开孔,间距为50cm,孔径为1cm。管棚端头间采用丝扣连接,不得用焊接。成孔后必须快速安装,防止塌孔。并及时注浆,注浆压力控制在5~10Mpa。
共施工注浆孔4排50个,深度在21~33m,注浆完成46个,注浆量284t水泥。在注浆过程中,若发现漏浆及时封堵,并停止注浆,等浆液凝固后再注。由于没有施工止浆墙,注浆从原来水路流出,注浆压力只达到1~2Mpa。注浆工艺控制重点是注浆量及注浆压力。
4.掌子面开挖
掌子面开挖主要采用人工开挖,机械配合。不得直接采用设备开挖,尽量减少对掌子面挠动。在开挖前要做好应急材料及设备的准备,包括横竖支撑、喷射砼、砂袋、方木、小导管等。若有变化或突发事情,必须有相对应的应急措施。确保安全并不会引起更大的塌方。
开挖方法采用三台阶预留核心土,开挖必须突出快字,工序连接要紧凑。若掌子面出水且自稳性很差,必须在掌面打小导管,并用喷射砼封闭,防止水将砂带出引起更大的塌方。
5.初支及超前施工
掌子面开挖后要及时支护,骨架采用HW175型钢,间距为50cm。超前小导管采用∮50无缝管,长度为3m,间距为20cm。缩短超过前小导管,增加打管的频率,每3榀拱架施作一次,这样避免由外插角引起的拱顶与超前间的厚度过厚。拱架间连接除了正常的钢筋连接外,采用每1.5m增加I14的型钢加强连接。打超前眼时注意尽量不采用水钻,围岩差采用凿岩钻机直接打前超小导管。
喷射砼时首先将掌子面初喷,初喷厚度控制在5cm,目的稳定是掌子面,减短掌子面的暴露时间。然后再喷拱架,作业时喷头要垂直于岩面,拱架背后不得有空洞。
在塌方体处要加密监控量测点的布置,每天观测4次,在沉降稳定后,改为每天观测2次。量测结果要及时,并上传系统,便于动态掌握沉降及收敛情况。若出现沉降、收敛值大于规定,则立即停止施工,采取封闭掌子面、增加临时仰拱、增加横向支撑或竖向支撑等措施,稳定后才能加固周边围岩。
在围岩产生变化时,有必要打超前探孔,掌握前面的围岩情况,包括围岩强度、破碎情况、富水情况等,根据探孔的勘察情况,动态调整开挖方式及支护参数。
同时,在每个班开挖的时候,采用超长钻杆打孔,根据钻杆的进钻速度来判断前方围岩软弱情况。采用人工开挖的软弱围岩,也要施作加深炮孔。水平钻搭接长度不小5m。
根据监控量测的数据,采取相应措施。若拱顶沉降量及收敛值偏大,则要增加横向支撑和竖向支撑;若沉降量小而收敛值大,则增加横向支撑。xx隧道右侧为中风化岩石,左侧为全风化花岗岩并有渗水,形成左弱右硬的断面。根据量测资料,左侧收敛值偏大,则左侧采用加斜撑的方法进行加固,斜撑基础采用1m×1m的C20素砼。
通过2天的收敛量测,初支基本稳定。若加斜向支撑后收敛还在发展,则要采用横向支撑进行加强。
拆除临时支撑前,边须要对受力体系的进行转换。采用施工15m的∮89管棚进行锁定后,才进行中台阶施工。
为了保证拱架的整体性,原设计的钢筋连接施工后,拱架间增加I14型钢拱架连接,每道横向连接间距为100cm。
为了减短初支暴露时间,尽快闭合成环。隧道的主要灾害是由于水引起,缩短台阶除了早成环外,还有增加了斜率,在高差的作用下便于掌子面及中台阶的水向仰拱汇集,有利于掌子面开挖。台阶的最短控制长度以能作业的最小空间为准,一般在15m以内。
在设计文件中,除Ⅱ、Ⅲ级围岩二衬不受力(安全贮备)外,其它围岩级别的二衬与初支共同受力。为了稳定围岩,二衬必须紧跟。
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