本發(fā)明涉及大斷面公路隧道涌水突泥后拱頂空腔圍巖再造技術(shù)，屬于大斷面隧道施工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，帶來了交通量劇增，“西部大開發(fā)”和“一帶一路”的政策，形成西南地區(qū)對(duì)高速公路需求的日益迫切。伴隨地方經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，越來越多的高速公路設(shè)計(jì)從“雙向四車道”變更為“雙向六車道”，也就是“單向三車道”。尤其是三車道高速公路的建設(shè)直接使隧道開挖寬度達(dá)到了17.2m，加寬段處可達(dá)到20.5m。在云貴高原喀斯特地貌復(fù)雜地質(zhì)條件下，隧道寬度的增加帶來了更大的涌水突泥、拱頂坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。該方法依托于昆明繞城高速公路東南段楊林隧道施工，根據(jù)楊林隧道涌水突泥處治中，拱頂坍塌、拱頂空腔、出水不斷、大管棚注漿無法實(shí)行的情況下研制出的新方法。對(duì)于喀斯特地質(zhì)深埋大斷面隧道涌水突泥處治施工中，如何封堵突泥口及突泥口上部空腔進(jìn)行圍巖再造是重難點(diǎn)內(nèi)容，直接決定了使用的機(jī)械、投入的成本等。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)涌水突泥處治通常采用大管棚注漿配合小導(dǎo)管注漿的方法，該方法主要適用于突泥后，水量水壓小，后續(xù)地質(zhì)穩(wěn)定，二次突泥可能性小的地質(zhì)，對(duì)于這種方法，一是在拱頂側(cè)部突泥無法使用大管棚，打設(shè)空間不足，二是無法在后續(xù)出水量和水壓較大時(shí)無法注漿封堵，從而無法消除圍巖不穩(wěn)定因素。因此，經(jīng)常因?yàn)槭┕げ划?dāng)，導(dǎo)致二次涌水突泥，從而造成較大損失。

喀斯特地貌深埋大斷面隧道施工中，涌水突泥屬于較難預(yù)防的地質(zhì)災(zāi)害類型，災(zāi)害發(fā)生后處治采用何種方法減少災(zāi)害造成的損失和投入、減少災(zāi)害影響的時(shí)間尤為重要。一旦突泥處治方法采用不當(dāng)，將極易造成二次涌水突泥，從而帶來處治投入的增加、建設(shè)工期的延長(zhǎng)等不良后果。所以研究涌水突泥空腔圍巖再造方法具有較高的實(shí)用價(jià)值和重要社會(huì)意義。

常規(guī)的對(duì)于較大涌水突泥處治方法常常效果不理想，處治工期長(zhǎng)、效率低、投入高、受隧道洞內(nèi)狹窄等因素影響較多?；谏鲜龇治觯芯砍鲂碌挠克荒嗵幹畏椒ā獓鷰r再造法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種大斷面隧道涌水突泥后拱頂空腔圍巖再造方法，該方法的具體實(shí)施如下：

1)涌水突泥部位情況分析

隧道拱部涌水突泥災(zāi)害發(fā)生后，經(jīng)過對(duì)涌水突泥發(fā)生過程和現(xiàn)場(chǎng)突泥涌出物進(jìn)行查看，再結(jié)合隧道設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，制定涌水突泥處治的初期方案。初期處治方案均是對(duì)受影響未坍塌拱頂注漿加固及突泥涌碴體清理、加固，穩(wěn)固受影響拱頂和渣體不發(fā)生坍塌，同時(shí)對(duì)涌碴物進(jìn)行觀察分析，利于下一步制定對(duì)涌碴處進(jìn)行處治方案。在清理涌碴到靠近涌水突泥部位15-10米位置處，應(yīng)停止處治，待超前探測(cè)后再做下一步處治。

1.1三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)分析

由于拱頂涌水突泥坍塌多發(fā)生在iv級(jí)、v級(jí)圍巖地質(zhì)下，受二襯距掌子面距離較近、突泥填塞洞身等因素影響，僅存的初支長(zhǎng)度幾乎不能滿足采用超前探測(cè)要求，因此只能采用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)。在清理到距涌泥處15～10米處時(shí)，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行不同角度的超前探測(cè)，采用三維地質(zhì)超前分析的手段進(jìn)行超前預(yù)報(bào)分析，確認(rèn)前方涌水突泥部位的地質(zhì)情況，有無在涌碴口上部形成空腔、空腔的部位、形態(tài)和體積有多大、空腔內(nèi)含水量大小、受直接影響隧道段落有多長(zhǎng)、完整圍巖位置。

1.2超前地質(zhì)探孔預(yù)測(cè)分析

根據(jù)三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，使用履帶式地質(zhì)鉆機(jī)打設(shè)超前探孔，對(duì)前方圍巖及掌子面上部進(jìn)行鉆孔探測(cè)。在打設(shè)超前探孔的過程中，要詳細(xì)記錄鉆孔速度、留存鉆碴碴樣，鉆孔出水量，有無遇到空洞數(shù)據(jù)，以校核超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。特別是針對(duì)涌碴處上部的水體、空洞進(jìn)行鉆孔探測(cè)，同時(shí)該探孔作為下一步圍巖再造時(shí)的泄壓孔。因突泥涌碴后，突泥口會(huì)被泥碴堵塞，由于泄水不暢，空腔會(huì)逐漸被水充滿，在三維超前探測(cè)成果中體現(xiàn)出來的只是空腔水體，因此需要進(jìn)一步鉆孔探測(cè)確認(rèn)。在鉆孔確認(rèn)了空腔大小位置后，結(jié)合三維地質(zhì)超前預(yù)報(bào)進(jìn)行綜合分析，以制定下一步圍巖再造方案。對(duì)于空腔鉆孔探測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間情況在任意角度進(jìn)行鉆孔，需要注意的是此探孔應(yīng)處于空腔底部3米以上位置為佳，此探孔在圍巖再造時(shí)作為泄壓孔使用。由于順?biāo)淼狼斑M(jìn)方向無鉆孔操作空間，則以與隧道前進(jìn)方向30°夾角的角度向空腔打設(shè)了此泄壓孔。

2)空腔圍巖再造方法

經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析后，確認(rèn)空腔的大概位置和形狀、大小。因此進(jìn)行圍巖再造，對(duì)松散圍巖和空腔進(jìn)行修補(bǔ)再造。

2.1打設(shè)圍巖再造孔

根據(jù)超前預(yù)報(bào)探測(cè)分析結(jié)果，在上一個(gè)探測(cè)孔下部再打設(shè)一個(gè)圍巖再造孔。該再造孔打設(shè)時(shí)需按照設(shè)計(jì)好的位置、角度打設(shè)，鉆孔應(yīng)在空腔底部以上1米的位置鉆入，鉆入后，待確認(rèn)空腔大小后，使用跟管法將鋼套管送入鉆孔，并深入空腔50cm。在打設(shè)再造孔時(shí)，需注意觀察出水量的大小，在空腔泄壓探孔泄水泄壓后，再造孔的水壓不會(huì)過大，涌泥口處泄水量也會(huì)減少，注意觀察出水量，判斷空腔內(nèi)地下水量補(bǔ)充速度和大小，為下一步圍巖再造提供方案依據(jù)。

2.2進(jìn)行圍巖再造

當(dāng)將再造孔打設(shè)完成φ108鋼管后，準(zhǔn)備圍巖再造，圍巖再造分兩步進(jìn)行。

第一步噴射灌注干拌纖維混凝土。

將混凝土干噴機(jī)與φ108鋼管通過噴射管連接好，然后通高壓風(fēng)5～10分鐘，以吹凈進(jìn)入噴射管內(nèi)的地下水，此時(shí)觀察到上部泄壓孔有水氣噴出，若無水氣噴出，則需先疏通一下泄壓孔，保持其暢通。將干拌均勻的噴射混凝土運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，加入到干噴機(jī)中，此混凝土可采用隧道初支c25纖維混凝土，配合比為：水泥(p.o42.5r)：砂：細(xì)石子：聚丙烯纖維＝464:863:863：1，水泥采用早強(qiáng)水泥，速凝劑采用粉劑，細(xì)石子粒徑最大粒徑不超25mm，在噴射灌注時(shí)，速凝劑粉劑按水泥含量的8％在噴漿機(jī)上料口均勻加入。噴射干拌混凝土進(jìn)入空腔后經(jīng)過反彈大部分落入涌泥口空腔底部，經(jīng)水浸泡混合后，在速凝劑的作用下，纖維混凝土?xí)杆倌蹋瑢?duì)涌水突泥口進(jìn)行封堵。灌注總量應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)探測(cè)成果進(jìn)行計(jì)算，控制在厚度0.5～0.8m之間，灌注2～4m³為宜，亦可觀察到掌子面涌碴堆積體有水泥漿流出，待流出5～10分鐘后停止灌注，噴射混凝土2.5m³后停止噴射?；炷镣姾?，高壓風(fēng)應(yīng)持續(xù)至少5分鐘，以清空灌注管內(nèi)的混凝土，防止干噴混凝土倒灌堵管。

第二步灌注水下混凝土。

將混凝土輸送泵的泵管使用轉(zhuǎn)換接頭與再造孔鋼管相連接，將攪拌好的水下混凝土持續(xù)向空腔內(nèi)輸送。該混凝土強(qiáng)度采用c30，配合比為:水泥(p.o42.5r)：砂：石子：水：減水劑＝427:769:1019:185:4.27。待觀察到泄壓孔出現(xiàn)混凝土流出時(shí)，結(jié)束泵送，并關(guān)閉再造孔管接頭，防止混凝土回流泄出。此時(shí)觀察到前方掌子面涌碴體中出水量大幅減少，部分地下水通過泄壓孔流出，說明圍巖再造成功。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本方法具有如下有益效果。

1、通過圍巖再造，對(duì)涌水突泥造成的隧道拱頂坍塌、圍巖散碎、圍巖空隙較大失穩(wěn)進(jìn)行改造控制，形成隧道拱頂圍巖一體化，加快隧道涌水突泥處治，減少投入和損失，同時(shí)消除部分安全隱患。圍巖再造方法不僅提高了隧道涌水突泥的處治效率，同時(shí)確保了隧道圍巖的穩(wěn)定性，減少了二次涌水突泥的幾率，技術(shù)安全可靠。

2、該方法通過對(duì)隧道涌水突泥部位進(jìn)行三維地質(zhì)探測(cè)結(jié)合鉆孔探測(cè)，通過分析，獲得隧道拱部涌水突泥造成的空腔大小、位置，以供下一步再造圍巖施工提供依據(jù)。

3、針對(duì)隧道拱部涌水突泥形成的空腔，傳統(tǒng)處治方法效率低，效果不理想的特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)單、實(shí)用的圍巖再造法。相比之下，該方法效率高，成本低，可控性好，安全實(shí)用。

4、通過對(duì)隧道拱部空腔進(jìn)行定位探測(cè)分析后，選擇合理的方法進(jìn)行圍巖再造，使隧道拱部圍巖從散碎、空洞變成整體合一，減少地下水對(duì)隧道拱部涌水突泥部位繼續(xù)破壞侵蝕，同時(shí)增加大管棚的捧護(hù)作用，減少圍巖的下沉和收斂變形。對(duì)隧道空間狹窄不能打設(shè)大管棚的隧道地段，采用此方法后，可直接打設(shè)小導(dǎo)管就能處治通過，對(duì)下一步隧道的開挖施工形成安全防護(hù)，提高施工進(jìn)度。

附圖說明

圖1泄壓孔、再造孔與線路水平夾角30°示意圖。

圖2為隧道涌泥空腔圍巖再造示意圖。

圖3為隧道空腔圍巖再造后示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

1)涌水突泥部位情況分析

隧道拱部涌水突泥災(zāi)害發(fā)生后，經(jīng)過對(duì)涌水突泥發(fā)生過程和現(xiàn)場(chǎng)突泥涌出物進(jìn)行查看，再結(jié)合隧道設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，可制定涌水突泥處治的初期方案。一般初期處治方案均是對(duì)受影響未坍塌拱頂注漿加固及突泥涌碴體清理、加固，穩(wěn)固受影響拱頂和渣體不發(fā)生坍塌，同時(shí)對(duì)涌碴物進(jìn)行觀察分析，利于下一步制定對(duì)涌碴處進(jìn)行處治方案。在清理涌碴到靠近涌水突泥部位15-10米位置處，應(yīng)停止處治，待超前探測(cè)后再做下一步處治。這主要是因?yàn)榍胺教荒嗵幥闆r不明，不能貿(mào)然采取措施，盡管從前期的清碴和出水可以獲得少量信息，但是詳細(xì)情況還需進(jìn)行探測(cè)分析。

1.1三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)分析

由于拱頂涌水突泥坍塌多發(fā)生在iv級(jí)、v級(jí)圍巖地質(zhì)下，受二襯距掌子面距離較近、突泥填塞洞身等因素影響，僅存的初支長(zhǎng)度幾乎不能滿足采用tsp203超前探測(cè)要求，因此只能采用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)。目前我國(guó)多使用低頻地質(zhì)雷達(dá)，地質(zhì)復(fù)雜富水破碎圍巖，有效探測(cè)深度只有20米左右，最深30米。因此，在清理到距涌泥處15～10米處時(shí)，可采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行不同角度的超前探測(cè)，采用三維地質(zhì)超前分析的手段進(jìn)行超前預(yù)報(bào)分析，確認(rèn)前方涌水突泥部位的地質(zhì)情況，有無在涌碴口上部形成空腔、空腔的部位、形態(tài)和體積有多大、空腔內(nèi)含水量大小、受直接影響隧道段落有多長(zhǎng)、完整圍巖位置等等。

1.2超前地質(zhì)探孔預(yù)測(cè)分析

根據(jù)三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，使用履帶式地質(zhì)鉆機(jī)打設(shè)超前探孔，對(duì)前方圍巖及掌子面上部進(jìn)行鉆孔探測(cè)。在打設(shè)超前探孔的過程中，要詳細(xì)記錄鉆孔速度、留存鉆碴碴樣，鉆孔出水量，有無遇到空洞等數(shù)據(jù)，以校核超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。特別是針對(duì)涌碴處上部的水體、空洞進(jìn)行鉆孔探測(cè)，同時(shí)該探孔可作為下一步圍巖再造時(shí)的泄壓孔。因突泥涌碴后，突泥口會(huì)被泥碴堵塞，由于泄水不暢，空腔會(huì)逐漸被水充滿，在三維超前探測(cè)成果中體現(xiàn)出來的只是空腔水體，因此需要進(jìn)一步鉆孔探測(cè)確認(rèn)。在鉆孔確認(rèn)了空腔大小位置后，可結(jié)合三維地質(zhì)超前預(yù)報(bào)進(jìn)行綜合分析，以制定下一步圍巖再造方案。對(duì)于空腔鉆孔探測(cè)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間情況在任意角度進(jìn)行鉆孔，需要注意的是此探孔應(yīng)處于空腔底部3米以上位置為佳，此探孔在圍巖再造時(shí)作為泄壓孔使用。在本案中，由于順?biāo)淼狼斑M(jìn)方向無鉆孔操作空間，則以與隧道前進(jìn)方向30°夾角的角度向空腔打設(shè)了此泄壓孔。

2)空腔圍巖再造方法

經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析后，可以確認(rèn)空腔的大概位置和形狀、大小。因此可以進(jìn)行圍巖再造，對(duì)松散圍巖和空腔進(jìn)行修補(bǔ)再造。

2.1打設(shè)圍巖再造孔

根據(jù)超前預(yù)報(bào)探測(cè)分析結(jié)果，在上一個(gè)探測(cè)孔下部再打設(shè)一個(gè)圍巖再造孔，位置如下圖3所示。該再造孔打設(shè)時(shí)需按照設(shè)計(jì)好的位置、角度打設(shè)，鉆孔應(yīng)在空腔底部以上1米的位置鉆入，鉆入后，待確認(rèn)空腔大小后，可使用跟管法將鋼套管送入鉆孔，并深入空腔50cm。在打設(shè)再造孔時(shí)，需注意觀察出水量的大小，一般情況下，在空腔泄壓探孔泄水泄壓后，再造孔的水壓不會(huì)過大，同時(shí)，涌泥口處泄水量也會(huì)減少，注意觀察出水量，可以判斷空腔內(nèi)地下水量補(bǔ)充速度和大小，為下一步圍巖再造提供方案依據(jù)。

2.2進(jìn)行圍巖再造

當(dāng)將再造孔打設(shè)完成φ108鋼管后，就可以準(zhǔn)備圍巖再造了，圍巖再造分兩步進(jìn)行。

第一步噴射灌注干拌纖維混凝土。

將混凝土干噴機(jī)與φ108鋼管通過噴射管連接好，然后通高壓風(fēng)5～10分鐘，以吹凈進(jìn)入噴射管內(nèi)的地下水，此時(shí)可以觀察到上部泄壓孔有水氣噴出，若無水氣噴出，則需先疏通一下泄壓孔，保持其暢通。將干拌均勻的噴射混凝土運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，加入到干噴機(jī)中，此混凝土可采用隧道初支c25纖維混凝土，配合比為：水泥(p.o42.5r)：砂：細(xì)石子：聚丙烯纖維＝464:863:863：1，水泥采用早強(qiáng)水泥，速凝劑采用粉劑，細(xì)石子粒徑最大粒徑不超25mm，在噴射灌注時(shí)，速凝劑粉劑按水泥含量的8％在噴漿機(jī)上料口均勻加入。噴射干拌混凝土進(jìn)入空腔后經(jīng)過反彈大部分落入涌泥口空腔底部，經(jīng)水浸泡混合后，在速凝劑的作用下，纖維混凝土?xí)杆倌蹋瑢?duì)涌水突泥口進(jìn)行封堵。灌注總量應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)探測(cè)成果進(jìn)行計(jì)算，控制在厚度0.5～0.8m之間，一般灌注2～4m³為宜，亦可觀察到掌子面涌碴堆積體有水泥漿流出，待流出5～10分鐘后停止灌注，在本案中，噴射混凝土2.5m³后停止噴射?；炷镣姾螅邏猴L(fēng)應(yīng)持續(xù)至少5分鐘，以清空灌注管內(nèi)的混凝土，防止干噴混凝土倒灌堵管。

第二步灌注水下混凝土。

將混凝土輸送泵的泵管使用轉(zhuǎn)換接頭與再造孔鋼管相連接，將攪拌好的水下混凝土持續(xù)向空腔內(nèi)輸送。該混凝土強(qiáng)度采用c30，配合比為:水泥(p.o42.5r)：砂：石子：水：減水劑＝427:769:1019:185:4.27。待觀察到泄壓孔出現(xiàn)混凝土流出時(shí)，結(jié)束泵送，并關(guān)閉再造孔管接頭，防止混凝土回流泄出。此時(shí)可以觀察到前方掌子面涌碴體中出水量大幅減少，部分地下水通過泄壓孔流出，說明圍巖再造成功。