严寒地区隧道穿越富水断层反坡施工排水技术

【摘要】锡乌铁路XWTZ-4标段芒罕图隧道具有围岩地质及地形条件复杂、岩性变化大、断层较多，隧道穿越断层富水段的反坡施工难度大。论文依托在建的锡乌铁路XWTZ-4标段芒罕图隧道，通过对该隧道穿越富水断层施工技术的研究，总结出了一套严寒地区富水隧道穿越断层反坡排水的施工技术，为今后其他类似工程的施工积累了宝贵的经验。

【关键词】 隧道工程；富水断层；反坡排水；施工技术

寒区隧道工程是基础建设中的一项特殊工程，由于寒冷环境导致一系列病害，不但给工程设计与施工提出许多新问题，也给隧道运行管理带来困难，并往往造成很大的经济损失。尽管目前我国公（铁）路隧道的建设已有一套相对成熟的经验和方法，然而不同地区山岭的地质介质和水文地质情况千差万别，特别是季节性严寒冷的影响，需要根据本地区的具体地质条件提出相适宜的隧道建设方法，其基础性工作是需要针对具体的工程地质、水文地质以及环境条件开展隧道的稳定性和可靠性研究，获得规律性结果，为隧道的设计和施工提供依据。锡乌铁路XWTZ-4标段芒罕图隧道具有围岩地质及地形条件复杂、岩性变化大、断层较多，隧道穿越断层富水段的反坡施工难度大。为之，依托在建的锡乌铁路XWTZ-4标段芒罕图进行严寒地区穿越断层富水洞段的反坡排水研究，指导了该隧道的施工，取得了良好的效果。

1 工程概况

1.1 芒罕图隧道工程概况

新建锡林浩特至乌兰浩特铁路芒罕图隧道起讫里程为DK464+180～DK469+580，全长5400米，为单线隧道。整个隧道位于直线上。隧道纵坡：进口至DK469+550为4.5‰的上坡，DK469+550至出口为3.0‰的下坡，隧道最大埋身约为206m。为了满足总工期要求，结合隧道长度、地形、工程地质、水文地质条件等条件，在线路前进方向左侧选择了1座施工临时斜井，斜井平面总长610m，斜井倾角5.97°，与线路平面夹角45°，与线路交会里程DK466+000。隧道最大净宽6.20m，最大净高为8.07m，复合式衬砌。整座隧道围岩为III、IV、V级，其中V级围岩长981米，占隧道总长度的18.2%，Ⅳ级围岩长1235米，占隧道总长度的22.9%，Ⅲ级围岩长3184米，占隧道总长度的58.9%，出口段设计120m明洞。隧道位于低山丘陵区，地形起伏较大，进口段山顶阳坡处长有灌木，阳坡基岩，隧道中部山顶形成洼地已辟为耕田，出口处为草场，斜井与正洞相交处基岩，出口位于一冲沟。

1.2 芒罕图隧道工程地质及水文地质

本隧道地层为第四系全新统冲洪积层、坡洪积层和坡积层（Q4dl）；下伏侏罗系上统宝石组凝灰质砂岩、凝灰岩、凝灰质角砾岩、安山岩、流纹岩。凝灰质砂岩、凝灰岩、凝灰质角砾岩岩层产状为70°∠3°，安山岩节理产状为180°∠61°、330°∠70°、320°∠50°、210°∠75°。隧道位于西老头山背斜东南翼，为单斜构造，局部有侵入体。芒罕图隧道主要工程地质问题有：基岩裂隙水、断层、断层破碎带。隧址区无地表水，地下水为基岩裂隙水，勘测期地下水水位埋深为39.4～119.7m（高程为734.03～817.35m），主要受大气降水补给，排泄方式主要以蒸发为主，水位季节变幅2～3m。地下水无侵蚀性。隧道正洞穿越区域涌水量表见表1所示。

表1. 正洞穿越区域涌水量表

里程段落 渗透系数（m/d） 正常涌水量Q（m3/d） 最大涌水量Q（m3/d）

DK464+180～DK465+300 含少量基岩裂隙水

DK465+300～DK466+082 1.01 1800 5000

DK466+082～DK467+400 1.58 3000 9000

DK467+400～DK468+520 2.37 1800 5500

DK468+520～DK469+139 3.96 1500 5000

DK469+139～DK469+580 含少量基岩裂隙水

2 洞身段抽排施工方案

2.1 整体施工方案

锡乌铁路隧道穿越突涌水段隧道施工中，基于对隧道裂隙涌水的认识，确定了采取以抽排为主，小导管四周封堵，强化支护的综合方案。具体方案为：（1）加大抽排量，尽快出露作业面；在作业面具备条件下，在右侧距目前掌子面30m处施作集水坑，设抽水泵站。（2）集水坑正常工作后，在所有渗漏水地段周边进行小导管水泥-水玻璃双液注浆封堵施工；其后遵循“弱爆破、短进尺、强支护、快封闭”原则，按V级围岩进行施工，鉴于拱顶泥岩在水的作用下不断坍落，采用超前小导管，并注水泥-水玻璃双液浆。

施工时，考虑掌子面前方洞段仍会有大量渗水或涌水，本治水方案要综合考虑，抽排水设备及能力要满足斜井及正洞的渗、涌水要求，即要有足够的抽排水富余量。抽排水需配备多台大功率水泵，进入正洞后，砼施工需采用砼输送泵，用电量增加，因此洞内需综合考虑洞内各种电气设备的用电量，并有富余。

2.2 泵站（集水坑）设计

泵站（集水坑）设在距目前掌子面50米处右侧，泵站设置要考虑2台75KW水泵放置的空间，沿线路方向长5.5m，垂直线路方向宽8m，高4.5m；其中，近中线侧2m宽不深挖，与水沟底持平，作为置放水泵用；内侧6m宽度范围为集水坑，坑深2m，坑底采用2cm厚M7.5砂浆抹面， 集水坑蓄水量约70m3。泵站洞室开挖后，洞壁施作2.5m长Φ22砂浆锚杆，采用Ⅰ12工字钢钢架支撑，间距80cm，钢架间采用Φ22钢筋纵向连接，喷射20cm厚C25砼封闭岩面，内壁锚杆挂网并喷砼，以保证安全。水泵底座设计如下，水泵底座平台采用4根Ⅰ12工字钢等距排架，宽度1.2m，横向采用8mm厚钢板连接，并与水泵底座连接在一起。工字钢排架设4根I16槽钢立柱支腿，立柱埋于斜井隧底围岩内，并填塞锚固剂或砂浆固结。

泵站设2台75KW水泵，1台55KW水泵（应急备用），2.2～7.5KW水泵7台；由2台7.5KW小功率水泵抽水至集水坑，再由大功率水泵将水抽排至洞外。另外的小泵直接排至洞外。抽水管采用Φ200钢管，钢管自水泵接出，设弯管绕过泵站洞室曲壁段，贴壁上下布置，共2根，接至洞外排水沟，小水泵采用Φ100软管直接将水抽排至洞外排水沟。

图1. 锡乌铁路隧道进口集水坑设置参数

2.3 变电室设计

由于仰拱、边墙及二衬砼等施工需用砼输送泵等电气设备，用电量增加，平凉方向为下坡，如果渗、涌水量较大，需抽排水，因此排水需单独增加一台变压器。集水泵站配备500KVA变压器一台，500KVA配电柜一个，500KVA无功补偿柜一个，蒸汽断路器一个。高压电缆采用502BLV，电缆长度根据实际需要确定，布设在目前的低压线上方，与低压线距1米，采用绝缘材料固定在墙壁上，并设警示标志。在线路右侧开挖小洞室作为配电室，即其与泵站设在同侧，距泵站20～30米。配电室沿斜井轴向长4米，垂直斜井轴向宽3.5米，高2.5米。洞室开挖后施作锚杆挂网喷砼5cm封闭岩面。配电室安装门，上锁，由专业电工管理。

3 穿越富水断层施工方案

3.1 隧道掌子面开挖技术

在施工中为了保证安全，采用短台阶法开挖，短台阶法施工将断面分为三个台阶。每个台阶长度定为2m，为了保证开挖轮廓圆顺、准确，维护围岩自身承载能力，减少对围岩的扰动，拱部及边墙采用光面爆破。所有的开挖均采用自制的钻爆台架、YT28风动凿岩机钻孔。根据断面尺寸，第一台阶开挖高度定为3.75m，第二台阶高度定为4m，自内轨顶面至仰拱底为第三台阶，高度为2.4m。当第一台阶开挖进尺达到2m时，同时开挖第一和第二台阶，当第二台阶与第三台阶拉开2m时，第三台阶分左右错开开挖，错开距离不小于2m。

为控制超欠挖及减少对围岩的扰动，拱部弧形及边墙周边均采用光面爆破，在开挖过程中严格控制周边眼间距和装药量，开挖进尺根据围岩稳定性确定为2榀型钢拱架的间距，即0.5m，边墙按型钢拱架的加工单元分三个台阶施工，每个台阶相距2m，左右边墙错开2m。

3.2 超前小导管施工

在破碎松散岩体中施作超前钻孔，打入小导管，并压注具有胶凝性质的浆液，浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；使超前小导管与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。采用4m/根的φ42mm钢管，小导管布设在拱部，外插角5°～10°，环向间距40cm，纵向环距不大于3m，即每施作一排小导管，开挖支护2.5～3m；压注水泥-水玻璃双液浆，采用425#普通硅酸盐水泥，在浆液中掺水泥用量 3～5%的水玻璃，以缩短浆液的胶化固结时间，控制浆液的扩散范围。

3.3 锚喷初期支护

初期支护参数，起拱线以上系统锚杆采用3m/根的φ25型带排气装置的中空注浆锚杆，边墙采用φ22全长粘结式全螺纹砂浆锚杆，纵、环向间距均为100cm，梅花型布置；拱墙设型钢拱架，间距80cm，型钢拱架每侧拱脚设两根3m/根的φ42锁脚锚管；挂φ8钢筋网，网格尺寸为20cm×20cm，喷射混凝土厚 25cm。喷混凝土采用混凝土喷射机，压力为0.2～0.4MPa。水泥及细骨料：采用425普通硅酸盐水泥；砂选用颗粒坚硬、干净的中、粗砂，符合国家二级筛分标准，细度模数大于2.5，含水率控制在5-7%。碎石选用坚硬耐久、最大粒径不大于15mm的碎石粗骨料。水灰比过大、过小都会使混凝土回弹量增加，浪费大量的材料；因此水灰比经现场试验确定。开挖后，为缩短围岩暴露时间，防止围岩进一步风化，先初喷3～5cm厚混凝土封闭围岩；待型钢拱架及钢筋网安设好后，再喷混凝土10～12cm。最后在下一循环喷射混凝土时分两次喷至设计厚度。在初喷混凝土封闭围岩后，按设计布设锚杆和注浆，锚杆孔位误差控制在规定的误差范围之内。型钢拱架按设计要求分节加工成型，型钢拱架节间通过15mm钢板螺栓联接。

3.4 初期支护帷幕注浆止水

根据隧道“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的防排水原则，该段宜采取“以堵为主，限量排放”的注浆堵水方案，采用“开挖后加固圈3m径向注浆”。

3.5 安全保证措施

开挖必须边探边挖，即在开挖前要采用水平地质钻机或超前炮孔（6m）探明掌子面前方的富水情况，同时爆破引线要适当加长，爆破时所有作业人员必须撤到安全距离或洞外，以保证安全。施工均应遵循“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭”的原则施工，严格按施工方案和技术交底作业，保证安全。通过断层地段的各施工工序之间的距离必须满足设计和规范要求，仰拱距掌子面距离不得大于40米，二衬距掌子面距离不得大于70米，尽快使衬砌全断面封闭，减少岩层暴露、松动和地压增大。断层地段采用台阶法开挖，上台阶开挖每循环开挖支护进尺不得大于1榀钢架间距，下台阶每循环开挖支护进尺不得大于2榀钢架间距，仰拱开挖前必须完成锁脚锚管，每循环开挖进尺不得大于3米。开挖爆破时必须遵循 “弱爆破、短进尺、强支护、快封闭”的原则，合理选择爆破参数，在施工中根据光爆效果随时调整炮眼数量、深度间距及装药量，减少爆破对围岩的扰动。在断层掌子面施工过程中，除安装施工必备的风管、水管、电缆和通风袋外，另外增设一条φ200mm的钢管，钢管内铺设电话线，在掌子面附近安设电话机，以保证发生危险时洞内外的沟通和联系。在靠近掌子面的避车洞内，要存放能保证工班应急10天的食品，并且食品每天要有专人更换。

施工过程中加强已开挖段的围岩量测，通过监控量测及时了解各施工段落地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性和支护可靠性。通过对量测数据的分析处理，掌握地层稳定性变化规律，预见事故和险情，以保证施工安全。在各工序施工过程中，要有专人值班警戒，观察掌子面围岩稳定状态及渗水情况，发现异常，及时提醒作业人员安全撤离。

4 结 论

论文依托在建的锡乌铁路XWTZ-4标段芒罕图隧道，通过对该隧道穿越富水断层施工技术的研究，总结出了一套严寒地区富水隧道穿越断层反坡排水的施工技术，为今后其他类似工程的施工积累了宝贵的经验。在黑龙江省、内蒙等省今后的公路建设中，隧道工程所占的比例将会越来越高，论文的成功技术对季节性冻土地区富水隧道的设计、施工以及加快隧道的施工进度，降低隧道的工程造价以及规范隧道施工管理等方面将起到巨大的借鉴、指导作用。

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