涌水碎屑流地层隧道突泥施工工法.pdf

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1、涌水碎屑流地层隧道突泥施工工法 1 前言 兴延高速公路位于京藏高速公路以西，呈南北走向，南起西北六环路双横立交，北至京藏高速营城子立交收费站以北，线路主要途经昌平区、延庆县。目前北京西北通道拥堵现象严重，客货混行，存在较大安全隐患，同时应对紧急状况能力、防灾减灾能力差。延庆县作为西北通道上的重要节点，与中心城之间的联系受过境交通的影响较大，在一定程度上限制了延庆县的发展。2019 年延庆县将举办世界园艺博览会，会期大量的旅游交通将进一步加重西北通道的交通压力，为了分流现状西北通道内京藏高速及其辅路进出京的车流，缓解京藏高速频繁拥堵的交通状况，为 2019 年世界园艺博览会的召开提供交通保障。同

2、时石峡隧道的建成将成为 2022 年冬奥运重要交通基础设施的保障项目。石峡隧道工程为工期控制性工程，左线长 5746m，右线 5877m，建成后将成为北京地区最长的公路隧道。工程穿越地段由于长期受断块抬升构造作用影响，风化剥蚀严重，沟谷切割强烈，沿线地形变化大、形态复杂，整体形成了“四沟夹三山”的地形格局，四沟按照小里程至大里程的方向依次为：浇花峪沟、石八盘沟、花家窑沟、石峡沟，以上 4 条沟谷在地形上均呈现为宽缓的“U”型谷。隧道沿线最高点标高高于 1000m，最低点标高低于 500m，相对高差达 500m 以上。我单位 2017 年成立了技术研发小组，以兴延高速公路石峡公路隧道工程为依托，

3、针对涌水碎屑流地层，结合工程实践，分析了涌水碎屑流产生机理，调研总结出应对涌水碎屑流问题解决方案，提出隧道穿越碎屑流地层施工稳定性控制手段、方法。提出了涌水碎屑流地层隧道涌水突泥施工工法，确保大断面隧道施工安全快速、顺利渡过碎屑流软弱地层，无坍塌、突水、突泥事故发生，降低了隧道开挖的风险性，提高了涌水碎屑流段施工的安全可控性，解决了涌水碎屑流地层隧道突泥施工的技术难题。该工法具有安全可靠、施工操作简单、经济效益显著等特点，可广泛应用于水利、公路、铁路工程施工领域，推广应用前景广阔。2019 年 6 月 6 日，经教育部科技查新工作站查新，查新报告结论：国内外文献检索范围内未见相同研究内容报道。

4、2019 年 8 月 5 日通过中国铁建股份有限公司科技成果评审（鉴定），总体技术达到了国际先进水平。其中涌水碎屑流地层隧道突泥施工技术达到了国际领先水平。总体技术达到了国际先进水平。其中涌水碎屑流地层隧道突泥施工技术达到了国际领先水平。2 工法特点-1-2-2.1 对碎屑体进行超前预报。通过对异常体的位置、形状、大小、走向，并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料等可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。2.2 采用沙袋对涌泥处进行封堵，对回填渣体 C25 喷射混凝土封闭，形成有效壳体防护。2.3 针对掌子面及侧边墙股状流水，采取盲管引排处理，减小水流汇集造成的初支沉降、开裂、变形。2.

5、4 拱脚处打设 76 管棚（间距 60cm 长度 6-9m）并注双液浆固结拱脚松散围岩以增强拱脚稳定性，同时对后方初支采取小导管径向注浆及施作临时仰拱的措施进行加强，可有效控制初支沉降变形。2.5 富水、夹泥断层段采用洞周帷幕注浆对掌子面前方土体加固。洞身范围上半部分可采用帷幕注浆稳固掌子面，下半部分设排水管引排前方地下水。现场实践表明采取泄水、注浆等方法可以有效解决涌水碎屑流问题。3 适用范围 本工法适用于涌水碎屑流地层隧道涌水突泥施工。4 工艺原理 本工法以兴延高速公路石峡公路隧道工程为依托，针对涌水碎屑流地层，结合工程实践，对隧道前方土体涌水突泥段进行围堵、引排，对后方初支变形段进行小导

6、管径向注浆加固及临时仰拱加固，在初支加固完成后采用前进式分段超前注浆和后退式注浆相结合进行止水和加固；设计中上断面帷幕注浆，在钻孔过程中探明地层情况，可以根据地质情况进行局部注浆止水，设计钻孔 53 个，其中 30m 断面布设 39 孔，17m 断面布设 14个，扩散半径 2.0 米，管棚孔 40 个；采用 P.O42.5 普通硅酸盐水泥、水玻璃双液浆为主，普通硅酸盐水泥单液浆为辅，普通硅酸盐水泥单液浆配比为（0.8-1.0）：1.0，普通硅酸盐水泥、水玻璃浆液配比为 1：1（体积比）；注浆顺序按照先周边后中间，先浅孔后深孔的顺序，跳孔作业，根据水量大小确定分段长度，分段长度原则为：在钻孔过程

7、中无塌孔及水量在 0-10m3时分段长度为 10m，轻微塌孔及水量在 10-30m3/h 时分段长度为 5m，塌孔严重及水量在30m3/h 时立即停止钻进实施注浆，注浆结束压力 3-5MPa；注浆完成后施作大管棚：使用 108mm*6mm 无缝钢管、孔间距 40cm，布设 40 根。经过泄水、帷幕注浆等措施处治后，后续施作初支变形有所减小，初支变形趋于稳定；结果表明采取泄水、注浆等方法可以解决涌水碎屑流问题，帷幕注浆在涌水碎屑流施工中具有较高的实用性和可行性。综合考虑各方面因素，推荐使用初支径向注浆加固加帷幕注浆施工解决涌水碎屑流地层隧道涌水突泥施工难题。5 施工工艺流程及操作要点-3-5.1

8、 施工工艺流程 施工工艺流程图见图 5.1-1 所示。图 5.1-1 帷幕注浆施工工艺流程图 5.2 施工操作要点 5.2.1 涌水碎屑流现场概况（1）石峡隧道 ZK31+391 处掌子面中及左侧发育断层，断层倾向右侧，倾角 60，掌子面围岩处于 F7 断裂的次级断层影响范围，掌子面左下部发育软弱破碎带，带宽约12m，掌子面右侧岩体岩质较硬，岩体完整性较差，结构面较发育，岩体呈碎裂结构，掌子面左侧约 1/3 处受地质构造影响，岩体挤压揉皱强烈，节理裂隙发育，充填泥质物及碎屑，开挖中充填物伴随大量裂隙水涌出。其中，碎屑岩、岩浆岩裂隙水含水岩组富水性受基岩裂隙发育程度影响较大。岩体节理裂隙发育，裂

9、隙间连通性中等，地下水的赋存可能以条带状分布，且水量不大。但遥感解译及现场地质、水文地质测绘结果揭示出拟建隧道穿越多组断裂构造，且断裂构造多发育于沟谷地段，雨季易造成地表水汇集并沿断裂破碎带入渗，造成局部的涌突水现象。隧道穿越碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组段断裂构造发育，受岩性组合和地质构造作用控制，易形成张开裂隙，构成地下水的导水通道，钻探揭示岩体较破碎，因此在隧道开挖过程中，可能形成局部隧道涌突水的通道。初步估算穿越碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组段(目前在石八盘附近揭示)的隧道最大涌水量为 500010000m3/d。现场涌水碎屑流情况如图 5.2.1-1、图 5.2.1-2 所示。-4-图 5.2.

10、1-1 涌水碎屑流通道 图 5.2.1-2 ZK31+390 拱脚水流（2）石峡隧道左线 ZK31+595 处突发涌泥、涌水，涌泥量约 500m，水流量约 2000m/d，5 月 27 日晚 23 点发生二次涌泥，截至 5 月 28 日水流未见明显减小，掌子面后方中隔壁 20 米范围出现纵向裂缝，现场采用沙袋对涌泥处进行封堵，如图 5.2.1-3、图5.2.1-4 所示。图 5.2.1-3 掌子面大量涌泥图 图 5.2.1-4 隧道内部涌水突泥 5.2.2 分析碎屑流形成因素及机理（1）碎屑流形成因素 经调查研究石峡隧洞穿越碎屑流地层施工情况，并结合国内隧道泥石流事故资料，发现隧道碎屑流与隧道

11、泥石流、地表泥石流的形成条件十分相似，均是由大量的碎屑状颗粒岩石、砂止与水组成的混合物质姐成的流塑体，在封闭压力、自重等作用下突然被击穿后引发的大规模突涌、流变。其形成需要同时具备个条件：足够量级的物质组成，即破碎碎屑岩石、黏止等破碎松散体；充分的水源补给和诱发因素；存在满足自身泄皮排放的突涌通道。碎屑流组成物质来源 碎屑流地段位于 F7 断层附近，围岩主要为侏罗系髫髻山组微风化玄武安山岩、安山岩，受区域构造影响，岩体节理、裂隙发育，发育小断层，沿岩体破碎带发育中性侵入岩脉体，局部泥质填充。岩体呈块状结构、镶嵌碎裂结构，岩体较完整较破碎；在断层破碎带附近岩体破碎较破碎，呈碎裂结构。碎屑流形成的

12、地下水来源 碎 屑 流 地 段 围 岩 富 水 严 重，受 地 面 降 水 补 给，物 探 测 试 成 果 显 示 在-5-ZK31+300ZK31+570 段、ZK32+451ZK32+601 段存在一定范围的低阻异常，可能存在涌突水现象。碎屑流泄压排放通道 石峡隧道大断面施工开挖，改变了原有的地下水运流、排泄系统，隧道成为其影响区域的有效排水通道，导致地下水从隧道排泄；同时隧道开挖致使临空面卸荷，导致掌子面附件应力重新分布，松散破碎岩体原有力学稳定性丧失，从而使松散破碎岩体以碎屑流的形式沿开挖通道突然涌出。（2）碎屑流形成机理 隧道碎屑流是大范围内碎屑体的突发性失稳破坏。在断层富水地层中开

13、挖隧道，围岩被断层破碎带以及节理和裂隙互相切割，形成破碎松散体，以角砾石、碎屑和黏土、砂土为主。隧道开挖前，这些结构体处于自然平衡状态，隧道开挖后，由于内部积聚的压力释放和水压的作用，使得结构体失去稳定，从而导致隧道其他块体变形和坍塌，从而与含水构造连通，引发隧道碎屑流突涌，游塞隧道。与滑坡相比，碎屑流无明显整体的滑动面，是一种碎屑、颗粒及水介质的流动、流变；不同于泥石流的是，碎屑流以颗粒运动为主体，液体在整个运动中相对影响较小。根据现场勘察碎屑流突涌情况，结合碎屑流形成必须同时具备的三大条件，分析隧道碎屑流发生的机理：当隧道开挖遇到断层带压的封闭碎屑体后，若岩盘厚度难以满足抗剪要求时，岩盘会

14、发生剪切破坏，导致整体失稳，从而发生碎屑流突涌。相同条件下，安全岩盘越厚，碎屑体突涌的几率就越大，见图 5.2.2-1。安全岩盘厚度受围岩完整性、碎屑流物质组成、碎屑流重度、水压以及水力联系、隧道施工方法等因素影响。根据材料力学第一强度理论，认为材料在复杂的应力状态下，当个主应力中有个达到在简单拉伸或压缩的最大主应力超过材料破坏的允许应力值时，材料就发生破坏。由此，岩体弹性失效准则的强度条件为：式中：S 为安全岩盘厚度（m）；k 为安全系数，一般取 1.31.5；为侧压力系数；为上覆第 i 层岩层的容重（kN/m3）；为上覆第 i 层岩层的厚度（m）；p 为水压（kPa）；A 为安全岩盘的断面

15、面积（m2）；C 为岩盘周长（m）；为岩盘岩体的饱和内摩擦角；c为岩盘岩体的饱和粘聚力（kPa）。-6-图 5.2.25.2.2-1-1 隧道突涌碎屑流发生机理模式图 碎屑体突涌的过程是能量的耗散过程，其积聚的能量通过碎屑内部相互的运动摩擦力、碎屑与接触床面间的摩擦阻力完成耗散。碎屑流产生主要影响因素是断层构造、动压为水、岩层条件和施工方法。断层范围越大，构造越复杂，更容易引发隧道大规模的碎屑流；地下水水压越大，水量越发育，补给越充分，其促发碎屑流的可能性就越大，时间更早；隧道周边松动区岩体强度越低，即岩盘厚度克服剪切破坏的能力越低，越容易发生碎屑流突涌；大断面隧道的开挖施工方法可以促进碎屑流

16、的形成，亦能降低或防范碎屑流的突涌、形成。隧道碎屑流是大范围内碎屑体的突发性失稳破坏，而这一失稳破坏从孕育至发生，是一个渐变发展过程，时间较长，具有明显的阶段特征，结合现场记录及设计资料，经分析研究，本文划分为以下三个阶段：（1）先兆阶段 这一阶段以隧道最初水压、围岩出现变化为起点。开挖面发育 12 组张口节理，节理裂隙面出现泥土、沙土等明显的充填物，围岩整体性相对变差，开始出现裂隙水，多以点滴状分布，围岩呈潮湿、湿润状态。经数值计算分析，该段以岩盘厚度介于 10m13m之间为判别标准。到本阶段末，围岩整体性己经变差，水也持续增大。（2）发生阶段 从上一阶段开始，裂隙水出水量持续增大，至本阶段

17、已由点、滴状变化为线状流出，部分出现股状水。围岩节理增多，结构面破碎，裂隙密集，相互交叉，张口裂隙泥质、粘土质的充填物遇水加剧风化，受水冲刷脱落。随着掌子面的不断开挖，岩盘厚度不断变小，至本阶段末，地下水由清变浊，即为上方积聚的自身压为寻求薄弱环节首先释放的集中表现，虽然表面上是稳定的，但实际上是一触即发的，这些现象预示着碎屑流即将发生，该段以岩盘厚度介于 3m10m 之间为判别标准。随着开挖距离的临近，岩盘厚度接近其发生的临界安全厚度，隧道顶部围岩所承受的应力越来越大，但其强度有限，当松动区范围缓慢增大松动区的下移，作用在岩盘上的剪切应力不断增大，最终因岩盘厚度小于安全厚度 3m，岩盘难以满

18、足抗剪要求时，围岩突然完全被破坏，松动区岩体立即失去原有的应为平衡。瞬间存储的大量的碎屑松散颗粒、泥沙充填物和水的混合物能量被完全释放，从破坏口涌出，滚滚冲向、游塞隧-7-道，这时就发生了隧道碎屑流事故。如图 5.2.2-2 所示。图 5.2.2-25.2.2-2 石峡隧道碎屑流形成机理分阶段模式图（3）碎屑体是指在地质构造运动中形成的以碎屑状的颗粒石、角砾土和黏土、水组成的高密度混合物，被封闭于围岩腔体之中，常常呈有压状态。隧道碎屑流是一种“地下泥石流”，是指当隧道掘进过程中，穿越断层破碎带富水软弱围岩、充填洞穴岩溶、侵入岩接触带时突然引发碎屑体瞬间大规模突涌、流变，游塞掌子面，甚至引发围岩

19、大变形、大塌方等工程地质灾害。其破坏力极强，给施工带来巨大安全风险。在归纳碎屑流发生机理基础之上，分析研究了大断面隧道穿越碎屑流稳定性控制的关键工程措施，总结并首次提出了大断面隧道穿越碎屑流稳定性成套控制方法，即：超前预报、掌子面封堵、超前泄水、注浆堵水、衬砌加强、帷幕注浆。5.2.3 超前预报（1）预报原理 TRT6000 地质超前预报系统是利用地震波的反射原理进行地质预报。预报时，通过锤击或激振器产生的地震波在隧道中的岩体内传播，但遇到地震界面时，如裂隙破碎带、大的节理面等，一部分地震波就反射回来，反射波经过短暂时间到达传感器后被接收并被记录主机记录下来，然后经专门的 O-RV3D 软件进

20、行分析处理，对地震波进行叠加，就得到清晰的异常体的层析扫描三维图像。再通过对异常体的位置、形状、大小、走向，并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料等就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。（2）仪器设备 TRT6000 主机系统 仪器编号：GX-13-1-1 加速度传感器 编号：006010 006013 309824 010416 011311 012088 012097 010394 301767 309545 安装设备 11 个无线远程数据收集模块 专用笔记本电脑及处理软件 记录单元：使用 24 位 A/D 转换器，所接收信号的频率范围为 40 到 15000 赫兹-8-接收单元

21、：灵敏度 1V/g（3）预报内容 1）地层岩性，如软弱夹层、破碎地层、特殊岩土等。2）地质构造及不良地质，如断层、节理密集带；溶洞、暗河、人为空洞等发育情况。3）地下水，特别是富水断层、岩溶管道水及富水地层地带等。（4）成果解析方法和原则 TRT 成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景值区域，根据偏离与分布多少解释隧道前方的地质情况。判断围岩地质情况原则：1）通常来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区域呈蓝色显示，相对背景值硬质围岩呈黄色显示；2）从整体上对成像图进行解释，不能单独参照一个断面的图像。判断围岩类别原则：1）根据异常区域图像相对

22、于围岩背景，从背景波速分析异常的波速差异，进而判断围岩类别；2）对围岩类别的判断必须与地址情况相结合，综合分析。（5）预报结论 通过对 ZK31+362ZK31+462 地震波反射扫描成像三维图分析，如图 5.2.3-1图5.2.3-3 所示，结合地质资料可以得出如下结论：通过 TRT6000 层析扫描图-俯视图、侧视图分析，该段围岩强全风化，岩石呈碎裂状结构。围岩整体性较差，完整性、稳定性较差；围岩受断层破碎带及构造作用影响，节理、裂隙较发育，小断层发育，沿岩体破碎带发育中性侵入岩脉体，局部泥质填充，地下水较发育，局部有股状流水现象。岩体的整体强度较低，稳定性较差，开挖过程中易发生塑性变形和

23、侧壁失稳等情况。里程ZK31+382-ZK31+442 段围岩较破碎，地下水较发育，初步判定为小断层破碎带，开挖时需特别注意。该段地震波反射界面明显，周围背景值有明显差异，结构面组数较多且杂乱无序，初步判断为 F7 断层破碎带及影响带，该段围岩富水严重，受地面降水补给，提前做好超前导水探孔及其他措施，防止突水、突泥的情况发生，开挖时需特别注意，放炮开挖后容易出现滑塌坍塌现象，该段应及时做好支护和衬砌，密切观察掌子面的围岩变化，加强监控量测等措施，预防发生大变形、塌陷。围岩参考等级为 V 级加强。-9-图 5.2.3-1 TRT6000 层析扫描成像图-侧视图 图 5.2.3-2 TRT6000

24、 层析扫描成像图-俯视图 图 5.2.3-3 TRT6000 层析扫描成像图-立体图 根据地质追踪的情况，于里程 ZK31+560ZK31+595 段内共揭示 3 条断层，具体情况如下：（1）左导于里程 ZK31+516ZK31+560 段揭示与洞轴小角度相交的断层，产状：30456070，断带宽约 3 米，断带内糜棱化现象强烈，断层泥分布较厚，未见地下水；-10-（2）于里程 ZK31+560ZK31+566 段揭示与洞轴大角度相交的断层（对应右洞里程 YK31+643 处断层），产状：1351456575，断带宽约 6 米，断带内糜棱化现象强烈，断层泥分布较厚，左侧拱脚存在少量地下水涌出；

25、（3）于里程 ZK31+585ZK31+588 段揭示断层，与 YK31+692 处断层相对应，产状：1051155055，与洞轴大角度相交，在右洞里程 YK31+685 处左侧拱脚存在涌水携泥现象。整个里程 ZK31+560ZK31+595 段处于上述 3 条断层的复合延伸交错带内。受断层的拖拽作用，左洞左导坑掌子面围岩软弱，糜棱化、泥化现象强烈，岩体挤压破碎，结构面产状紊乱。依据 T76 管棚超前钻探情况与超前地质预报成果（TRT6000）预判，如图 5.2.3-4图 5.2.3-6 所示，掌子面前方至里程 ZK31+613 段仍处于上述断层复合延伸交错带内，围岩状态（强度、完整性、稳定性

26、）很差，且富水。图 5.2.3-4 管棚超前钻探钻孔图像 图 5.2.3-5 超前地质预报侧面图-11-图 5.2.3-6 超前地质预报立体图 通过对地震波反射扫描成像三维图分析，如图 5.2.3-7图 5.2.3-8 所示，结合地质资料可以得出如下结论：通过 TRT6000 层析扫描图-俯视图、侧视图分析：该段围岩强全风化，岩石呈碎裂状结构。围岩整体性较差，完整性、稳定性较差；围岩受断层破碎带及构造作用影响，节理、裂隙较发育，小断层发育，沿岩体破碎带发育中性侵入岩脉体，局部泥质填充，地下水较发育，局部有股状流水现象。岩体的整体强度较低，稳定性较差，开挖过程中易发生塑性变形和侧壁失稳等情况。里

27、程 ZK31+382-ZK31+442 段围岩较破碎，地下水较发育，初步判定为小断层破碎带，开挖时需特别注意。该段地震波反射界面明显，周围背景值有明显差异，结构面组数较多且杂乱无序，初步判断为 F7 断层破碎带及影响带，该段围岩富水严重，受地面降水补给，提前做好超前导水探孔及其他措施，防止突水、突泥的情况发生，开挖时需特别注意，放炮开挖后容易出现滑塌坍塌现象，该段应及时做好支护和衬砌，密切观察掌子面的围岩变化，加强监控量测等措施，预防发生大变形、塌陷。围岩参考等级为 V 级加强。图 5.2.3-7 TRT6000 层析扫描成像图-侧视图-12-图 5.2.3-8 TRT6000 层析扫描成像图

28、-俯视图 图 5.2.3-9 TRT6000 层析扫描成像图-立体图 5.2.4 掌子面封诸 现场采用沙袋对涌泥处进行封堵，如图 5.2.4-1 所示。对回填渣体 C25 喷射混凝土封闭，形成有效壳体防护。图 5.2.4-1 沙袋封堵掌子面-13-5.2.5 超前泄水 石峡隧道左洞 ZK31+390 处上台阶开挖拱脚揭示出股状流水，初支后有部分松散体滑落，采取盲管引排处理，如图 5.2.5-1 所示。ZK31+390-393 处打设 10 根 108 排水钢导管，每根长度为 4.5m-6m，如图 5.2.5-2 所示。图 5.2.5-1 盲管引排 图 5.2.5-2 打设108 排水钢导管 水

29、道涌泥上方打设双排 42 导管，梅花型布置间距 50cm，上排长度 4m 下排 5m，如图 5.2.5-3 所示。图 5.2.5-3 导管现场施工 5.2.6 注浆堵水 上台阶拱脚补强打设 76 管棚（间距 60cm 长度 6-9m）注双液浆固结拱脚松散围岩。C30 水泥浆水灰比为 0.8:；水泥浆与水玻璃的体积比为 1:1；以上配合比为根据现场水流量注浆效果试验取得数据，如图 5.2.6-1 所示。图 5.2.6-1 打设 T76 管棚-14-向掌子面方向第二出水口打设 42 导管及 T76 钢花管注浆，固结后方碎屑。由ZK31+390 中台阶开挖揭示初支背后及水路内松散围岩已基本固结，如图

30、 5.2.6-2 所示，可逐榀开挖中台阶施工，实测出水量约 50-60m/h。图 5.2.6-2 已固结松散围岩 5.2.75.2.7 衬砌加强衬砌加强 采用 S5c 衬砌类型支护，如图 5.2.7-1 所示，设计院对此段二衬配筋及防排水措施进行复核及加强设计。图 5.2.7-1 S5c 型复合式衬砌断面图 掌子面后方初支变形及开裂段采用型钢横撑、径向注浆等加固措施，如图 5.2.7-2所示。-15-图 5.2.7-25.2.7-2 施作临时型钢横撑 5.2.8 帷幕注浆帷幕注浆 掌子面前方穿越富水、夹泥断层段采用洞周帷幕注浆加固，方案设计如图 5.2.8-1 图 5.2.8-4 所示；洞身范

31、围上半部分可采用帷幕注浆稳固掌子面，下半部分设排水管引排前方地下水。图 5.2.8-1 钻孔注浆开孔示意图-16-图 5.2.8-2 钻孔注浆纵剖面图 图 5.2.8-3 30m 断面钻孔注浆终孔剖面图 图 5.2.8-4 17m 断面钻孔注浆终孔剖面图-17-洞周帷幕注浆加固总体方案为：掌子面施作止浆墙（厚 2m），本循环注浆设计加固长度 30m（根据现场探孔进行调整），注浆加固范围为开挖轮廓线外 5m，周边至拱脚，掌子面至拱顶以下 8.5m，使用普通硅酸盐水泥单液浆及普通硅酸盐水泥、水玻璃双液浆注浆材料进行注浆止水和加固。注浆工艺：采用前进式分段超前注浆和后退式注浆相结合进行止水和加固，注

32、浆工艺流程图如图 5.2.8-5 所示。钻孔布置：设计中上断面帷幕注浆，在钻孔过程中探明地层情况，可以根据地质情况进行局部注浆止水，设计钻孔 53个，其中 30m 断面布设 39 孔，17m 断面布设 14 个，扩散半径 2.0 米，管棚孔 40 个；施工顺序：先施做左洞左导洞注浆孔及管棚，待左导洞全部施做完在施做右导洞注浆孔及管棚；注浆参数表如表 5.2.8-1 所示，注浆材料：P.O42.5 普通硅酸盐水泥、水玻璃双液浆为主，普通硅酸盐水泥单液浆为辅，普通硅酸盐水泥单液浆配比为（0.8-1.0）：1.0，普通硅酸盐水泥、水玻璃浆液配比为 1：1（体积比）；注浆顺序及参数：注浆顺序按照先周边

33、后中间，先浅孔后深孔的顺序，跳孔作业，根据水量大小确定分段长度，分段长度原则为：在钻孔过程中无塌孔及水量在 0-10m3 时分段长度为 10m，轻微塌孔及水量在10-30m3/h 时分段长度为 5m，塌孔严重及水量在30m3/h 时立即停止钻进实施注浆，注浆结束压力 3-5MPa；大管棚施作：使用 108mm*6mm 无缝钢管、孔间距 40cm，布设 40根。图 5.2.8-5 注浆工艺流程图 -18-表表 5.2.8-15.2.8-1 注浆参数表注浆参数表 参数名称 参数值 循环长度（m）30m 注浆扩散半径（m）2.0m 注浆终止终压（MPa）3.05.0MPa 注浆速度（L/min）20

34、70 浆液配比（水：灰）0.8:11:1 水泥-水玻璃双液浆 W:C=0.8：11:1，C:S=1：1 掌子面斜上方打设钢花管排水，前方 30 米采用超前水平钻探明围岩状态及地下水分布情况，帷幕注浆具体加固范围根据钻孔情况确定。根据目前左、右导洞进度情况，先对左侧导洞进行处理，待右侧导洞开挖至加固位置，再根据掌子面情况进行右侧导洞的处理。加大监控量测频率，根据量测结果及时采取相应措施。现场帷幕注浆施工如图5.2.8-6。图 5.2.8-6 现场帷幕注浆施工 5.2.9 开挖及处治效果验证（1）帷幕注浆完成后，现场进行掌子面开挖，开挖效果如图 5.2.9-1 所示，开挖结果显示初支背后松散围岩多

35、为固结胶凝状态，围岩受开挖爆破扰动较小，现场涌水碎屑流段松散围岩已经趋于稳定状态；（2）开挖遵循“短进尺，弱爆破”的原则，现场每循环进尺 0.5m,同时做好现场42 超前小导管施工，能够安全顺利的渡过后续碎屑段围岩施工；（3）开挖结果表明采取泄水、注浆等方法可以解决涌水碎屑流问题，帷幕注浆在涌水碎屑流施工中具有较高的实用性和可行性。对涌水碎屑流段围岩治理有较为突出的效果，相同类似的涌水段施工可借鉴此方法安全渡过。-19-图 5.2.9-1 开挖效果图 表表 5.2.9-1 1 各断面拱顶沉降及周边收敛最终值统计表各断面拱顶沉降及周边收敛最终值统计表 初支变形 断面里程 拱顶沉降（mm）周边收敛

36、 A-B（mm）周边收敛 C-D（mm）ZK31+380 215 135 156 ZK31+385 187 108 95 ZK31+390 295 184 205 ZK31+395 204 145 189 ZK31+400 125 95 104 根据涌水碎屑流地层段处治效果可知，涌水碎屑流发生后，初支变形较大，ZK31+390 最大拱顶沉降达 295mm，经过泄水、注浆等措施处治后，初支变形有所减小，ZK31+400 最大拱顶沉降为 125mm，最大水平收敛为 104mm。根据图表 5.2.9-1 显示初支沉降已处于稳定状态。5.3 施工人员配备 工班施工人员安排见表 5.3-1。表表 5.3

37、-15.3-1 施工人员配备表施工人员配备表 工种 数量 工种 数量 工种 数量 技术员 2 副经理 1 普工 15 安全员 2 机械司机 5 质检员 2 汽车司机 8 试验员 2 工班长 1 材料员 1 输送泵操作员 1 领工员 2 修理工 1 测量工 2 电工 1 施工队调度员 1 拌合站站长 1 经 理 1 拌合站调度 2 合计 51-20-6 材料与设备 本工法所用的材料与主要机械设备见表 6-1 所示。表表 6-16-1 材料与主要设备材料与主要设备 序号 机械名称 规格型号 单位 总数 备注 1 钻机 C6 台 2 2 装载机 ZL50G 台 2 3 自卸汽车 陕汽奥龙 辆 4 4

38、 挖机 小松-240 台 1 5 混凝土罐车 台 4 6 输送泵 台 1 7 注浆机 台 4 8 喷浆机 台 2 7 安全保证措施 7.1 坚持“安全第一，预防为主，综合治理”施工安全方针，制定明确安全生产目标。7.2 必须严格贯彻执行中华人民共和国安全生产法、建设工程安全生产管理条例 及水利部、交通部、各地方政府关于安全生产有关规章治度，建立健全安全生产管理制度、责任制度、安全教育制度、安全技术制度、施工作业人员安全保障措施及安全应急措施，成立安全生产领导小组,配备相应的专职安全检查机构和安全检查人员。7.3 工程开工前，按有关规定，和建设单位签定安全责任状。全面落实安全生产责任制，项目各级

39、层层明确安全生产责任人，签定安全经济责任书，明确职责。7.4 加强安全生产宣传，完善安全生产警示标志，在施工现场应设置醒目的安全标语、安全警示标志、安全操作规程等。7.5 对参与生产作业的所有人员,均要进行安全教育培训，培训结束后进行考试，考试合格的方能进场施工，机械司机及其他特种作业人员,应取得相应的专业资质,持证上岗。7.6 施工人员进入施工现场必须戴好安全防护用品。7.7 进洞人员必须先登记后进洞，严格执行进出洞登记制度，无关人员不得进洞。7.8 现场设置安全警示标志牌，二衬台车处设置警戒线；作业人员到达工作面时，先检查工作面是否处于安全状态，如有松动的初支，立即加以支护或清除。7.9

40、从已施做二衬段到施工现场设置逃生通道，并保持逃生通道畅通。7.10 处理现场加强照明，满足现场作业安全和安全观察的需要，在作业现场安装应急照明灯。作业时，在作业点设专职安全员进行 24h 跟班作业，密切关注围岩变化，发现喷混凝土新开裂、围岩裂隙持续张开、掉块、异响等塌方征兆时，用哨声通知作业人-21-员撤离作业现场，待确认安全后方可重新进入处理作业现场。7.11 施工期间，现场施工负责人会同技术人员对各部支护进行定期检查，发现问题及时上报。7.12 施工现场处理作业时，要由现场负责人统一指挥，各工序衔接紧密，做到忙而有序，避免因施工混乱而发生安全事故。7.13 加强过程监控量测，当发现量测数据

41、有突变或异变时，立即通知现场负责人，采取应急措施或通知施工人员撤离危险地段。7.14 配足必要的安全抢险物资，如逃生通道、砂子、安全绳、铁锹、羊镐、急救药品、纱布、强光电筒以及一部应急车辆。8 质量控制措施 8.1 质量目标：工程一次验收合格率 100%，单位工程优良率 95%以上。8.2 建立质量管理组织机构。为了确保工程质量，在项目经理部实行二级质量管理制度，项目经理部设专职质量检查工程师，每个班组设兼职质检员。质量检查工程师直接对项目经理和总工程师负责，行使监督权、检查权和质量检查否决权。8.3 建立保证质量技术措施（1）建立以总工程师为主的技术系统质量保证体系，从总工程师、安质部、工程

42、技术部、试验室直到施工班组的各级技术负责人，从施工方案、施工工艺、技术措施上确保达到质量标准，从技术上对质量负责。（2）开展技术攻关。对工程施工中容易出现质量问题的环节，我们将根据以往施工经验和教训，事先采取针对性的保障措施，努力克服质量问题。（3）分部、单元工程开工前由工程技术部负责，进行分层次的书面技术交底、对施工方案、施工工艺、质量标准、安全措施进行详细交底，形成施工程序化、技术标准化、质量规格化，使每个参加施工的人员做到目标明确，心中有数。8.4 严格执行报检程序。尊重监理工程师,积极配合监理监督、检查，严格执行监理程序,自觉接受建设单位、监理单位的监督检查。建立良好的质量控制及监督机

43、制，随时配合监理工程师对工序及隐蔽工程等施工项目进行检查确认，未达标项目不得进入下道工序。8.5 施工过程控制（1）施工人员应具有相应工种岗位的施工技能，做到考核合格持证上岗。（2）施工过程中，坚持“三检”制度，即初检、复检、终检；所有工序坚持样板制；牢固树立“上道工序为下道工序服务”和“下道工序就是用户”的思想，坚持做到不合格的工序不交工。（3）按已明确的质量责任制检查施工人员的落实情况，各工序实行施工人员挂牌制度，促进施工人员提高自我控制施工质量的意识。-22-（4）施工过程中做到施工操作程序化、标准化、规范化，贯穿工前有交底、工中有检查、工后有验收的“一条龙”管理方法，确保施工质量。8.

44、6 施工材料控制。工程材料和辅助材料（包括构件、成品、半成品），都将构成建筑工程的实体。保证工程材料按质、按量、按时的供应是提高和保证质量的前提。因此，对采购的原材料、构（配）件、半成品等材料，一定要建立健全进场前检查验收和取样送检制度，杜绝不合格的材料进入现场。8.7 施工设备控制。对施工所用设备根据工程需要从设备选型、主要性能参数及使用操作要求等方面加以控制。9 环保措施 9.1 环境保护措施（1）建立环境保护奖罚制度。采取严格的奖罚措施，通过强制的经济手段，对违反环境保护的单位和个人进行处罚，不断促进广大干部职工的环境保护意识。（2）建立环境保护责任追究制度。任何违反环境保护和水土保持有

45、关规定，都严格追究责任，一查到底。（3）组织全体员工进行生态资源环境保护知识学习，增强环保意识，保证工程环保质量，施工中采取有效措施，保护环境，使施工过程对生态环境的损害程度降至最低。（4）施工现场和驻地的生活垃圾集中堆放，定时消毒处理。施工中废弃的易漂浮的物品，及时收集整理，防止随风飘扬，使自然环境不受侵害。（5）在施工中及车辆行驶时要控制噪音，防止干扰当地居民的正常生活。加强机械设备的维修保养工作,确保机械运转正常,降低噪声。（7）施工机械设备产生的废水、废油等有害物质以及生活污水,不得直接排放于河流、水塘和其他水域中,也不得倾卸于饮用水源附近的地面上,以防污染水源和土壤。9.2 水土保持

46、措施（1）施工废水分别按有关要求沉淀、净化处理符合污水综合排放标准规定方可排放。（2）施工期间，施工物料如水泥、油料堆放管理严格，防止雨季或暴雨将物料随雨水迳流排入地表及相应的水域造成污染。（3）施工机械应防止漏油或施工机械运转中产生的油污水未经处理就直接排放或维修施工机械时油污水直接排放。（4）施工区域、砂石料场在施工期间和完工后，妥善处理。10 效益分析 10.1 经济效益经济效益 针对涌水碎屑流地层隧道开挖，施工难，施工风险大，施工成本增加较大，施工-23-工期长，为加快施工进度，降低施工成本，成功运用涌水碎屑流地层隧道突泥施工工法，确保施工安全、质量，以及合同工期的实现，通过财务部门核

47、算，本项工法共计节约成本为：（1）材料使用费用 124 万元；（2）机械租赁费用 58 万元；（3）人工费 62 万元。共计节约成本 244 万元。10.2 社会效益社会效益 石峡隧道左线长 5746m，右线 5877m，建成后将成为北京地区最长的公路隧道。石峡隧道南口被列为兴延高速重难点隧道。在施工中展开技术攻关与创新，成功攻克了石峡隧道涌水碎屑流地层隧道突泥施工技术科研项目，施工过程中，未发生一起塌方、亡人事故，隧道不渗不漏，混凝土衬砌做到内实外美，工期比合同提前 1 个月，为石峡隧道如期贯通打好坚实基础。受到股份公司、兴延高速、总承包单位、设计单位和监理单位的广泛认可和一致好评。同时，通

48、过该项目的研究，也进一步促进了我集团公司隧道施工专业化管理水平的提升，为今后类似工程施工提供了借鉴。石峡隧道涌水碎屑流地层隧道突泥施工技术研究为石峡隧道施工提供了安全、可靠的技术保证，使隧道施工安全、质量和工期始终处于受控状态，大力推进了兴延高速建设步伐，实现了兴延高速全线按期开通运营的目标，缓解了西北通道内京藏高速及其辅路进出京的车流的交通压力，对延庆地区发展与中心城市的联系具有重要意义。10.3 节能环保效益节能环保效益 涌水碎屑流地层隧道突泥施工技术研究成果在石峡隧道施工中成功应用，取得了良好地环保节能效益，具体表现在以下几个方面：（1）施工中采用湿喷混凝土减小了粉尘对环境的污染，改善了

49、施工人员的作业环境，消除静电对人体的危害。（2）采用特殊不良地层预加固技术，采取注浆封堵措施，防止洞内渗和突泥，减少水土流失，同时做好浆液的回收和处理工作，保护了当地生态环境。（3）坚持做到“少破坏、多保护，少扰动、多防护，少污染、多防治”。实现了从“重工程，轻生态环保”到“工程和环保并重，环保适度超前”的突破，避免了对原生态的破坏，保护了自然环境及生态环境。11 应用实例 石峡隧道涌水碎屑流地层隧道突泥施工受不良地质及周边环境因素影响严重，隧道施工连续穿越断层破碎带富水软弱围岩、岩体破碎，极易引发围岩大变形、大塌方等工程地质灾害。其破坏力极强，给施工带来巨大安全风险。针对涌水碎屑流地层，结合工-24-程实践，分析了涌水碎屑流产生机理，调研总结出应对涌水碎屑流问题解决方案，并应用于工程实践，提高了涌水碎屑流地层隧道突泥施工进度，同时保障了现场施工安全，解决了涌水突泥隧道施工难题，形成了涌水碎屑流地层隧道突泥施工工法，该工法于 2017 年至 2018 年成功应用于石峡隧道涌水突泥施工，顺利地完成了施工任务，提高了施工效率，施工安全可控，方便快捷，未留任何安全隐患，节约了施工成本，取得了良好的经济、社会及环保效益。安全、质量等各项技术性能指标达到预期效果。实践证明，该工法具有推广应用价值，可以为今后同类型的隧道施工提供技术支持及参考。