基于管棚支護(hù)技術(shù)的隧道洞內(nèi)突水涌水控制方法研究*

賀尚修，劉 達(dá)，劉忠海，羅利娟

(北京建工土木工程有限公司，北京 100015)

0 引言

眾多工程案例表明，突水涌水問題是富水地區(qū)隧道施工事故中一種常見的災(zāi)害類型[1-10]。隧道施工時(shí)發(fā)生突水涌水不僅影響作業(yè)環(huán)境，還會(huì)使掌子面不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致其他災(zāi)害發(fā)生，如周邊建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)破壞、埋地管線的滲漏破壞及地面塌陷等。資料表明，隧道施工事故多有水參與[2]，如何在施工過程中降低水的影響顯得尤為重要。蔣建平等[3]討論了隧道工程突水機(jī)制及相應(yīng)對(duì)策。李忠等[4]從工程地質(zhì)特征方面分析浙江蒼嶺隧道施工中凝灰?guī)r突水事故發(fā)生的原因，并提出相應(yīng)對(duì)策。郭如軍等[5]探討了隧道施工突水致災(zāi)構(gòu)造。王琛等[6]分析了某越江隧道中涌水涌砂事故機(jī)理及處理方法。李海等[7]闡述了南寧地鐵某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道涌水過程、發(fā)生原因及處理措施。衛(wèi)海宏[8]介紹了海底隧道突水、突泥事故預(yù)防及處理措施。何平等[9]研究了武廣客專某隧道涌水突泥災(zāi)害成因及整治措施。焦玉勇等[10]闡述了深埋隧道鉆爆法開挖段突水涌水災(zāi)害的形成機(jī)理及防控措施。

管棚超前支護(hù)是隧道暗挖法施工中控制地層變形的一種支護(hù)形式，許多學(xué)者基于實(shí)際工程對(duì)管棚支護(hù)開展大量研究。宋政文[11]研究了軟弱圍巖開挖中管棚支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用問題。董新平等[12-13]分析了開挖跨度、管棚直徑及長(zhǎng)度不同條件下管棚的作用特性；針對(duì)淺埋地下工程中的最優(yōu)管棚直徑進(jìn)行了探討。張向東等[14]對(duì)淺埋松軟地層管棚注漿施工引起的地表沉降進(jìn)行分析研究。洪開榮等[15]發(fā)現(xiàn)管棚超前支護(hù)對(duì)拱頂圍巖的最終位移和先行位移有明顯的控制作用。戴志仁等[16]分析了管棚的支護(hù)作用機(jī)理。武松等[17]系統(tǒng)地研究了淺埋軟巖公路隧道超前管棚的支護(hù)機(jī)制。陽超等[18]探討了管棚支護(hù)條件下砂卵石地層中隧道圍巖塑性區(qū)范圍、隧道初期支護(hù)應(yīng)力、拱頂沉降和地表豎向位移等。宋戰(zhàn)平等[19]研究了隧道洞內(nèi)管棚超前預(yù)支護(hù)力學(xué)行為，提出考慮注漿加固區(qū)整體性的管棚受力分析模型，并進(jìn)行管棚參數(shù)分析。

已有研究表明，隧道施工事故中多有水參與，存在隧道突水涌水與隧道圍巖變形間的相互作用，因此，處理隧道施工事故時(shí)需將隧道、圍巖、地下水及周邊環(huán)境當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)考慮，從而提出切實(shí)可行的工程措施。本文針對(duì)某工程實(shí)例中遭遇的突水涌水問題開展深入研究，提出基于管棚支護(hù)技術(shù)的突水涌水控制方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析方案效果。

1 工程案例

1.1 工程概況

北京市軌道交通首都機(jī)場(chǎng)線二期東直門站—北新橋站區(qū)間2號(hào)豎井位于東直門內(nèi)大街與東直門北小街交叉口東北角，橫通道沿南北向布設(shè)，垂直下穿東直門內(nèi)大街(簋街)，長(zhǎng)45.78m，寬4.60m，高9.17m(分2層)，覆土18.21m。2號(hào)豎井及橫通道主要為正線向東直門站及北新橋站方向開挖施工提供作業(yè)面；橫通道開挖過程中下穿簋街，地理位置敏感，并下穿多條帶水帶壓管線。橫通道由北向南下穿1 200mm×1 800mm污水管溝、φ400上水管線、φ1 950雨水管線和φ1 350污水管線，南端近接2 800mm×2 200mm污水管溝。橫通道施工誘發(fā)的過大場(chǎng)地變形可能導(dǎo)致這些管線(溝)產(chǎn)生滲漏，進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的災(zāi)害，因此，這些管線(溝)是橫通道施工過程中的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

本工程施工過程中，1層橫通道K0+022，K0+024，K0+028.5拱部位置曾發(fā)生3次突水涌水，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行臨時(shí)封堵。為確保后續(xù)橫通道施工及周邊環(huán)境安全，避免再次發(fā)生大面積涌水涌砂問題，需在深入分析突水涌水原因的基礎(chǔ)上，綜合考慮橫通道施工、場(chǎng)地、水、近接管線的相互作用及施工安全，在已有施工方案的基礎(chǔ)上，提出適用于本工程的洞內(nèi)突水涌水防治方法。

1.2 橫通道突水涌水分析

1.2.1工程地質(zhì)條件

橫通道拱頂及正洞拱部所處地層為粉質(zhì)黏土層⑥、黏土層⑥1、砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土層⑥2、細(xì)中砂層⑥3、卵石層⑦、中粗砂層⑦1及粉細(xì)砂層⑦2。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料和鉆孔勘察，本段線路賦存5層地下水。①上層滯水(一) 水位埋深6.02m，標(biāo)高37.230m，含水層為粉土層③，隔水層為粉質(zhì)黏土③1，主要接收大氣降水和地下埋藏上、下水管道滲漏水的補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，具有明顯的季節(jié)變化特征，冬春季水量較小。②潛水(二) 水位埋深15.22～18.88m，標(biāo)高25.150～28.230m，含水層為圓礫卵石層⑤和細(xì)砂層⑤2，含水層底板標(biāo)高起伏較大，在21～29m，隔水層為粉質(zhì)黏土層⑥，補(bǔ)給來源為大氣降水和側(cè)向徑流，以側(cè)向徑流補(bǔ)給層間水的方式排泄。③層間水(三) 水位埋深19.8m，標(biāo)高23.170m，含水層為細(xì)中砂層⑥3，隔水層為粉質(zhì)黏土⑥，該層地下水主要接收側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流排泄和向下越流補(bǔ)給層間水的方式排泄。④層間水(四) 水位埋深20.58～24.91m，標(biāo)高17.150～23.910m，含水層為卵石層⑦，隔水層為粉質(zhì)黏土層⑧，該層水在北新橋站后折返線附近具有承壓性，主要接收側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流排泄和向下越流補(bǔ)給承壓水的方式排泄。⑤承壓水(五) 水位埋深27.3～31.1m，標(biāo)高11.870～15.360m，水頭高度為1.9～5.7m，含水層包含中粗砂層⑨1、粉細(xì)砂層⑨2、卵石層⑨，隔水層為粉質(zhì)黏土層⑩，主要接收側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流排泄。

1.2.2突水涌水情況

本豎井橫通道施工過程中共發(fā)生3次突水涌水。第1次發(fā)生在2號(hào)豎井上層橫通道上臺(tái)階(進(jìn)洞22m)銑拱過程中，圓礫卵石層⑤中地下水穿透拱頂粉質(zhì)黏土層，形成突水險(xiǎn)情，涌出量5～8m3；第2次為2號(hào)豎井上層橫通道上臺(tái)階(進(jìn)洞24m)銑拱過程中，圓礫卵石層⑤中地下水穿拱頂粉質(zhì)黏土層，形成突水險(xiǎn)情，涌出量約2m3；第3次為橫通道28.5m位置11點(diǎn)鐘方向出現(xiàn)突涌，卵石、中粗砂涌出量約40m3，涌水量1 000～1 500m3。

1.2.3突水涌水發(fā)生機(jī)理

突水涌水事件發(fā)生后，對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行補(bǔ)充勘察，補(bǔ)充勘察地質(zhì)縱剖面如圖1所示。由圖1可知，2號(hào)豎井橫通道拱頂主要為粉質(zhì)黏土層⑥，厚1.0～1.8m，其間夾雜砂層且起伏較大，隔水層上為含水卵石層，厚2.0～3.9m，水量豐富。對(duì)橫通道開挖安全造成影響的主要為潛水(二)和層間水(四)。

本工程發(fā)生的3次突水涌水位置均位于上層橫通道上部，均為潛水(二)突涌。隧道突水涌水發(fā)生的前提條件是水源充足，由補(bǔ)充勘察資料可知，潛水(二)水源充足，水頭壓力較詳勘階段也有所增大，地下水運(yùn)動(dòng)勢(shì)能隨之增大，滿足橫通道突水涌水的前提條件。橫通道開挖導(dǎo)致其周圍巖土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，通道上部巖土體滲透能力增大，抗突水涌水能力降低；同時(shí)，開挖橫通道成為地下水的排泄廊道，改變了地下水原有運(yùn)移、排泄條件，滲流途徑減少、水力坡降變大。深孔注漿施工工藝難以形成連續(xù)均勻的帷幕，其縫隙易被高水頭的地下水擊穿形成通路，導(dǎo)致突涌發(fā)生。

2 洞內(nèi)突水涌水防控方法

2.1 突水涌水防控難點(diǎn)

根據(jù)突水涌水的發(fā)生條件，消除突水涌水可從兩方面考慮：①減少地下水補(bǔ)給，降低地下水位，減小地下水滲流的水力坡降；②增強(qiáng)地層整體穩(wěn)定性，減小地層滲透系數(shù)，增強(qiáng)地層抗突水涌水能力。已發(fā)生的突水涌水事件表明，僅靠深孔注漿施工工藝無法阻止突水涌水，需多種手段相結(jié)合控制；選擇突水涌水防控方法時(shí)還要防范施工過程中周邊環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 基于管棚支護(hù)技術(shù)的突水涌水防控方案

管棚超前支護(hù)是隧道暗挖法施工中控制地層變形的一種手段。已有研究表明，管棚超前支護(hù)的主要作用為梁拱效應(yīng)[11,20]和加固效應(yīng)，管棚注漿不僅能增強(qiáng)隧道頂部圍巖穩(wěn)定性，還能提高隧道附近圍巖區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度及抗?jié)B性能[21-23]。本工程已施工完成的上層橫通道開挖采用輪廓線外2.5m全斷面深孔注漿，開挖揭示漿脈清晰，效果較好。因此，在應(yīng)用全斷面深孔注漿的基礎(chǔ)上，結(jié)合管棚超前支護(hù)技術(shù)，充分利用管棚的梁拱效應(yīng)和加固效應(yīng)，形成基于管棚支護(hù)技術(shù)的突水涌水防控方法。實(shí)施時(shí)，先行設(shè)置的鋼管及管內(nèi)注滿的水泥漿在掌子面前方圍巖和后方鋼拱架的支撐下形成梁結(jié)構(gòu)，防止圍巖松弛和坍塌；管棚鋼管間利用深孔注漿改善圍巖狀況，使圍巖和管棚成為整體，增強(qiáng)地層的抗突水涌水能力，保證掌子面穩(wěn)定；全斷面深孔注漿消除層間水(四)對(duì)橫通道施工的影響。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層和環(huán)境，經(jīng)多次、多方考察論證，采用小口徑管幕支護(hù)，管棚鋼管兩側(cè)焊接角鐵形成扣接軌道，采用“螺旋出土、鋼管頂進(jìn)”的頂管方式施工，多根鋼管扣接形成拱部支護(hù)幕墻，對(duì)待開挖區(qū)域進(jìn)行止水擋土管棚支護(hù)，保證開挖安全。

鎖扣管棚布設(shè)于暗挖橫通道原設(shè)計(jì)拱頂初期支護(hù)下側(cè)960mm位置，作業(yè)空間狹小，考慮管棚施工便利性及管棚施作對(duì)后續(xù)開挖的限制，橫通道進(jìn)洞28～46m原設(shè)計(jì)拱頂直墻格柵調(diào)整為平頂直墻，格柵間距、其他初期支護(hù)及超前預(yù)加固參數(shù)不變，如圖1所示。管棚鋼管采用φ180×10無縫鋼管，鎖扣材料為40mm×40mm×5mm角鐵，環(huán)向布設(shè)鋼管12根，單根長(zhǎng)度為22.50m，鎖扣尺寸及其連接如圖2所示。管棚鋼管入扣端封閉，預(yù)留φ25注漿孔和φ25排氣觀察孔，安裝閥門排氣觀察管位于鋼管端面上方，高度≥2m。管棚內(nèi)填充P·O42.5水泥漿，水灰比為0.9～1.1。管棚水平布設(shè)，施工入孔角度控制在0～0.5%。管棚兩側(cè)的打設(shè)盲區(qū)采用密排φ42×3.25超前小導(dǎo)管補(bǔ)強(qiáng)。

圖1 橫通道格柵

圖2 鎖扣及其連接

2.4 施工要點(diǎn)

1)掌子面進(jìn)行噴錨封閉，相鄰鋼管間鎖扣位置使用速凝劑封閉，預(yù)留排氣軟管高于管扣2m。

2)管棚鋼管需穿越掌子面噴錨層，掌子面開槽應(yīng)按需開設(shè)，嚴(yán)禁一次開設(shè)長(zhǎng)度過長(zhǎng)，開槽超前管幕施工1～1.5m。

3)采用頂管法施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制螺旋鉆實(shí)際出土量與理論出土量的匹配。

4)管內(nèi)灌注壓力為0.2～0.5MPa，管內(nèi)灌注量不小于理論注漿量，且排氣觀察管內(nèi)液面下沉<5mm/min時(shí)可終孔。

5)管內(nèi)灌注順序自下而上，最后填充拱部鋼管。一次管內(nèi)灌注完成后，2h后進(jìn)行補(bǔ)充灌注，保證管內(nèi)充盈。

6)管棚兩側(cè)的打設(shè)盲區(qū)采用密排超前小導(dǎo)管補(bǔ)強(qiáng)(見圖3)，導(dǎo)管間距100mm，沿每榀格柵布置，首環(huán)長(zhǎng)度為2.5m，后續(xù)導(dǎo)管每榀長(zhǎng)度為1.5m，打設(shè)后壓注水泥土-水玻璃雙液漿。橫通道開挖過程中對(duì)管棚以下部分全斷面深孔注漿。

圖3 管棚布置斷面

3 突水涌水控制效果及周邊環(huán)境施工響應(yīng)分析

依據(jù)前述管棚支護(hù)技術(shù)+密排超前小導(dǎo)管+全斷面深孔注漿的聯(lián)合突水涌水防控方法，本工程橫通道施工得以順利完成，未再次出現(xiàn)突水涌水事件。

通道兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的地面沉降曲線如圖4所示。其中，監(jiān)測(cè)斷面8位于橫通道中部與隧道北側(cè)相交位置，監(jiān)測(cè)斷面9位于橫通道與隧道軸線相交位置；DB8-1，DB9-5位于橫通道西側(cè)，DB8-3，DB9-7位于橫通道東側(cè)。

圖4 通道兩側(cè)地面沉降曲線

由圖4可知，橫通道兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向變形趨勢(shì)基本一致，可較好地反映施工全過程。管棚支護(hù)施作前，受前期橫通道開挖、全斷面注漿加固及針對(duì)3次突水涌水事故應(yīng)急處理的影響，測(cè)點(diǎn)變形表現(xiàn)為上下波動(dòng)；頂管施作管棚及超前小導(dǎo)管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，由于受到擠壓，測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生一定程度的隆起變形；隨著橫通道開挖卸載，監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生沉降變形。2018年12月10日至2019年1月10日，4個(gè)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)隆起變形；2019年7月10日變形趨于穩(wěn)定。由于DB9監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)位于暗挖區(qū)間隧道軸線位置，DB8監(jiān)測(cè)斷面位于隧道邊緣，受正線隧道開挖影響，DB9監(jiān)測(cè)斷面最終沉降量大于DB8監(jiān)測(cè)斷面沉降量，但均在GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[24]規(guī)定的范圍內(nèi)。

《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中第9.3.3條規(guī)定，地下管線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值應(yīng)在調(diào)查分析管線功能、材質(zhì)、工作壓力、管徑、接口形式、埋置深度、鋪設(shè)方法、鋪設(shè)年代的基礎(chǔ)上，結(jié)合其與工程的空間位置關(guān)系和當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)確定。橫通道上方由北向南4條管線(溝)的測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線如圖5所示。其中，WGX2為底面埋深2.51m，截面尺寸1 200mm×1 800mm的污水管溝；SGX3為底面埋深1.81m的φ400上水管線；YGX4為底面埋深4.22m的φ1 950 混凝土雨水管線；WGX5為底面埋深5.72m的φ1 350混凝土污水管線。

由圖5可知，管棚施作時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)為隆起，而后變?yōu)槌两?，與地面沉降曲線變化趨勢(shì)一致，在2018年12月，管線各測(cè)點(diǎn)均有隆起變形。除WGX2外，其余管線均表現(xiàn)為橫通道軸線位置處沉降最大，橫通道開挖作用下管線表現(xiàn)為“下凹”變形。各管線(溝)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定沉降值如表1所示。由表1可知，采用管棚支護(hù)技術(shù)+密排超前小導(dǎo)管+全斷面深孔注漿的聯(lián)合突水涌水防控方法，不僅能有效控制突水涌水問題，且可使近接管線(溝)沉降量基本滿足規(guī)范要求，保證近接管線(溝)運(yùn)營(yíng)安全。

表1 管線(溝)穩(wěn)定沉降值

圖5 管線(溝)測(cè)點(diǎn)豎向位移曲線

4 結(jié)語

以北京市軌道交通首都機(jī)場(chǎng)線二期東直門站—北新橋站區(qū)間2號(hào)豎井橫通道開挖工程為例，分析3次突水涌水事件的發(fā)生機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程場(chǎng)地條件、施工條件及施工經(jīng)驗(yàn)，提出基于管棚支護(hù)技術(shù)的洞內(nèi)突水涌水防控方法。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本文提出的管棚支護(hù)技術(shù)+密排超前小導(dǎo)管+全斷面深孔注漿的聯(lián)合突水涌水防控方法不僅能有效消除突水涌水風(fēng)險(xiǎn)，還能很好地控制周邊場(chǎng)地及近接埋地管線(溝)變形，保證工程施工安全。