雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井突泥涌水處治方案研究

田 鵬

中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)鐵路、公路建設(shè)的速度及規(guī)模都呈現(xiàn)出前所未有的景象[1-2]。在山區(qū)建設(shè)鐵路、公路不可避免的會(huì)遇到隧道建設(shè)問題，由于山區(qū)地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，地質(zhì)勘探資料無法全面的反映山體內(nèi)部情況，在施工過程中經(jīng)常遇到突泥涌水事故也不斷增多, 造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失，隧道突水突泥問題現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3-4]。如何正確合理的處治突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害不僅關(guān)系到施工技術(shù)人員的生命安全，也會(huì)對(duì)隧道施工的質(zhì)量及進(jìn)度產(chǎn)生重要影響。

1 突泥涌水形成條件分析

1.1 工程地質(zhì)條件

雪峰山1號(hào)隧道位于湖南省隆回縣和溆浦縣境內(nèi)。隧道進(jìn)口至DK244+603.69位于R=9000m的曲線上，其它地段位于直線上；隧道內(nèi)設(shè)人字坡，進(jìn)口至DK249+500為9.2‰的上坡，DK249+500-DK254+914為4.6‰的下坡，隧道最大埋深780m。涌水、巖溶:根據(jù)設(shè)計(jì)提供隧道涌水量和富水程度資料分析:雪峰山1號(hào)隧道地下水富水性主要為孔隙潛水、裂隙水等。雪峰山1#隧道最大涌水量為112934.66m3/d，正常涌水量為84994.7m3/d。

雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井進(jìn)洞為淺埋、偏壓圍巖，洞口10米范圍采用CRD法施工，超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，環(huán)向間距30m，L=4.0m，I20b鋼拱架加強(qiáng)，間距0.75m一榀布置。3斜5+10附近有斷層切過洞身，采用CRD法，超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，L=4.0m ，環(huán)向間距0.35m，I18鋼拱架加強(qiáng)，間距0.75m一榀布置。

1.2 水文地質(zhì)條件

第四紀(jì)以來，由于本區(qū)地殼呈大面積間歇性上升，使雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井巖溶發(fā)育的速率小于地殼上升的速度。這就造成巖溶發(fā)育隨深度的增加而減弱的大格局。在近地表地帶，巖溶水交替循環(huán)劇烈，巖溶十分發(fā)育，巖溶洞隙規(guī)模大、數(shù)量多。而在地下深處，地下水交替運(yùn)動(dòng)十分緩慢，僅發(fā)育一些溶孔和小溶隙。故形成了巖溶發(fā)育的垂直分帶特征，自地表至地下可分垂向洞隙帶（包氣帶）、水平管道帶（包括季節(jié)變動(dòng)帶與飽水帶）、深部孔隙帶（深部循環(huán)帶）。隧道剛好處于二疊系長(zhǎng)興組（P2c）與茅口組、棲霞組（P1m+P1q）兩層水平巖溶管道之間，地下水具有一定的承壓特性，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，且水量相對(duì)穩(wěn)定，或以靜儲(chǔ)量形式在其間緩慢流向排泄區(qū)，受排泄區(qū)的影響不大。

從物探跨孔YK1-YK2、ZK1-ZK2、ZK1-ZK3、ZK2-ZK3、ZK3-ZK5、ZK13-ZK15、ZK21-ZK20、ZK18-ZK20 和單孔ZK9 、ZK10 、ZK11 、ZK23測(cè)試成果看，被測(cè)試各跨孔表層不同深度巖體裂隙較發(fā)育。尤其是ZK13-ZK15兩跨孔在11.50～15.00m段巖體較破碎；單孔中ZK11在7.50～11.50m段巖體裂隙發(fā)育、為較破碎巖體，ZK23在4.00～5.50m段巖體破碎，裂隙較發(fā)育。

2 突泥涌水成因分析

從宏觀上來看，雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井ZK38+770～ZK38+820段處于向斜弧形展布的轉(zhuǎn)折段凸出部位近核部的構(gòu)造溶蝕地貌。從構(gòu)造和巖溶水文地質(zhì)來看，此部位為典型的強(qiáng)富水匯集帶。

第四紀(jì)以來，由于本區(qū)地殼呈大面積間歇性上升，使得巖溶發(fā)育的速率小于地殼上升的速度。這就造成巖溶發(fā)育隨深度的增加而減弱的大格局。在近地表地帶，巖溶水交替循環(huán)劇烈，巖溶十分發(fā)育，巖溶洞隙規(guī)模大、數(shù)量多。而在地下深處，地下水交替運(yùn)動(dòng)十分緩慢，僅發(fā)育一些溶孔和小溶隙。故形成了巖溶發(fā)育的垂直分帶特征，自地表至地下可分垂向洞隙帶（包氣帶）、水平管道帶（包括季節(jié)變動(dòng)帶與飽水帶）、深部孔隙帶（深部循環(huán)帶）。隧道剛好處于二疊系長(zhǎng)興組（P2c）與茅口組、棲霞組（P1m+ P1q）兩層水平巖溶管道之間，地下水具有一定的承壓特性，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，且水量相對(duì)穩(wěn)定，或以靜儲(chǔ)量形式在其間緩慢流向排泄區(qū)，受排泄區(qū)的影響不大。

雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井突泥涌水段（ZK38+770～ZK38+820）地表巖溶形態(tài)除了普遍發(fā)育有溶溝、溶槽、石牙等外，還有少量的峰叢、洼地及溶蝕溝谷等，地下巖溶形態(tài)則有地下河、溶洞等，同時(shí)在隧道線兩側(cè)2km范圍內(nèi)的平均面巖溶率高達(dá)K=5.8，且在此范圍內(nèi)又集中發(fā)育于向斜的核部。雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井埋深266m～296m，出露地層為二迭系茅口組含燧石結(jié)合微晶灰?guī)r，裂隙發(fā)育，巖體多呈塊（碎狀）鑲嵌結(jié)構(gòu)，為巖溶強(qiáng)富水性巖組。

綜上所述，結(jié)合宏觀與微觀、動(dòng)態(tài)與靜態(tài)分析來看，ZK38+770～ZK38+820具備發(fā)生突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害的條件。盡管區(qū)域地表巖溶發(fā)育，且具有呈層性、向深性、不均勻性和垂向分帶性特征，以及初勘、詳勘資料表明，距離隧道上部25m有巖溶垂直發(fā)育帶和距離隧道上部約100m附近存在地下暗河，但施工過程中開挖遇到和鉆孔查證的溶腔是一寬7.18m，高35cm～15cm 的扁形溶縫,從左洞頂板以45°～50°傾角經(jīng)ZK38+798右壁底部貫穿右洞，延伸至YK38+778（兩洞里程相差約8.65m），溶縫寬僅15cm。且在溶腔兩側(cè)采間距1.5m×1.5m，長(zhǎng)5mφ42mm的注漿熱軋無縫鋼管梅花形注漿處治。可排除此突泥涌水來源于隧洞上部的可能性，主要原因是:第二次（最大）突泥涌水是從路基底部沖毀路面砼，以及仰拱（鋼筋砼）。

若來源于隧道上方，即使注漿處治效果不理想，也應(yīng)該發(fā)生在洞頂或洞壁造成破壞；從長(zhǎng)觀資料和本次外野期間觀測(cè)表明，發(fā)生突泥涌水具有間歇性、突發(fā)性。若來源于上部，雖向斜巖溶發(fā)育，但地表沒有大型的伏流入口，地下水只能靠自身巖溶槽谷、洼地、落水洞等接受大氣降雨補(bǔ)給，在枯季不可能短時(shí)間強(qiáng)徑流匯集如此大規(guī)模的間歇性突泥涌水，另外，經(jīng)過前兩次大規(guī)模突泥涌水后，突泥涌水通道已經(jīng)被疏通，第三次突泥涌水也就不可能再呈間歇性發(fā)生；從鉆孔ZK18發(fā)生涌水后（鉆孔鉆至5m時(shí)）觀測(cè)到ZDS3出水點(diǎn)斷流，ZK20孔自流量明顯較少，并逐漸不能自流，同時(shí)在進(jìn)口三角堰測(cè)量的排泄量并未發(fā)生較大的變化（30m3/d）。

而ZK13、ZK12-1、ZK18、ZK20孔涌水時(shí)，水平孔中（自流的）的自流量并未發(fā)生變化。說明水平孔自流水為巖溶裂隙水，而豎孔中水具為承壓水，并攜帶有一定的泥砂。從突泥涌水?dāng)y帶出大量的粘土、砂、卵石及碎塊石和三次地下水動(dòng)態(tài)分析，說明地下水來源于地下暗河管道系統(tǒng)，而且來得遠(yuǎn)，落差大，具間歇性的強(qiáng)大承壓水動(dòng)力大特性。并與隧道路面下的縱裂隙、溶洞貫通，形成網(wǎng)絡(luò)狀強(qiáng)徑流帶，儲(chǔ)備一定數(shù)量的地下水，超過一定限度時(shí)，自下而上匯集強(qiáng)徑流涌入隧洞，形成間歇性大容量突泥涌水。

3 處治方法

雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井突泥涌水段采用:“以堵為主，堵排結(jié)合，注重環(huán)境保護(hù)，避免次生災(zāi)害”的原則進(jìn)行處治設(shè)計(jì)。

根據(jù)地勘報(bào)告和隧道建設(shè)情況，雪峰山1號(hào)隧道3號(hào)斜井突泥涌水主要為隧道下部溶洞（洞頂主要為干溶洞），結(jié)合巖溶隧道處治成功經(jīng)驗(yàn)，突泥涌水段可采用注漿堵水結(jié)合承壓隧道結(jié)構(gòu)的處治措施，為了保證結(jié)構(gòu)的安全，隧道處治段向巖溶區(qū)兩端各延長(zhǎng)了15m，具體的處治范圍左洞為ZK38+755～ZK38+835，總長(zhǎng) 80m。右洞為 YK38+760～800，總長(zhǎng)40m。

處治段位于兩車道隧道段，二次襯砌及仰拱均已施作完畢，但仰拱被涌水破壞，拱墻二次襯砌目前基本完好。該段將采用抗水壓襯砌通過，主要處治措施為:拆除既有隧道二次襯砌、減小仰拱半徑、增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、注漿提高圍巖的抗?jié)B透能力。

具體措施為:

1）清理隧道底板圍巖，將巖溶填充物采用C15混凝土進(jìn)行換填，將貫通的溶縫采用C35混凝土進(jìn)行封堵；

2）減小仰拱半徑，增加隧道支護(hù)襯砌特別是仰拱部的承載能力；

3）對(duì)隧道圍巖進(jìn)行注漿加固止水，充分發(fā)揮圍巖的自承能力；

4）加強(qiáng)隧道支護(hù)襯砌，采用初期支護(hù)和雙層襯砌結(jié)構(gòu)；

5）加強(qiáng)隧道襯砌排水能力；

6）加強(qiáng)處治隧道段水壓及支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

處治措施施工后，對(duì)隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)表明隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，從而保證了隧道的質(zhì)量安全。

4 結(jié)論

結(jié)合隧道的工程地質(zhì)條件及水文條件，對(duì)隧道突泥涌水災(zāi)害進(jìn)行成因分析。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道自身特點(diǎn)及地質(zhì)條件，提出有針對(duì)性的隧道突泥涌水處治措施，結(jié)合施工后的監(jiān)測(cè)結(jié)果，隧道的內(nèi)部變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，從而保證了隧道的安全，為隧道的正常施工提供了保障。

[1]楊本生，趙明州，孫利輝.新型中空注漿錨桿在軟煤巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4).

[2]王明恕，等.全長(zhǎng)錨固錨桿的力學(xué)模型及其應(yīng)用[J].金屬礦山，1983(4).

[3]孫學(xué)毅.高應(yīng)力地區(qū)和軟弱圍巖地下工程砂漿錨桿[J].煤炭學(xué)報(bào)，1984(2).

[4]蒙彥，雷明堂.巖溶區(qū)隧道涌水研究現(xiàn)狀及建議[J].中國(guó)巖溶, 2003(4):5-10.