風化花崗混合巖富水段隧道突泥涌水災害研究

胡 強 劉 韜

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

云南省區域面積較大，地質、水文條件復雜，其中臨滄市地區花崗巖、花崗混合巖分布廣泛，其存在著風化程度高、差異風化明顯、節理裂隙發育等特性，加之該地區雨季降水量充沛，隧道施工難度相對較大。受開挖擾動、地下水浸泡等多方面因素的作用，隧道施工過程中常發生局部塌方、冒頂、初期支護變形等施工病害[1-3]，若相關段落處于富水狀態，則存在著突泥涌水的風險[4]。突泥涌水發生迅猛，破壞性極大，對施工人員安全、支護結構穩定，以及設備財產都構成了極大的威脅。

目前，針對風化花崗巖地層隧道突泥涌水災害的研究已經開展了較多的工作。祝俊等[5]總結廣西均昌隧道施工過程中發生的突水突泥災害的處治實踐經驗，系統研究了富水全強風化花崗巖隧道突水突泥災害機制及帷幕注漿技術；袁敬強等[6]結合廣西山心隧道施工過程中出現的災害，通過總結現場災害處治經驗及室內試驗等手段，對全強風化花崗巖隧道突水災害機制、特征及防治措施進行了系統研究；陳佳正[7]以楚大高速九頂山隧道為工程依托，對隧道涌水突泥段采用多種物探手段進行融合分析，總結歸納結構突水涌泥災變機理；郝勇[8]以福建省龍津溪引水隧洞工程為研究對象，采用多種研究方式，綜合分析了花崗巖斷層帶的物理力學特性、水理化特性及隧洞涌水突泥的原因。

可以看出，現階段針對風化花崗巖地層隧道突泥涌水災害的研究已有一些成果，但具體到花崗混合巖的研究則相對缺乏。花崗混合巖是指通過混合巖化過程形成的由角閃巖相或麻粒巖相變質巖基體與花崗質脈體組合形成的混合巖，其具有介于變質巖和巖漿巖之間的巖石特性。與正常巖漿成因的花崗巖相比，花崗混合巖的成巖過程與礦物組成更為復雜，且具有巖性不均勻，結構變化大等特點。針對上述情況，本文結合本項目隧道風化花崗混合巖富水段的圍巖特性，在對突泥涌水災害成因及發展過程進行深入分析的基礎上，提出“半斷面帷幕注漿+超前管棚”的災害處治方案。

1 工程概況

云南省臨滄市某隧道地處云貴高原之西南邊緣，橫斷山脈南段，為怒江和瀾滄江河間地塊，地勢總體上北高南低，高差起伏大。隧道場區位于滇西經向構造帶(即三江經向構造帶)，地質構造復雜，位于瀾滄江斷裂-南汀河斷裂之間區域。場區下伏基巖為元古界(Pt)花崗混合巖、三疊系侵入(γ51)花崗巖。受區域構造影響，場區巖體節理發育，巖體極破碎，施工過程中塌方、冒頂、突泥涌水、初期支護變形侵限等事故頻發，施工難度較大。

該隧道為分離式特長隧道，左幅隧道起訖樁號為ZK11+090-ZK16+290，全長5 200 m，最大埋深約291 m，右幅隧道起訖樁號為YK11+073-YK16+320，全長5 247 m，最大埋深約297 m。上、下行線隧道總長10 447 m，是該高速公路項目的控制線工程。

2 災害概況及成因分析

2.1 突泥涌水概況

該隧道進口端圍巖為花崗混合巖，長石、云母含量高，隱晶質-細晶結構，巖質較軟，巖體較破碎。2020年7月2日19：35，當掌子面開挖至ZK11+866時，掌子面拱部突然出現小股狀出水，并引發隧道拱部塌方，形成環向長約8 m，縱向約3 m的塌口。五方代表當即確定先用洞渣回填掌子面，以防止塌方規模繼續擴大，并施作不少于3個排水孔引排地下水。期間，地下水沿節理滲出，將節理裂隙內砂礫掏蝕，拱部塌口處掉塊現象持續發展，導致臨空面進一步增大，進而于2020年7月3日04:28分發生突泥涌水災害，坍塌涌出物約1 500 m3，基本淹沒ZK11+817-ZK11+866上半斷面，現場具體情況見圖1。2020年7月3日09:15時，在ZK11+870左右隧道正上方地表發現一個直徑約15 m、深度約10 m的漏斗形塌坑。該位置隧道埋深約110 m。

圖1 隧道突泥涌水后現場情況

經現場勘查發現，本次突泥涌水災害導致ZK11+854-ZK11+866已施工初期支護出現不同程度的開裂變形，其中ZK11+860-ZK11+866段已變形侵限，ZK11+854-ZK11+860段初期支護尚未侵入限界，整體結構尚處于相對穩定狀態。

2.2 突水涌泥成因分析

結合該隧道的地質、水文條件，對此次突泥涌水災害進行分析，認為發生事故的原因包括如下幾個方面：

1) 季節性降水。臨滄市屬于西南季風區，其氣候的特點之一是全年降雨量極不均勻，其雨季(6-8月份)的降雨量占全年降雨量的55.5%，其中又以7月份前后的降雨最為集中。本次災害發生的前一段時間，臨滄地區持續暴雨，隧道場區范圍水量劇增。

2) 溝谷匯水地形。隧道ZK11+600-ZK12+100段整體位于地表溝谷內，且植被相當茂盛。區域范圍內的地表水向溝谷內匯集，并通過花崗混合巖的節理裂隙向下滲透，源源不斷地補給地下水，導致該段隧道圍巖整體處于富水狀態。隧道的掘進開挖，給飽水狀態的圍巖提供了一個排泄地下水的通道。大量地下水通過巖體節理裂隙向隧道開挖掌子面位置匯集，進而導致施工過程中掌子面附近區域出現股狀出水或淋雨狀出水現象。

該隧道為下坡隧道，隧道內的積水無法自行流出，施工過程需進行反坡排水作業。分析施工單位統計的反坡排水數據，可發現隧道內出水量受大氣降水影響明顯。反坡排水量統計數據見表1。

表1 反坡排水量統計表

3) 圍巖差異風化及水穩性差。隧道開挖過程中揭示圍巖為灰褐色強、中風化花崗混合巖，局部含全風化夾層。其中，隧道拱部以全、強風化花崗混合巖為主，長石、云母含量高，巖質極軟，隱晶質-細晶結構，結合差，呈松散碎裂結構，圍巖自穩能力差，支護不及時易產生坍塌。中風化巖塊則集中出現在隧道中下部，其節理裂隙發育，呈張開狀，內充填大量長石風化產物及沙土。隧道進口段高密度電法勘探地層剖面圖見圖2。

圖2 高密度電法勘探地層剖面圖

全風化巖體、花崗巖殘積土遇水易軟化、崩解，受地下水動力及擾動影響，可能產生流土、管涌現象[9]。風化花崗混合巖節理裂隙間的填充物在地下水的長期浸泡下也容易軟化，圍巖自穩能力極差，支護不及時極易坍塌。總體而言，隧道圍巖的水穩性差，遇水后圍巖自穩能力下降明顯。

4) 拱部塌方持續發展。隧道拱部發生塌方后，雖然立即確定了用洞渣對掌子面進行反壓回填，并增設排水孔對掌子面前方地下水進行引排的處治方案，但因圍巖處于極不穩定狀態，施工安全隱患大，施工人員不能接近掌子面組織應急施工，致使隧道拱部塌口未能完全封堵，給圍巖的持續坍塌留下空間。從2020年7月2日19：35-3日04：28整個時間段內，隧道拱部掉塊現象持續發展。

隨著塌腔范圍的不斷擴大，地下水的平衡狀態被打破，基巖裂隙水通過塌方形成的導水通道向隧道內匯集，并不斷掏蝕巖體節理裂隙內的填充物，進而導致更多的巖體失穩崩塌。如此惡性循環，塌腔不斷發展并揭露圍巖深部的囊狀富水帶，進而最終導致突泥涌水現象發生。

3 綜合處治方案研究

本次事故造成了地表塌坑、掌子面突泥涌水及初期支護開裂變形三方面病害，對應處治方案應綜合全局，在充分考慮潛在風險的前提下，分輕重緩解，有序開展相關病害處治施工。

1) 地表塌坑處治。隧道地表坍塌范圍進行安全警戒、警示防護，周邊設臨時排水溝，塌坑采用彩條布遮蓋，以避免地表水流入塌坑產生二次坍塌。待該段二襯施作完成后，利用黏土回填塌坑至距地表0.5 m高度，其后用根植土回填塌坑至地表面。

2) 洞內排水、清淤。在右洞YK11+850(2號人行橫洞)處往左施作不少于5個排水降壓孔，如水較大按實際情況增設。其后，在保證安全的前提下，從ZK11+817初期支護背后向前方斜向打設排水孔對地下水進行進一步引排，孔徑108 mm、深30 m。

待左洞基本無滲水情況下，從ZK11+817附近往掌子面方向按1∶5坡比逐漸清理洞內涌泥，直到清除涌泥至ZK11+860附近。其后，用袋裝土石回填封閉掌子面，并在ZK11+858-ZK11+860段施作2 m厚的止漿墻。突水涌泥災害處治方案見圖3。

圖3 突泥涌水災害處治方案圖

3) 洞內初期支護加固。對ZK11+854-ZK11+858初期支護開裂變形段增設I20a工字鋼，間距60 cm/道臨時環向支撐。其后，對拱部180°范圍增設長4 m×直徑42 mm×壁厚 4 mm注漿小導管進行徑向注漿加固，按間距60 cm×60 cm 梅花形布置。

4) 帷幕注漿及管棚施工。對ZK11+860-ZK11+880段進行上半斷面帷幕注漿，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，雙液漿配比參數為:體積比C∶S=1∶(0.6～1.0)，水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模數2.6～2.8，水玻璃濃度39波美度；注漿壓力值為初壓0.5～1 MPa，終壓3～5 MPa。其后，在ZK11+860左右拱頂120°范圍內進一步增設長25 m×直徑108 mm×壁厚6 mm大管棚進行二次補注漿加固，管棚環向間距40 cm，每循環共計35根，管棚內設置由4根直徑22 mm鋼筋制作成鋼筋籠。帷幕注漿施工情況見圖4。

圖4 帷幕注漿施工現場情況

5) 破墻進行開挖施工。ZK11+860-ZK11+880段采用三臺階預留核心土法進行開挖，并將該段支護參數調整如下：初期支護鋼拱架調整為I22a，間距60 cm；C25噴射混彈簧土厚29 cm；徑向錨桿調整為直徑42 mm×壁厚4 mm注漿鋼花管，L=4 m，間距100 cm×60 cm，梅花形布置；工字鋼AB、BC單元接頭位置增設1根長6.0 m×直徑89 mm×壁厚6 mm的鎖腳，每榀共增設4根，鎖腳與工字鋼采用鋼板錨固連接；二次襯砌采用60 cm厚的C30防水鋼筋混凝土結構，其環向主筋采用直徑22 mm鋼筋，間距200 mm，縱向筋采用直徑16 mm鋼筋，間距200 mm，箍筋采用直徑8 mm鋼筋。具體支護參數見圖5。

圖5 隧道支護參數斷面圖(尺寸單位：cm)

4 處治效果

4.1 注漿效果分析

該段圍巖注漿采用先上半斷面帷幕注漿，其后增設超前大管棚進行二次補注漿，注漿的終止壓力控制在3～5 MPa。在漿液凝固并形成強度后，破除止漿墻進行隧道開挖。觀察發現，巖層中漿液的分布并不均勻，其以劈裂或擠密的擴散形式集中出現在巖體相對薄弱松散的區域，形成塊狀或條帶狀的注漿加固體。掌子面注漿效果見圖6。

圖6 注漿加固后開挖掌子面情況

上述注漿效果雖未達到理想的狀態，但注漿加固體可有效壓實擠密圍巖，減少圍巖內部的間隙，可在一定程度上提高巖體的整體強度，并有效降低了圍巖的滲透性[10]。實際開挖過程中，掌子面的自穩能力顯著提高，且圍巖出水情況得到顯著改善，基本無明顯的股狀出水現象。

4.2 監控量測分析

隧道施工通過后，通過監控量測數據分析初期支護的受力變形情況，ZK11+870斷面的監測數據情況見圖7。

圖7 初期支護收斂變形曲線圖

由圖7可知，ZK11+870斷面的拱頂下沉量最大達103 mm，周邊收斂極值為78 mm，拱腳下沉累計值為35 mm，初期支護變形量小于預留變形量，且變形在可接受時間范圍內趨于穩定，故而判斷初期支護結構安全可靠，可進行后續作業的施工。

5 結論

在對風化花崗混合巖富水段隧道施工突泥涌水的成因進行分析的基礎上，提出了相應的處治方案，并通過后期開挖及監測數據進行驗證分析，主要結論如下。

1) 雨季集中降水、地表匯水地形、風化花崗混合巖差異風化嚴重及其水穩性差是誘發突泥涌水災害的環境因素，隧道拱部持續掉塊是導致本次突泥涌水災害的直接原因。

2) 花崗巖地區水文、地質條件復雜、隧道施工過程中發生突泥涌水的風險較高，且突泥涌水災害一旦發展，應急處治施工難以開展，實際施工要 “防范于未然”，要切實做好圍巖超前探測工作，采用多種探測手段相互印證，提前預判掌子面前方圍巖情況及富水情況。對富水軟弱圍巖段應設置不少于3個超前探孔探測掌子面前方圍巖，必要時還應在洞徑周邊一定范圍內進行斜向鉆探，以覆蓋隧道未開挖區域的頂部、左側及右側。

3) 突泥涌水災害的發生對生命、財產的威脅極大，并極可能引發塌方冒頂、初期支護開裂變形等一系列伴生災害，處治方案應統籌全局，在充分考慮潛在安全風險的前提下，分輕重緩急，井然有序地開展相關病害的處治施工。

4) 風化花崗混合巖富水段的突泥涌水病害處治應遵循“排堵結合、綜合治理”的原則，前期應以排為主，通過增設排水孔引排淤堵的地下水，減小圍巖背后的水壓力；后期則以堵為主，通過注漿手段提高圍巖的自穩能力，以確保施工作業安全。

5) 風化花崗混合巖地層主要以劈裂、擠密注漿為主，漿液擴散不均勻，注漿過程中應適當加大注漿壓力，并可考慮多次補注漿施工，以提高圍巖的整體注漿效果。