埡口隧道突水突泥災害綜合處治技術

文園林

(中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610031)

隨著西部大開發和國家發展戰略的需要，愈來愈多的隧道將穿越復雜地層，突水突泥災害亦日趨嚴重。突水突泥將給施工帶來極大的風險和挑戰，嚴重影響施工人員和設備的安全。

目前國內外學者對突水突泥災害的研究主要集中于災變機制的分析[1-2]和臨界安全厚度判定等[3-4]。此外許芳等[5]基于改進FTA-AHP法對隧道的涌水事故進行評價并得到了影響涌水的主要因素。黃興鵲等[6]通過超前地質預報手段對突水突泥進行預測并有效提高了施工的安全性。鮑教賀[7]通過排水、地質預報和大管棚施工等手段對工程的突水突泥災害進行控制，有效保證了施工安全。

綜上所述，目前國內外學者對突水突泥災害已有一定的研究，但是已有的研究主要集中于安全厚度和災變機理的分析，涉及到的控制技術不夠全面。本文依托實際工程采用現場踏勘、超前地質預報和現場綜合控制技術相結合的突水突泥災害控制方法，工程效果良好，對類似工程的施工具有一定的指導作用。

1 工程概況

成昆鐵路埡口隧道進口端前接埡口中橋，位于米易縣丙谷鎮雷窩村附近，出口端路基過渡接白沙溝大橋，位于米易縣埡口鎮白沙溝附近。隧道起止里程為D2K540+220-D2K552+674，全長12 454 m。掌子面施工至D2K551+774處，揭示主要為灰黑色炭質頁巖，右側有多處股狀流水，地下水較發育。隧道開挖斷面高度12.3 m，寬度13.32 m。隧道埋深218 m，臺階法施工，采用Ⅲa型復合襯砌，拱部掛網噴錨。

隧地區地表水總體不發育，多以季節性溝水為主，多分布于五馬箐溝、回箐溝及白沙溝等地，水量隨季節性變化較大，溝水旱季水流較小，雨季流量驟增。受大氣降水補給，以蒸發、下滲及地表徑流等形式排泄。地下水主要為基巖裂隙水、斷層帶水及巖溶水，多以滲流形式由隧道左側向隧道右側安寧河河谷低洼地帶排泄，主要受大氣降水和地表水補給。

2 突水突泥概況

2017年8月26日晚20點，埡口隧道出口正在組織D2K551+774處中管棚作業平臺平整挖機作業，掌子面右側涌水突然增大，持續時間約30 min，方量約180～230 m3。伴隨著碎塊狀炭質頁巖夾淤泥涌出，涌水引起掌子面右側拱部圍巖及初支失穩，造成局部坍塌。施工單位、監理單位共同測試日涌水量約13 600 m3，流出地下水呈灰黑色渾濁狀。

2017年8月28日上午掌子面持續出現坍塌，已施工完成的D2K551+774-777段3榀初期支護被砸垮，涌水方量約150 m3，夾雜深灰、灰黑色碎石及角礫土狀巖體。掌子面突水如圖1所示。

本次突水突泥造成已施工3榀鋼架被砸壞，掌子面處大管棚整體下沉彎曲破壞，掌子面后方D2K551+777-+790段13 m的初支噴射混凝土面出現變形及裂紋。

3 原因分析

2017年9月13日對地表進行調查，掌子面位置距離兩條沖溝交匯處約70 m，兩條沖溝交匯處有大量碎塊石，溝谷內主要為原高速公路棄碴，溝槽內無水，未發現掌子面位置附近山體有陷坑。炸藥庫左側溝谷施作的水溝在降雨期間無水，推測地表水全部滲入隧道內。

現場踏勘結果表明涌水來源為近期強降雨導致地表水下滲，同時地表原高速公路棄碴場將地表水匯集，通過擠壓破碎帶流入洞內，從而導致掌子面失穩。掌子面與地表沖溝位置如圖2所示。

圖1 掌子面突水 圖2 掌子面與地表沖溝位置

4 突水突泥控制技術

4.1 超前地質預報

隧道突水突泥災害易影響工程進度，甚至威脅生命財產安全。為有效探測突水突泥段前方地質和水文條件以保證施工措施的有效性，本工程采用綜合地質預報方法對圍巖的地質和水文條件進行探測。

4.1.1 地震波反射法

預報結果表明該整段范圍內縱、橫波速度均大幅下降，密度減小，存在多個反射面，推測該范圍內地質情況巖體破碎，節理裂隙發育，地下水豐富。超前地質預報結果如圖3所示。

圖3 地震波反射法超前地質預報

4.1.2 紅外探水

隧道整體紅外探測數據趨勢較平穩，其中D2K551+830-+810范圍內溫度稍高，D2K551+810-+785范圍內各測線均無明顯變化，里程D2K551+780處五條測線均存在溫度下降趨勢。結合里程段D2K551+830-+780范圍內當前水量情況，推斷掌子面前方存在含水構造。探測結果如圖4所示。

圖4 紅外探水超前地質預報

4.1.3 加深炮眼

加深炮眼孔內有股狀水流出，揭示地下水發育，未見空腔及溶腔。

4.1.4 超前地質水平鉆

在可能發生涌水段落采用超前地質水平鉆施作3個探孔，超前探測長度不小于30 m，搭接長度不小于5 m，作為止水盤并開始下一循環探水，其中不少于1孔進行取芯驗證。現場鉆芯取樣如圖5所示。

圖5 現場鉆取芯樣

綜合地質預報結果表明掌子面前方圍巖節理發育，存在含水構造，地下水豐富，未見空腔及溶腔。

4.2 第一階段控制技術

基于超前地質預報可知，掌子面前方圍巖性質差，含水量大，施工風險高。為保證施工安全性，本工程采用兩階段施工。首先對掌子面及掌子面前方圍巖進行加固，為后續病害整治提供基礎。待掌子面支護強度達到設計要求后進行第二階段掌子面后方圍巖加固施工。

第一階段的施工流程如下：掌子面坍塌體平整→掌子面鋼架及后方加固→止漿墻施作→大管棚施工并注漿→止漿墻破除。

(1)對掌子面坍塌體進行平整，施作C35砼止漿墻，厚度2.0 m，高度依據現場實際情況確定，保證管棚鉆機有足夠的操作空間。為保證止漿墻基礎穩定，對坍塌體與止漿墻基礎間打設Φ42 mm鋼花管1排，同時止漿墻模板加固需采用I20b型鋼支撐加固，防止傾覆。掌子面止漿墻如圖6所示。

圖6 掌子面止漿墻 圖7 側壁洞室排水過程(單位：cm) 圖8 套拱施作及管棚注漿

(2)止漿墻澆筑前預埋?300 mm鋼管進行集中引排水處理，依據現場實際情況同時埋設砼泵送管2～3根，高度相差1～2 m，為下一步空腔回填及吹砂做好準備。同時依據現場實際情況在掌子面拱部及右側預埋主排水管，后期掌子面通過該段后，在D2K551+781處側壁開設洞室，在洞室內設集水井，將排水管引入集水井，并在洞室內通過前方鉆孔對拱部右側進行截水，將水引入集水井，通過集水井埋管，將水直接引入中心水溝，以保證后期運營安全。排水過程如圖7所示。

(3)對掌子面后方D2K551+781-D2K551+828段47 m采用周邊徑向注漿加固，采用Φ42 mm鋼花管，長度5 m/根，間距1.5 m×2.0 m(環向×縱向)，梅花型布置，壓注1∶1水泥漿，注漿壓力0.6～1.2 MPa，注漿壓力可依據現場實際情況適當調整。

(4)對掌子面后方D2K551+781-D2K551+797段16 m上臺階范圍采用I18套拱加固，間距1.0 m/榀，拱腳采用雙排Φ42 mm鎖腳錨管，每根長4.5 m，鋼架與初支間空隙采用三角木楔間隔2.0 m楔緊，保證套拱受力。套拱施作及管棚注漿如圖8所示。

(5)掌子面后方加固及止漿墻施工完成后，止漿墻D2K551+781處開始施工洞內護拱，采用I18輕型工字鋼2榀，間距0.5 m。

(6)管棚注漿加固完成后，采用破碎錘開挖止漿墻，局部機械破除困難時可采用少量炸藥控制爆破，配合風鎬人工鑿除，防止爆破振動引發局部失穩造成再次突泥。

(7)D2K551+774-781段換拱施工：現場依據測量斷面檢查結果，對侵限段上臺階初支鋼架逐榀進行拆換，按照Ⅴd型復合式襯砌。噴射混凝土27 cm，全環HW175型鋼，間距0.5 m，采用?108 mm大管棚套打?42 mm雙層小導管，拱腳采用雙排?42 mm鎖腳錨管，二襯厚度70 cm。

4.3 第二階段控制技術

暫停掌子面施工，第二階段施工順序如下：套襯支護→仰拱跟進→徑向注漿→二襯→侵限段換拱。

(1)套襯支護施作：對D2K551+797-+767突水坍塌影響段30 m拱墻范圍內施作套襯加強支護。原鋼架、套襯拱、墻腳位置均采用?42 mm雙排鎖腳錨管加固，每根長4.5 m，采用U型筋與鋼拱架焊接牢固。

(2)仰拱跟進施作：套襯施工完成后盡快跟進仰拱，對D2K551+795-+777段初期支護按Vd型襯砌仰拱封閉成環，開挖一榀封閉成環一榀，仰拱鋼架采用HW175型鋼，0.6 m/榀。每封閉成環3 m仰拱施作一板仰拱二襯及填充。

(3)徑向注漿施作：對D2K551+797-+764富水破碎段33 m拱墻范圍內進行徑向注漿，采用?42 mm鋼花管，長度5 m/根，間距1.5 m×2.0 m(環向×縱向)，梅花型布置。為保證注漿飽滿密實，對初期支護背后部分塌腔在初期支護達到強度后及時采用泵送混凝土回填。

(4)二襯施作：D2K551+830-+805段25 m原設計為Ⅲa型襯砌，襯砌厚度不變，按IVc型襯砌進行配筋補強，加密環向盲管，1 m/道。預留+820-+810段10 m作為截水廊道施工位置。

(5)侵限段拆換：待D2K551+770-+758段二襯施作穩定后，對D2K551 +795-+770段25 m范圍內侵限單元進行逐榀換拱，對D2K551+770-+767段3 m增設套拱拆除即可，拆換前用洞碴回填至上臺階高度，每次只能拆換一榀，拆換施工嚴禁放炮，拆換時加強監控量測并嚴格施作拱墻系統錨桿。

現場應用結果表明，本工程采取的超前地質預報結合兩階段施工的綜合控制技術能夠保證施工安全。

5 結束語

本文通過現場踏勘、超前地質預報和現場驗證等手段對成昆鐵路埡口隧道的突水突泥災害進行控制。強降雨通過擠壓破碎帶流入洞內是隧道失穩的主要原因，采用超前地質預報結合兩階段施工的綜合控制技術能夠有效保證現場施工的安全。實際施工過程中應注意對掌子面前方未施工段和已施工段采取支護加強的手段并保證施工質量以確保后續開挖的穩定性。該施工方案已應用于成昆鐵路埡口隧道，取得了良好的應用效果。