山區復雜地形深埋特長隧道涌水處治技術

1 引言

隧道穿越巖溶地區時，地質構造特征復雜，造成隧道在修建過程中極易出現涌水突泥，輕則堵塞隧道、延誤工期，重則掩埋設備、造成人員傷亡，引發重大安全生產事故。

2017 年7 月，云南省楚雄至大理段高速公路九頂山隧道修建時遇大型巖溶水腔體發生突水突泥事故，共涌水約50 000 m3，最大單日涌水量達28 000 m3， 突水突泥后堆積的黏土超過了隧道斷面面積的2/3[1]。 2019 年11 月，云南省云縣至鳳慶高速公路安石隧道發生涌水突泥事故， 最終造成12 人遇難、10 人受傷，直接經濟損失達2 525.01 萬元。

我國隧道工程的建設逐漸深入西部山區，復雜多變的地質條件給隧道修建提出了諸多難題，其中巖溶地區難以準確預測的涌水現象成了制約隧道工程建設發展的關鍵性技術難點。

為保證隧道順利貫通， 工程技術人員在施工過程中不斷總結經驗、克服隧道涌水帶來的施工難題。何振寧[2]從30 多座隧道工程的施工過程中，總結了15 種典型工程地質問題。 張付軍等[3]以FLAC 3D 為研究手段，對斷層破碎帶中隧道涌水突泥處治方法展開了研究，并研究了排水、堵水、排堵結合等處治方法對圍巖穩定性的影響。李生杰等[4]分析了烏鞘嶺隧道涌水塌方機制，并提出了針對性的施工措施。 袁水河[5]針對云南省昆明繞城高速楊林隧道特點，因地制宜采取“以堵為主、排水為輔、堵排結合”的方法對特長隧道涌水突泥事故進行處治。張明慶等[6]按工程地質特征將宜萬鐵路建設中所遇巖溶分為4 大類，并分別采用針對性措施進行了有效治理。

本文以G4216 高速寧南至攀枝花段寧會隧道為例， 對山區復雜地形深埋特長隧道涌水治理方法進行介紹， 為類似隧道工程的修建提供一定參考。

2 工程實例

2.1 隧道概況

寧會隧道為G4216 線寧南至攀枝花段高速公路的控制性工程，位于四川涼山寧南縣和會東縣交界的大火山高中山區。隧道長約10291m，進出口洞門均采用端墻式，設計速度80km/h。

隧道修建區域位于川滇“歹”字形構造隧址區主要地質由背斜、向斜和4 條斷裂帶組成，且斷裂仍在活動。 受地質構造的影響隧道軸線巖體較破碎。

2.2 水文地質條件分析

隧道K304+747~K305+500 段穿越的地層主要為志留系石門坎組，以灰白色、白色灰巖為主，微風化，上部為裂隙含水層，下部為裂隙-溶隙含水層，地下水水主要順裂隙-溶隙及層面裂隙運移補給。 結合物探資料及涌突水危險性評價，為涌水較高危險段。

2.3 原設計及施工情況

寧會隧道進口端右線K304+745~K305+430 段穿越段巖性為灰巖夾頁巖、白云巖，中-微風化狀，巖體較破碎-較完整，呈塊狀結構、薄-厚層狀構造，灰巖巖質硬，有溶隙、溶洞等蝕溶現象。本段圍巖原設計地勘資料為Ⅳ級，采用Z4b 襯砌類型，超前支護類型為C 形（單層φ42 mm×4 mm 注漿小導管）。

2.4 隧道涌水情況說明

2022 年3 月9 日下午3 時， 寧會隧道進口右洞掌子面K305+232 處進行超前鉆孔施作時，拱頂右側突然發生涌水突泥，并伴隨大量片石、塊石涌出。 據初步估算，涌水發生當日洞內涌水量約20 000 m3，涌泥量約10 000 m3，造成等掌子面處淤埋最高處達6 m，靠近仰拱處淤埋約2 m。

2.5 臨時處治措施

現場發生涌水后，在洞內采取了以下應急措施。 （1）清淤。保證人員安全的情況下對洞內進行清淤， 為后續處治工作打開通道。（2）反壓。利用堅硬的洞渣對掌子面進行反壓回填，反壓回填長度32 m。 （3）加固。 采用I18 工字鋼按1 m 間距加固掌子面后方既有初期支護。

3 巖溶探測及涌水原因分析

3.1 洞內涌水監測及分析

為了解右洞涌水規模、 并對地下水來源做初步判斷，自2022 年3 月10 日至2022 年5 月28 日對隧道內涌水量進行了監測及統計，監測成果見圖1。

圖1 隧道內涌水量監測成果圖

從監測結果可以看出，寧會隧道洞內涌水量維持在26 000 m3/d 上下，涌水量遠大于設計豐水期涌水量（見表1），并隨降雨天氣小幅波動。

表1 K304+747~K305+500 段涌水量預測表

根據監測結果分析，右洞K305+232 拱頂右側發育有一個大型溶腔通道或暗河，并通過圍巖裂隙、山體內巖溶等通道與山體內地下水相聯系，因此，造成涌水突泥后該處涌水量穩定且水量受降水影響明顯。

3.2 巖溶探測成果

采用物探、 鉆探結合的綜合探測法對寧會隧道進口右洞K305+232 前方的地質條件進行了探測分析。 其中物探法分別采用TGP 法、Geode EM3D 系統及瞬變電磁法3 種方法進行探測。 分析結果顯示，寧會隧道進口右洞K305+230~K305+420段存在一個沙漏形富水松散體，隧道在松散體中的穿越距離約190 m。 “沙漏”上半部分穿越多個巖性分界線，并與地表松散體相接，匯水面積大，推測為“沙漏”下方松散體重要的地下水來源。 “沙漏”下半部與寧會隧道右洞相交并繼續向隧道下方延伸。通過探測成果，證實了寧會隧道進口右洞K305+232 前方存在大型涌水通道的推測。

3.3 涌水突泥原因分析

綜合寧會隧道進口右洞涌水前后施工情況以及物探、鉆探成果分析，寧會隧道進口右洞K305+230~K305+420 段存在大型的富水松散體，并有溶腔發育。 掌子面超前鉆孔施工時揭穿了松散體與隧道間的巖層， 松散體內儲存的大量地下水與碎石隨即通過該通道擠破圍巖涌入隧道內部。

4 巖溶涌水處治技術

4.1 右洞既有初支加固

涌水發生后，掌子面附近既有初支出現變形、支撐能力降低。 為保證初支段結構穩定安全，現場清淤后，對K305+232~K305+226 段進行注漿加固并增設鎖腳錨管，提高圍巖結構的整體性，并控制圍巖變形。

4.2 封堵坍塌口

清理右洞掌子面塌腔后，在坍塌口安裝模板，并在模板上部預留注漿口、下部安裝管道引排腔內涌水。 采用C30 噴射混凝土分層施工封堵塌腔，封堵厚度50 cm。噴射混凝土達到強度后，由預留注漿口向腔內灌注C20 混凝土填充封堵坍塌口。

4.3 迂回左線施工

2022 年3 月18 日，沿江高速寧攀公司組織召開了涌水突泥處治方案咨詢會， 并特邀3 名專家對后續隧道施工方案進行咨詢。 與會專家建議，在右洞涌水量尚未下降的條件下，應避免右洞掌子面貿然施工，可從右洞K305+130 處增設1 個臨時橫洞迂回至隧道左洞施工。

采用導洞或相鄰線提前施工的方式， 既可以從左洞施工過程中了解地質情況的變化， 又可以利用左洞排出部分地下水，減小右洞的涌水量[7]。同時，在右洞目前無法掘進的現實條件下，通過擴展左洞的施工面，從整體上可以加快隧道的施工進度，盡可能降低此次涌水對隧道施工的不利影響。

為達到迂回左線施工的目的，從右洞K305+130 開挖臨時橫洞，臨時橫洞與隧道軸線呈60°角（見圖2）。 橫洞接入左洞時，設置臨時支護擴挖至正洞斷面。 向前施工5 m 后，反向拆除臨時支護并擴挖至正洞斷面。

圖2 迂回左線施工示意圖

擴展左線施工面后，向大里程方向繼續施工100 m，至左洞ZK305+250 處后，視左洞涌水情況及開挖圍巖條件再開挖右洞。

4.4 監控量測

右洞K305+220~K305+232 段原設計為Ⅳ級圍巖，原施工參數為Z4b。 涌水突泥前，該段監控量測測點按照Ⅳ級圍巖布置，監測斷面間距10 m。 在后期施工過程中，監控量測測點按照Ⅴ級圍巖布置，斷面間距縮小為5 m。 K305+220~K305+240段可增設2 個拱頂下沉觀測點； 周邊位移監測測線與施工工法相匹配，臺階法施工時每級臺階布置1 條水平測線。

4.5 超前地質預報

加強右洞施工過程中掌子面前方圍巖條件的探測工作。

鑒于隧道掌子面前方圍巖情況復雜， 地下水分布也會受施工影響出現變化，在施工過程中綜合采用地質雷達、瞬變電磁儀、TGP 與超前地質鉆等探測手段相結合的綜合預報法，不斷明確圍巖條件，以隨時調整支護參數。

5 結語

寧會隧道右洞突遇巖溶涌水后，利用物探、鉆探等方法探明了前方松散體的位置與規模。 同時通過長時間的涌水量監測，明確了降雨與涌水的關系，進一步明確松散體內的地下水來源。 根據探測成果，制訂了后期施工計劃，減小巖溶涌水對隧道施工的影響。

1） 寧會隧道進口右洞K305+232 拱頂右側發育有一個大型溶腔通道或暗河，通過物探、鉆探方法證實為一與地面聯通的大型富水松散體。

2）松散體匯水面積廣泛，且受地表降水影響明顯，導致隧道內涌水量穩定，且降雨時涌水量有明顯增加。