花椒坡隧道斷層破碎帶突泥涌水處治技術(shù)

　　摘要：隧道穿越斷層破碎帶施工過程中，突泥涌水是常見的施工難題之一，其具有影響范圍廣、技術(shù)難度大、處置周期長、安全風(fēng)險高等特點，如不能采取合理可靠的措施，極易造成工期延誤，甚至導(dǎo)致財產(chǎn)損失、人員傷亡等難以承受的后果。文章以麗香鐵路花椒坡隧道穿越花椒坡2#斷層時發(fā)生的突泥涌水為背景，通過采取設(shè)置混凝土止?jié){墻、突涌體注漿加固、突涌擾動段圍巖徑向加固、洞內(nèi)超前管棚、擾動段加固、綜合超前地質(zhì)預(yù)報等多重措施，實現(xiàn)了隧道安全施工、確保了總體工期要求，為今后類似工程提供參考借鑒。

　　關(guān)鍵詞：隧道工程;突泥涌水;多重措施;安全施工

　　0前言

　　隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，云南省鐵路建設(shè)也得到了快速發(fā)展，由于地處我國大陸現(xiàn)今地殼構(gòu)造運動最為強(qiáng)烈的地區(qū)，區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中斷層段突泥涌水是常見的問題之一[1]。突泥涌水以其影響范圍廣、技術(shù)難度大、處置周期長、安全風(fēng)險高等特點，成為困擾建設(shè)者的重大難題之一。

　　突涌發(fā)生后，不僅造成突涌體在隧道內(nèi)堆積達(dá)幾十至幾百米，還會導(dǎo)致已完成的初期支護(hù)和二次襯砌遭到破壞，一般需采取一環(huán)或多環(huán)掌子面超前帷幕注漿[2]、隧道徑向注漿以及超前大管棚等多重措施方可實現(xiàn)安全施工，處理周期短則月余，長則甚至超過半年時間，造成嚴(yán)重的工期延誤[3]。如處理措施制定不合理，還會造成重大的財產(chǎn)損失與人員傷亡，對項目和個人造成難以承受的嚴(yán)重后果。因此，采取合理可靠的安全技術(shù)措施，是處理突泥涌水過程中的重中之重。

　　1工程概況

　　新建麗江至香格里拉鐵路是我國中長期鐵路規(guī)劃中滇藏鐵路的重要組成部分，為時速120km國鐵I級單線電氣化鐵路。線路位于云南省西北部，歐亞板塊和印度洋板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇菱形斷塊的西部邊界斷裂帶(金沙江—中甸斷裂帶)內(nèi)，屬我國著名的南北向地震帶南段之滇西地震帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運動強(qiáng)烈。

　　花椒坡隧道位于花椒坡站～萬拉木站區(qū)間,起訖里程D1K76+435～D1K83+965，全長7530m，全隧共發(fā)育有花椒坡1#斷層、冷都斷層、花椒坡2#斷層以及沖江河逆斷裂等多處不良地質(zhì)，屬Ⅰ級高風(fēng)險隧道。其中花椒坡2#斷層及其影響帶里程為D1K78+865～D1K79+000，長135m，斷層角礫系炭質(zhì)板巖、灰?guī)r受擠壓破碎而成，巖質(zhì)軟硬不均，多呈角礫狀或碎塊狀，受斷層影響，擠壓揉皺發(fā)育、板巖變形嚴(yán)重，完整性差，沿斷層破碎帶有泉眼分布，工程地質(zhì)條件極差。

　　2突泥涌水過程及其原因分析

　　2.1突泥涌水過程

　　2020年5月14日，花椒坡隧道突涌水險情出現(xiàn)前掌子面里程D1K78+933、仰拱里程D1K78+913、二襯里程D1K78+904。早6時突涌發(fā)生前，掌子面線路左、右兩側(cè)邊墻出現(xiàn)開裂，拱頂局部有掉塊現(xiàn)象，鋼架A、B單元連接板處拱架出現(xiàn)扭曲，B、C單元鋼架接頭部位崩開錯位嚴(yán)重，鋼架有明顯的內(nèi)折情況，左側(cè)最大水平累計收斂達(dá)950mm，掌子面出水量約25m3/min～30m3/min，夾雜有大量泥沙�，F(xiàn)場立即停止施工并撤離人員、機(jī)械，隧道內(nèi)監(jiān)控視頻顯示，早 7時許掌子面左側(cè)起拱線位置水量進(jìn)一步加大，發(fā)生突涌，夾雜有大量深灰黑色炭質(zhì)板巖碎片,多為斷層泥。至5月16日，掌子面突涌基本停止，經(jīng)現(xiàn)場初步估計，突涌體平均厚度約3.5m，長度約300m，突涌體約5250m3。

　　突涌穩(wěn)定后開始清理洞內(nèi)淤泥，至6月1日上午9時許，洞內(nèi)淤泥已清理至D1K78+904處，此時掌子面水量再次加大，進(jìn)而發(fā)生第二次突涌，水與泥砂混合物量約為80L/s～166L/s，涌出體呈半流動體狀態(tài)，水質(zhì)呈黑色并伴有大量細(xì)顆粒及泥土，粒徑多為5mm～20mm，大于20mm顆粒約占10%，顆粒較均勻;D1K78+904～+933段已基本被涌突物封堵，拱頂約有1m高空隙;洞內(nèi)涌突物有向外繼續(xù)滑動趨勢，涌突物呈深灰色炭質(zhì)板巖碎片及顆粒狀，大多為斷層泥及斷層角礫混合體。

　　2.2突泥涌水原因分析

　�、僭摱嗡淼牢挥诨ń菲�2#斷層核心區(qū)，地層巖性為板巖夾炭質(zhì)板巖，巖體破碎～極破碎。受斷層影響，巖體擠壓變形強(qiáng)烈，產(chǎn)狀紊亂，層間結(jié)合差，并夾有多層軟弱夾層，圍巖遇水極易軟化崩解。②該段隧道距線路右側(cè)水電站平面距離最近約700m，隧道標(biāo)高低于水電站水位約100m，花椒坡2#斷層穿越該段隧道及線路右側(cè)水電站，此段隧道鄰近斷層分界面，界面水較為發(fā)育。

　�、郛�(dāng)?shù)匾堰M(jìn)入季節(jié)性降雨期，降水量大，對隧道內(nèi)地下水補給作用強(qiáng)，為突涌發(fā)生提供了必要條件。④隧道開挖打破了原始的應(yīng)力平衡和地下水的穩(wěn)定，圍巖的蠕變松動，地下水向自由面滲透，圍巖飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度降低，自承載力急劇下降，初期支護(hù)受到的圍巖壓力增大，破壞嚴(yán)重。

　　3突泥涌水處治技術(shù)

　　由于突涌體涌出距離長且二襯至掌子面段已基本完全堵塞，無法準(zhǔn)確判斷前方具體情況，因此處理方案按照“以排為主、排堵結(jié)合、超前加固、措施加強(qiáng)、確保安全”的原則[4]，根據(jù)現(xiàn)場情況分階段制定處理措施。施工前應(yīng)做好突涌的風(fēng)險識別與評估[5]，整個處理過程中派專職安全員和技術(shù)員全程旁站，隨時觀察突涌體穩(wěn)定性、出水量和水壓的變化情況以及水質(zhì)情況，出現(xiàn)突涌體滑動、出水量增加或水壓增大、水質(zhì)變渾濁等異常情況時，所有人員應(yīng)立即停止施工并撤離至隧道外，確保人員安全。

　　3.1第一階段處理措施

　　暫停隧道內(nèi)所有工序施工，撤離人員和施工機(jī)械設(shè)備，洞口設(shè)置隔離圍擋，防止人員誤入。安排專職技術(shù)人員在隧道口處定時測量隧道出水量，以便為后續(xù)施工提供依據(jù)，待出水量明顯降低后(小于40L/s)進(jìn)行第二階段處理。

　　3.2第二階段處理措施

　　清理隧道內(nèi)淤泥[6]至二襯端頭前方約2m(D1K78+906)處，預(yù)留出D1K78+904～+906段止?jié){墻位置。采用透水性良好、遇水不軟化的硬質(zhì)塊石對突涌體進(jìn)行反壓回填，反壓體坡度以1:1.5～1：2為宜，表面噴10cm厚C25混凝土封閉[7]，防止突涌體坍塌，噴射混凝土表面按1.0m間距，梅花形交錯布置預(yù)留Φ150mm泄水孔，以便地下水排出。突涌體坡腳采用砂袋反壓，防止突涌體滑移導(dǎo)致再次突涌。二襯端頭前方突涌體如圖4所示。待突涌體穩(wěn)固后，采用C6鉆機(jī)在突涌體面起拱線位置施作3個超前水平鉆孔，角度10°向上，長度50m，及時引排掌子面拱頂積水，防止再次突涌。

　　3.3第三階段處理措施

　　在D1K78+904～+906段施作2m厚的C20混凝土止?jié){墻[8]，初支拱墻部位和仰拱填充面植筋加固，間距30cm并按梅花形交錯布置，植筋采用φ22螺紋鋼，每根長80cm，植入初支、仰拱填充50cm，另外30cm深入混凝土止?jié){墻。整個止?jié){墻與已施工的二襯端頭間通過強(qiáng)化植筋和施工縫處理，使其連接為整體，提高止?jié){墻的承載能力，避免前方淤泥遇水滑移導(dǎo)致再次突涌，并為施工人員提供安全保障。在止?jié){墻上部預(yù)留高度0.3m～0.5m觀察孔，墻身預(yù)留不少于8個Φ150mm泄水孔，上方布置3個，下方布置5個，及時引排前方淤泥積水，遇個別泄水孔不出水時，增設(shè)新泄水孔。

　　止?jié){墻情況如圖5所示。止?jié){墻上打設(shè)φ76mm自進(jìn)式水平超前注漿管(壁厚5mm)，注漿管出水時留作泄水孔，并適當(dāng)調(diào)整位置重新鉆孔。注漿管長40m/根，間距1.0m×1.0m，梅花形交錯布置，共計布設(shè)32根超前注漿管，在注漿管前端D1K78+914～+944段30m范圍內(nèi)留設(shè)溢漿孔，溢漿孔間距20cm×20cm，孔徑控制在10mm～15mm為宜。注漿管施工完成后，采用后退式注漿法[9]，將D1K78+914～+944段注漿形成30m厚的止?jié){巖盤。注漿液采用純水泥漿，水灰比控制在0.4～0.5:1之間，注漿壓力控制在1.5MPa～2.0MPa。為了增加水泥漿和易性，在滿足水泥水化凝結(jié)用水的前提下，可采用添加約5‰減水劑的方法降低水的用量。

　　3.4第四階段處理措施

　　待注漿完成后靜置3d～5d，采用鉆探法取巖芯，確定前方突涌體注漿效果，達(dá)到預(yù)期效果后，從拱頂向下將止?jié){墻上部拆除，止?jié){墻下部預(yù)留3m暫不拆除，作為突涌體的護(hù)腳墻。利用已拋填的塊石作為作業(yè)平臺，逐榀開挖D1K78+904～+918段淤泥體，開挖后邊墻采用Φ42mm小導(dǎo)管徑向注漿加固，管長4.5m/根，間距1.0m(環(huán))×1.0m(縱)并呈梅花形交錯布置，注漿水灰比0.5:1，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa。

　　待突涌體開挖至D1K78+918時暫停掘進(jìn)，預(yù)留15m加固后的突涌體作為止?jié){巖盤[10]，拱部施作一環(huán)φ108mm(壁厚8mm)大管棚[11]，由于淤泥段成孔困難，現(xiàn)場采用跟管法施工大管棚，環(huán)向間距0.4m/根，管長30m/根，每環(huán)施作23根，角度1°～3°向上，管棚注水泥漿，注漿水灰比0.5:1，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa。待管棚注漿完成并靜置2d～3d后，逐榀清理D1K78+918～+933段淤泥體，清理后及時采用Φ42mm小導(dǎo)管徑向注漿加固圍巖，施工參數(shù)同前段徑向小導(dǎo)管加固施工參數(shù)。

　　3.5第五階段處理措施淤泥體清理至D1K78+933時，對前方圍巖采用TSP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平探孔以及瞬變電磁法探測[12]，確定前方圍巖及地下水情況，無異常情況時開始逐榀掘進(jìn)。由于突泥涌水的擾動，初期支護(hù)加強(qiáng)為全環(huán)I25b型鋼鋼架，間距0.6m/榀，邊墻增設(shè)Φ42mm小導(dǎo)管徑向注漿加固圍巖，施工參數(shù)同前段徑向小導(dǎo)管加固施工參數(shù)。掌子面掘進(jìn)至D1K78+943時(大管棚剩余5m)，重新施作一環(huán)φ108(壁厚8mm)大管棚，施工參數(shù)同前段φ108大管棚，管棚施工后開始掘進(jìn)掌子面。

　　3.6第六階段處理措施至此，突涌段處治已基本完成，但后續(xù)斷層破碎帶及其影響帶仍剩余約50m，仍存在較大的風(fēng)險。為保證施工安全，防止再次發(fā)生突涌，在設(shè)計給定的綜合超前地質(zhì)預(yù)報前提下，增加瞬變電磁法，并增加對隧道內(nèi)水質(zhì)、水量的相關(guān)監(jiān)測，如情況異常時及時采取措施。

　　4處理效果

　　花椒坡隧道2#斷層于2020年5月14日和6月1日接連發(fā)生兩次突涌，推測是歷經(jīng)了兩次地下水的匯集。6月5日基本穩(wěn)定后開始處理，至8月17日基本處理完成，突涌處理共歷時73d。期間通過設(shè)置止?jié){墻、超前預(yù)加固突涌體、逐榀開挖突涌體后徑向注漿加固、兩環(huán)超前大管棚以及加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度等一系列措施，實現(xiàn)了隧道突涌段快速、安全施工，未影響總工期,未造成財產(chǎn)損失和人員傷亡，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

　　5結(jié)語

　　隧道突泥涌水成因復(fù)雜、破壞性強(qiáng)、安全風(fēng)險高，應(yīng)做好施工前的風(fēng)險識別與評估，施工中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報工作，發(fā)現(xiàn)異常情況時及時采取措施、規(guī)避風(fēng)險，做到防患于未然。同時加強(qiáng)對全體參建人員的培訓(xùn)，使所有人都具備識別突泥涌水的常識，施工過程中，研判地下水來源，多方向引排地下水，避免在同一個方向和區(qū)域匯集，遇異常情況時及時撤離，避免造成不可挽回的損失。如施工現(xiàn)場發(fā)生了突泥涌水，則應(yīng)加強(qiáng)觀察，待突涌穩(wěn)定后方可采取相應(yīng)的措施，切不可急于求成，盲目處理。突涌處理以“以排為主、排堵結(jié)合、超前加固、措施加強(qiáng)、確保安全”為原則，暢通前方排水、采取必要的防突涌措施、保護(hù)作業(yè)機(jī)械人員措施和超前預(yù)加固措施，并對突涌影響段進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)或加固處理，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

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　　作者：林克

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