秀山隧道(出口)防涌水突砂施工配套技术

杨文国，王才高，付廷达

(中铁五局一公司，长沙 410117)

目前全国在建的Ⅰ级高风险隧道中，秀山隧道的难度名列前茅。秀山隧道自开工以来，以其“地质条件复杂、围岩变化频繁、地下水极发育、涌水突砂石多、施工极其困难”而著称，引起了相关单位的高度重视和关注。在近五年的施工中，施工单位攻坚克难，战涌水、斗突砂，实现了安全质量可控，没有发生人员伤亡事故，摸索总结了一些有效经验，确保了工程顺利、有序推进。

1 工程概况

秀山隧道位于新建铁路昆(明)—河(口)线玉溪—蒙自段，隧道全长10 302 m，是全线的控制性重点工程，在线路左侧与正线间距30 m处设置贯通平导，导坑全长10 294 m，为单线铁路隧道。由中铁五局与中铁隧道局共同承建，其中中铁五局负责出口工区的施工任务，该工区隧道采用常规钻爆法作业、有轨运输、三阶段通风方式，洞内为顺坡排水。

秀山隧道地处地震强烈活动带(1970年通海县曾发生7.8级大地震)，断裂与褶皱强烈发育，隧道地层岩性复杂，主要以白云岩、断层角砾岩、砾岩、泥岩夹砂岩、泥质粉砂岩、泥灰岩为主，地质条件差且具突变性，围岩多为V级，风化破碎不均匀，岩溶、层理、节理、剪涨裂隙、宽张裂缝等十分发育。

地下水非常丰富。富水带多，地下水补给丰富、水量大(预测全隧道日正常涌水156 500 m3，雨季时最大涌水量 235 000 m3/d)，出口工区日均涌水量50 000 m3以上，2007年 6月 26日曾达到120 000 m3/d，正洞与平导都存在十三个富水区和1 500 m的全断面或局部帷幕注浆段，五里箐向斜段最为富水(蓄水量达1.22亿m3)。

施工风险极高。由于地下水丰富，地质突变性大，容易引发大涌水突砂(突泥)、围岩变形、洞身坍塌、有轨运输事故、富水段施工用电事故等高风险。

2 涌水突砂成因分析

2.1 涌水突砂发生的机理

隧道通过区围岩受多期构造的影响，断裂、褶皱、剪涨裂缝、宽张裂隙强烈发育，断层镜面擦痕和各种形状的揉皱、裂缝等随处清晰可见，地下水补给丰富，径流通道非常复杂。隧道洞身穿越断层破碎带、可溶岩与非可溶岩接触带时，因白云岩、断层角砾岩大多松散破碎，自稳性极差，遇水冲刷易形成流砂，在补给较远的水流不断冲掏下，松散破碎体或岩溶管道越扩越大，最后形成空腔，地下水不断汇集、运移大量粉砂状岩体;累积到一定程度后具有极高势能和压力，在有大量、高压水的情况下，掌子面附近开挖扰动时，水夹砂石极易从支护薄弱部位喷涌而出，形成巨大的砂石流，诱发突发性的灾害。

另外在断裂带核部，因构造应力集中，围岩发生化学胶结或重结晶作用，胶结密实，有的形成镜面并具一定强度，起相对隔水作用。在中带和外带部位，节理裂隙极其发育，以机械破坏为主，胶结作用在破坏过程中较少发生，其胶结程度远远不如断层镜面或断裂核心部位，加之受多期构造强烈影响，岩体被强烈搓碎，有利于地下水汇集和流通，长期进行溶蚀作用，形成规模较大的高压富水溶蚀破碎带，一经开挖揭露，极易发生大规模涌水突砂。这种涌水突砂具有比较明显的特征，涌水具有突发性，呈间歇性喷射状，并携带大量细砂状白云岩，夹黄色黏土等，涌水量大，水头压力高，破坏性极强。

2.2 白云岩及剪涨裂缝对涌水突砂的影响

秀山隧道出口工区白云岩破碎段较长。白云岩由白云石矿物集合而成，其结构非常松散，无纹理，极易碎裂，呈碎石角砾状及中粗砂状。白云岩强风化～全风化，岩体极破碎，加上段内裂隙水发育，富水带多，地下水补给丰富、水量大，对岩体稳定性影响较大，开挖后拱墙岩体易坍塌掉块，局部易产生涌砂。

剪涨裂缝为新构造活动的产物，常具有良好的透水、导水和储水的性能。剪涨裂缝的存在，构成一地下集水通道，而且因其与岩层走向大角度相交，有效地汇集了补给方向的地下径流。根据已施工段揭示的地质条件预测里山背斜及五里箐向斜范围内，均发育规模很大的剪涨裂缝，张开达30～200 cm，将会出现大规模突水，对隧道施工将带来不可预估的涌突水灾害。

3 施工配套技术措施

破碎白云岩地段施工极易发生涌水突砂，经过近五年的摸索实践，总结出“探地质”、“防突涌”、“绕险处”、“调工序”十二字施工应对经验。

3.1 探地质

按“平导以排为主，限量排放;正洞以堵为主，堵排接合”的原则实施工程措施。采取以平导的施工为重点，“超前钻孔放水保平导安全作业，平导超前放水保正洞有序掘进”。保证平导超前正洞300 m以上，使其真正起到超前地质预报、排水、通风排烟和增开工作面等作用。

超前预测预报应采用综合预报手段，以水平钻孔为主，结合物探的方法，以准确探明地质情况，尤其是涌水量、水压力和水中的泥砂含量，并制订相应的施工预案，防止涌水突砂。

出口工区采取每次打设三个30 m长以上深度的超前地质钻孔(每隔25 m施作一次)和随机地进行红外线探水来预测前方地质情况，并且每循环在掌子面随机打设10～20个5 m长钎探孔，再结合掌子面地质观察等来辅助预测。

3.2 防突涌

1)规范作业，努力施工支护到位。按“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”原则作业。采用短台阶法施工，预留3 m左右的核心土，φ42超前小导管注浆加固、格栅钢架或型钢拱架支撑、循环进尺0.5～0.8 m，随挖随护，仰拱紧跟，二衬距下台阶掌子面距离60 m以内。重视隧道底处理，应在开挖后立即浇注混凝土，尽量缩短仰拱与开挖面的距离，使支护整体受力。做好锁脚锚杆或锁脚导管的施作质量，以及工序衔接。

2)当有较大规模岩溶泥和地下水很发育时，为防止发生突水涌泥事故，施工时采用上、下台阶法开挖，加密、加长拱顶超前小导管注浆加固。小导管每根长6 m，环向间距20～30 cm(软岩处间距20 cm其它地方30 cm)。软弱段采用风镐开挖，尽量不施爆，遇坚硬围岩需要松动爆破时严格控制药量，每个孔装1/3～1/2节炸药，减少对围岩的扰动。岩溶泥处采用铁铲小心清除，拱顶挂设网格为10 cm×10 cm的加密钢筋网片支护。通过短进尺强支护、超前探测、疏水阻砂，高度警戒，确保稳步推进。

3)对于剪涨裂缝、宽张裂隙采用挂设加密钢筋网片、砂袋封堵、喷射混凝土密闭、小导管超前预注浆加固、扇形支撑加固后泵送混凝土回填裂缝空腔等配套技术措施。为防止前方储水过多、压力过大形成安全隐患，在掌子面打设3～5个排水泄压孔，排泄水流释能减压。每次往前掘进时通过打设超前导管注浆，开挖进尺50 cm左右，随即架立钢拱架，挂设钢筋网片后喷射混凝土及时支护，施工达到一定距离后在已支护段增设导管注浆加固洞身等，成功地通过了数个宽张裂隙、空洞、软弱泥夹层段。

4)坚持“安全第一、预防为主”的原则，抓好安全生产和施工质量过程控制。对施工现场坚持进行不定期检查，寻找和发现存在问题，及时进行整改、完善措施，把安全质量真正落实到位。

5)富水段作业时，施工机具和线路设置漏电保护器和防水措施，加强施工用电检查和管理，确保安全。

6)及时做好变更设计工作，配合现场作业确保施工安全。发挥专家组的技术优势和施工经验，邀请和组织专家到现场进行指导帮助，及时解决施工中遇到的技术难题。

3.3 绕险处

在遇高压富水岩溶破碎带有大涌水突砂的风险时，应综合分析采取针对性措施。采用大管棚超前预注浆或全断面帷幕注浆进行固砂止水，确保前方不会涌砂后方能往前掘进。倘若在原位直接处理难以达到预期目的，而发生安全风险极大时，建议采用迂回导坑通过。

如2009年4月24日平导PDK34+377掌子面遇富水岩溶破碎带发生大涌水突砂，“水石流”瞬间淹没坑道83 m，涌出块石直径最大达 1.5 m，涌砂量约780 m3，最大涌水量达22 000 m3/d。经现场仔细查看分析，掌子面围岩已被涌水突砂挤爆，前方已形成大量坍腔或危壁，原位处理已几无可能，于是提出迂回绕行方案。设计、监理、业主现场讨论，考虑到以后运输、通风、维修抢险等因素并不赞同，要求施工单位将涌砂堆积体清除到原掌子面后再施作管棚注浆处理。但涌砂体无法开挖清除完，清理过程中有再次突涌淹没人员和设备的风险。最后四方核对商量先在平导PDK34+400线左侧施作导流洞引排地下水，降低平导水压力，根据导流洞引水情况再行研究下步通过方案。后打设了十多个孔引水仍达不到要求，为确保安全，四方再次会商，最后决定采用从导流洞掌子面方向迂回通过该不良地质段的施工方案(即平导3#迂回导坑)。在对应原平导掌子面里程附近即迂回导坑Y3K0+030处设置了混凝土止浆墙，然后采用30 m拱墙大管棚配合局部帷幕注浆加固前方岩体的方案。施工时涌水量大、水压高、钻孔注浆困难，进度相对缓慢，历时三个月才安全通过该不良地质段。

现在回头来看，原涌砂堆积体下埋设的排水管和在Y3K0+030止浆墙处边墙上打设的排水孔内，水流历经一年多仍未减小，说明该处富水破碎带宽度特长、水量极大，若采用其它方案可能施工难度更大，造价更高;表明采用迂回导坑通过并用管棚配合局部帷幕注浆固砂止水方案是成功的。

3.4 调工序

风险隧道施工中，遇到特殊情况时应根据实际需要及时进行工序调整。

1)若长钎探孔发现前方围岩极其松散破碎，渗涌水不断增大，或超前探孔内有浑浊水流出时，应马上停止掌子面掘进，及时挂网喷射混凝土封闭掌子面，保证有足够的稳定岩盘(5 m以上);然后采取有效措施疏水阻砂，防止掌子面围岩被挤爆跨塌，确保人员及机械设备安全。

2)在遇有剪涨裂缝、溶洞、溶槽时，应将仰拱施工跟上，及早封闭成环，并在附近初支上增设锁脚导管注浆，改善受力条件。

3)严禁带水施工仰拱，有涌水时必须采用抽水机排干仰拱部位积水或注浆封堵隧底涌水后方可施作仰拱。

4)爆破后，观察掌子面的围岩及涌水情况，决定是先采取预防措施或是先行出渣。出渣时注意对涌水的引排，加强运输轨道的清理。复喷混凝土前，采用软管或防水板对集中涌水进行引排。

5)型钢钢架应尽量顶拢掌子面，如出现一侧掌子面溜坍，则钢筋网片也必须挂至掌子面，同时采用喷混凝土封闭，严防掌子面溜坍。对型钢脚若发现涌砂掩埋，应及时清理，组织复喷密实。

6)由于洞内施工时散水、股状水较大，犹如水帘洞，在这样的环境下施工，注浆堵水易产生隐患，实施排水又排不完，同时考虑工期等原因，不得不经常实施带水作业。在同时满足①超前地质钻孔内出现涌砂、水流浑浊;②预测前方松散破碎带宽度＞4 m;③掌子面总涌水量＞50 L/s(4 320 m3/d)三个条件的情况下必须采取帷幕注浆、大管棚注浆等必要措施以确保安全。当平导围岩破碎，松散破碎带宽＜4 m，掌子面涌水总量＜50 L/s，且没有涌砂迹象时，根据实际开挖和探测情况，在确保围岩稳定的前提下，应采用加强初支、带水作业施工方案。对正洞由于断面大，发生涌水突砂后的风险和危害较大，一般不赞同带水作业。

4 施工效果

通过努力，秀山隧道出口工区在安全、质量、文明施工等方面取得了一定的成绩。总结的破碎白云岩段带水作业施工的一些经验，顺利应对和处理通过80余处不良地质段，防止了8次涌水突砂风险的扩大。所运用的防涌水突砂施工配套技术可行、经济合理，实现了工程施工安全无事故，质量好、形象佳。受到了各级领导和相关单位的一致认可和好评。

5 结语

从前期施工效果来看，超前地质预报是确保隧道施工安全和顺利渡过不良地质段的一个最重要的施工技术手段;防涌水突砂施工配套技术的有机结合利用，是工程顺利进行的关键和保障。研究总结出的配套措施虽针对秀山隧道的特殊地质情况，对类似工程仍有参考价值。对于地质最困难、风险最大的五里箐向斜段作业亦较为适用。本文提出的配套技术可为类似工程提供一些参考。当然，隧道施工防涌水突砂是一个系统工程，水文地质的复杂性和突变性决定了应对措施的多样性，除了以上配套技术外，其他配套的管理措施或将更加有效。

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