泛亚铁路高突泥涌水风险隧道地质灾害表现及对策

2019-03-22李霄凯

中国铁路 2019年3期

关键词：新平掌子面岩体

李霄凯

（中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844）

1 工程概述

玉磨铁路作为泛亚铁路中线我国云南境内部分，北起玉溪，南至边境磨憨口岸，与在建中老铁路老挝段相连。线路全长507 km，隧道总长398 km，设计时速160 km，预计2022年建成，将成为国家“一带一路”建设标志性工程之一。

我国运营和在建铁路隧道总里程突破23 000 km，铁路工程建设中隧道施工安全风险最高，隧道坍塌、突涌安全事故具有突发性强、预见性差、社会影响面广、后果严重的特征，隧道施工中风险最突出。

玉磨铁路沿线山高谷深，起伏剧烈，工程地质条件极其复杂，具有高地热、高地应力、高地震烈度和“四活跃”（活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程）的特征。各种构造发育，岩层节理发育，挤压破碎，整体性差。施工中地质灾害控制难度大，可能导致重大经济损失、工期延误甚至人员伤亡[1-2]，隧道建设过程中应将灾害控制问题放在首位。以新平隧道为背景展开灾害发生与处置手段的研究。

新平隧道全长14 835 m，是玉磨铁路全线控制性工程之一，双线隧道设8个辅助坑道（6座横洞+1座斜井，2号横洞内设2号平导），土建工期为40个月。洞身最大埋深578 m，穿越5条断层，1个向斜、1个背斜。隧址区位于石屏～建水断裂（JSF6）和扬武～青龙厂大断裂之间，断裂、断层和褶皱发育，隧道围岩岩性为变质砂岩、板岩、千枚岩、片岩夹结晶灰岩、变质火山岩和绿泥片岩等，构成一系列大小不等的构造透镜体[3-4]。隧址区属红河水系，区内地形陡峻，地表水系发育较差；地表水主要为大开门河水，汇入红河；洞身段内地表水不发育，地下水特别是岩溶及断裂地下水发育，软弱围岩高地应力，富存囊状水团等并存[5]。

2 隧道地质灾害表现

新平隧道是Ⅰ级高风险隧道，所经之处岩体破碎、突泥涌水频发。多次出现涌水、流砂、溜坍、沉降、地表开裂等灾害，对隧道施工和作业人身安全构成极大威胁，是全线施工难度最大的隧道之一。

2.1 涌泥涌砂

2016年6月开工至2018年9月，新平隧道发生涌水、突泥突砂17次，突泥（砂）量约30 000 m3，单次最大涌突量7 000 m3，涌水量约219 m3/h。突泥涌水情况见图1。

图1 典型突泥涌水情况

2.2 溜坍、漏砂

因围岩破碎、松散，开挖施工过程中极易因存在临空面失稳造成溜坍、漏砂等情况。新平隧道0#横洞、1#横洞、2#横洞、3#横洞、5#横洞、6#横洞、1#斜井及出口施工过程中都发生不同程度的溜坍、漏砂现象（见图2）。

图2 典型溜坍现象

2.3 支护体系变形

新平隧道软岩变形明显，软弱围岩与原始地应力形成低强度应力比；设计施作支护刚度不足抵御围岩应力。导致工作面在初期支护完成后，支护系统出现不同程度沉降和收敛（见图3），在2年的施工期表现为：变形周期长、数量大，最大沉降1 000 mm，最大收敛650 mm。

图3 初期支护体系变形

2.4 典型突泥突砂情况

2.4.1 新平隧道3#横洞正洞大里程方向

施工图设计、超前地质预报（地质雷达法）及超前水平钻揭示：掌子面前方围岩破碎～局部极破碎，节理裂隙发育～局部很发育，渗水～含水，局部裂隙水量较大，其中D1K55+117—+126和D1K55+130—+135段围岩极破碎，岩体强风化，存在软弱夹层，裂隙水量上升。

2017年9月7日上台阶掌子面施工至D1K55+122，左侧溜坍，现场对溜坍体进行反压回填并喷混凝土封闭。2017年9月11日于D1K55+122位置施工φ89 mm管棚注浆，共施工47根15 m长大管棚。

突砂（泥）涌水情况：2017年10月6日，在铣挖D1K55+126时，流砂量突然增大，发生第1次涌突，涌突体涌至仰拱端头（见图4）；16：15再次大量涌突，涌突体已涌至二衬台车下方，涌突体突出距离约60 m，涌突量约600 m3。7日4：47时，洞内突然发出轰隆巨响，发生第3次涌突，水量约210 m3/h，水质异常浑浊；8：30时涌突体涌至横洞内H3DK0+114位置，横洞内泥沙平均厚度达100 cm，突泥量达5 000 m3，防水板台架被冲垮，二衬模板台车被冲出20 m至三岔口处（见图5）。

图4 D1K55+126第1次涌突情况

2.4.2 新平隧道3#横洞正洞小里程方向

施工图设计、超前地质预报（地质雷达法）、超前水平钻揭示：D1K54+993前方围岩破碎，节理裂隙发育～极发育，存在较多软弱夹层。钻探显示本段为板岩夹砂岩，强风化，岩体极破碎，钻进速度正常，在D1K54+972位置开始出水，水量为2.52 m3/h。

该段围岩变更为Ⅴ级。2017年12月8日上台阶掌子面D1K54+982顶右侧围岩松散，有鼓出现象，伴随股状水流出。

图5 D1K55+126第3次突泥情况

突砂（泥）涌水情况：2017年12月8日发生第1次涌突，涌突位置为掌子面拱顶右侧（见图6），涌突量约300 m3。次日发生第2次大规模涌突，大量泥沙伴随涌水呈巨浪式涌出，仰拱栈桥向后冲移30 m。累计涌突量约3 000 m3，最大涌水量约141 m3/h。12月22日8：00，新平隧道3#横洞小里程端D1K54+982掌子面拱顶右侧再次出现突砂、石（泥）涌水（见图7），涌水量219 m3/h，涌突量约7 000 m3，突出物以灰黄色砂岩为主，粒径0.2～0.8 m的突出物约占50%，最大块径约1.5 m，其余为中粗砂、角砾。

3 地质灾害原因分析

3.1 突泥涌水

（1）隧道穿越向斜、背斜和断层等构造区域，穿过的岩层存在弱透水层和破碎带，隧道开挖后，形成地下水的人工排泄边界，隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙张开度增大，岩体强度减弱，变形加剧，并形成新的裂隙[6]。

图6 D1K54+993第1次涌突情况

图7 D1K54+993第3次涌突情况

造成掌子面突泥涌水有2个因素：一为隧道一侧存在与隧道走向平行或小角度相交的次生断裂构造，由于构造应力的作用，掌子面破碎岩体失稳；二是围岩扰动造成构造附近地下水涌出，造成松散破碎岩体在地下水作用下失稳并形成流体涌出，两者共同作用的可能性极大（见图8）。

图8 突泥涌水成因分析

原始地质条件下的压性断裂是隔水断裂，但由于施工扰动的影响，其压性断裂的力学状态可以发生变化而导水。在施工爆破和开挖卸载的强烈影响下，断裂带在一定范围内往往出现较强烈的附加切向应力和围压变化，从而导致断裂带松弛、原有裂隙发展及新生裂隙产生与张开。由于压性断裂上盘往往富水，这些张性结构面沟通了与上盘的水力联系，在高水压作用下断裂活化，强度降低，形成地下水的排泄通道，从而产生断裂活化型涌突水[7]。

（2）涌突均位于开挖轮廓线以外，涌突前虽进行了相应的物探和钻探验证，但涌突位置位于掌子面前上方，物探扫描区域和钻探区域呈线状或点状布置，不足以充分反映隧道周边围岩真实状况，存在片面性及探测盲区。

（3）TSP法对于岩体强度的判断较准确，但对地下水体的预报准确性不是很高。地质雷达法对岩体的破碎探测效果较好，但受种种因素影响对地下水的探测不理想。但对于岩体被完全破坏的区域，地质雷达或TSP预测方法无法判识出破碎岩体差异。瞬变电磁法对地下水具有较好的敏感性，对岩体强度、岩体破碎程度、干溶洞等不易判断。但受地质复杂影响，各种地质预报解读、分析的准确度受到干扰，无法全面、准确预判真实的围岩情况。超前水平钻施作均有特定的指向性，只能反映特定方向及局部范围内的围岩情况。水平钻终孔位置为设计轮廓线外5 m，但水平钻长度一般为30 m，搭接5 m，无法准确预测设计轮廓线外的围岩破碎、富水情况。

（4）因围岩破碎、松散，施工过程中极易发生溜坍，造成该处岩体圈厚度变薄不足以抵御隧道周边可能存在的富水囊状构造水压力，发生涌突。且同一位置第1次突泥方量较小，第1次涌突后可能被涌突物堵塞空腔，地下水排泄通道堵塞，导致后续施工中，在地下水不断侵蚀、施工不断扰动的情况引发第2次突泥，且突泥规模明显比第1次猛烈。

以上说明在此段区域地质条件下，无法准确预判山体中的不可预见性构造和富水囊状构造，大大增加隧道施工中发生涌突的风险。

3.2 变形、溜坍

（1）软弱围岩强度低，隧道开挖后围岩应力释放、地下裂隙贯通、地下水导通，地应力发生重布，围岩在水的作用下自承能力下降，在隧道施工中围岩和支护易发生变形[8-9]。

（2）初期支护刚度不足。围岩支护完成后，受前方继续施工的影响，围岩持续受到扰动，自承能力持续下降，静止土压力转变为动土压力，围岩节理、裂隙水发育加速围岩蠕变速度，作用在钢架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土联合的初期支护体系上，在受力过程中锚杆、钢筋网、喷射混凝土支护体系给型钢拱架的力是面力与点力的关系，围岩蠕变过程中，围岩自稳能力与初期支护不能形成一个平衡体系，加快支护体系薄弱点的塑性变形，导致初期支护长时间的持续变形，且变形量大。

（3）在施工中大多溜坍从掌子面拱部开始，且溜坍大多发生在开挖或初喷封闭过程，每次钢架安装施工时，为确保与下榀钢架钢筋网片搭接，钢架与掌子面间留有一定距离，未能形成有效封闭。受施工工法、台阶高度、长度等影响，以及机械手喷混凝土作业操作角度问题，钢架端头与掌子面间喷浆封闭不密实、不饱满。

（4）因围岩破碎、松散，下循环开挖施工过程中导致围岩松动圈持续扩大到1～2 m。开挖过程围岩风化、松弛程度加快，围岩间粘接性、自稳性急剧下降，形成掉块。围岩破碎、结理裂隙发育，以薄层状为主，层间结合性差，受施工及地下水影响，围岩逐层剥落、掉块，范围扩大后形成溜坍。

3.3 综合分析

经过对新平隧道施工过程中溜坍、涌突灾害多次研究总结，得出如下结论：每次涌突均发生在溜坍后2 h以内，但溜坍不一定会造成涌突。是否发生涌突主要由地下水的发育程度、隔水层厚度决定，为此解决涌突首先要解决溜坍问题。而溜坍大多从掌子面拱圈开始，主要原因是为确保钢筋网片搭接长度，钢架与掌子面间留有一定距离未能形成有效封闭，由于机械手作业角度问题喷浆封闭不密实。在下一循环开挖时该处松动圈早已扩大到1～2 m，未施工时有核心土及周边围岩相互作用形成临时平衡，一旦开挖扰动逐层剥落形成溜坍，如地下水较发育逐步冲洗形成通道破碎饱和水岩体冲出造成涌突。钢架紧贴掌子面在多数情况下可有效控制溜坍发生概率，通过预报情况钻设泄水孔及时引排地下水进而控制涌突情况的发生。

4 应对措施

4.1 强化机械化配套

为应对突泥突砂、溜坍掉块、围岩变形，保证作业人员安全，新平隧道采用高度机械化配套施工。在泥化严重、软硬不均地段，借鉴两水隧道、浏阳河隧道等，采用对围岩扰动小的铣挖机进行铣挖法开挖，取代钻爆作业。铣挖法开挖具有开挖控制精确、减少爆破对软弱围岩的扰动、效率高等优点，控制围岩变形量、保障施工安全，是长大软弱围岩隧道开挖工法、机械化配套的突破与尝试。针对开挖、支护过程易发生掉块、溜坍采用机械手喷混凝土，作业人员远离高风险区域，保证安全。同时配置凿岩台车、多功能钻机、锚杆钻机、自行式移动栈桥、拱架安装机等设备，加快初期支护封闭成环及仰拱、二衬紧跟施工。各作业面具体配置情况见表1。

作业面机械化配套提升后，围岩扰动小，施工工效、抗突泥涌水效果明显提升，以新平隧道1#斜井为例，由原来月平均进度不足10 m提升至月平均进度45 m，隧道施工进度、安全得到有效保障。

4.2 强化超前预报、注浆

强化超前预报工作。由地质专业工程师及专业人员组成预报组，配备C6钻机、水平钻机和瞬变电磁仪进行超前地质预报。预报组综合加深炮孔、地质素描、地质雷达、TSP、瞬变电磁等多种预报结果，定期进行地质预报综合分析，及时对前方围岩进行研判。超前地质预报重点工作是探明掌子面拱部两侧、拱顶上方和前方一定范围内岩性情况及是否存在富水情况。在预报结果揭示前方围岩存在异常时，精确找到囊状水[10]，及时发出预警，为制定应对措施提供依据，预防溜坍、涌突、变形等不良地质灾害的发生。为动态设计措施制定提供重要支撑。

针对新平隧道，超前预注浆作为预防涌突的主要手段，保障注浆效果，以最快效率达到最好的注浆效果，提升工效，降低涌突风险[11]。（1）在设计和预报风险评估中突泥涌水高风险地段、超前地质预测预报为突泥涌水风险段、设计为超前预加固（全断面、局部帷幕注浆加固）区段，设止浆墙进行超前帷幕注浆或超前周边注浆，注浆材料采用硫氯酸盐水泥、超细水泥、自流平水泥、水泥～水玻璃双液浆；（2）超前支护采用中管棚加超前小导管，注浆材料采用硫氯酸盐水泥、超细水泥、水泥～水玻璃双液浆；（3）开挖后进行局部径向补注浆，注浆材料采用硫氯酸盐水泥、超细水泥、水泥～水玻璃双液浆。

表1 新平隧道机械化配置情况

发挥信息化优势，利用好隧道围岩监控量测。加强安全风险源头控制，实现围岩监控量测信息化，对隧道围岩变形进行风险预警，确保隧道施工安全，由专业人员配备专用量测设备进行监控量测工作。根据沉降收敛情况调整量测频率，进行动态量测作业，实行黄色/红色预警管理，实时将量测数据上传网络平台，并将信息发送至相关人员。变形出现异常时，现场快速采取应对措施，并为类似围岩段动态设计提供参考依据。

4.3 实施动态设计

根据玉磨铁路隧道特点，2018年3月起建设方对包括新平隧道在内的14座高风险隧道实行动态设计，及时将超前地质预报、监控量测、现场地质揭示情况、试验成果及分析结论等纳入动态设计管理中，根据围岩预判结果第一时间调整施工措施或开挖工法，制定针对性施工方案；保证施工安全与进度，最终实现提高工效指标目的。定期对发生动态设计的情况与动态设计组进行核对，每月统计动态设计管理台账，季度动态设计计价。截至2018年底，新平隧道施工长度9 422 m变更了6 691 m，围岩变更率71.01%。实施动态设计有效缩短变更设计反应时效，是铁路建设项目管理模式的新尝试，今后在变更时效性、投资管理等方面有待进一步总结、完善。

4.4 针对性工程措施

为应对频繁遭遇涌突、溜坍、变形等不良地质灾害和施工效率低的问题，在超前地质预报揭示前方围岩存在异常时，采取如下措施：将掌子面封闭、径向注浆、长大管棚超前支护、大锁脚锚管、超前注浆预加固形成加固圈等作为预防不良地质灾害发生的常规和实践中的有效手段，极大减少灾害发生频次。施工工法统一采用三台阶（预留核心土）带仰拱一次铣挖开挖工法，Ⅳ级围岩设计无仰拱钢架地段每隔4 m设置两榀仰拱钢架成环，确保初期支护及时封闭成环，控制变形。施工过程做到仰拱初期支护紧跟至下台阶，在施工靠后下台阶时和仰拱一起开挖、一起封闭，避免两侧下台阶同时悬空造成安全隐患，减少仰拱单独开挖的工序衔接时间，快速封闭成环，确保支护尽早整体受力，使扰动的围岩及早趋于稳定。重视加深炮孔的施作，外插角适当加大至30°左右，确保探测至开挖轮廓线外不少于2 m的要求。初期支护钢架尽量紧跟掌子面，减少拱部临空面，严防掌子面拱部土体发生溜坍。各施工工序及施工过程真正做到“防突、控变、防塌方”。