高寒富水隧道突泥突水灾害的防治措施研究

2020-05-24叶隆长

建材世界 2020年1期

党亮，叶隆长，赵娜

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

随着社会经济的飞速发展和土地资源的稀缺，地下空间的开发逐渐受到了基础建设者的重视。然而，由于地质条件的复杂，隧道建设所需的技术难度也较大，经常发生突泥突水地质灾害。在今后隧道突泥突水的研究中应将重点放在施工生产管理能力和在隐患探测精度的提高上，充分认识灾害发生的成因和机理，才能有效的预防灾害发生。

突泥突水灾害是由于应力释放引起软弱破碎围岩裂隙扩展导致地表水补给长期侵蚀或地下水突然进入造成，张梅、肖广智[1]对张集铁路旧堡隧道F3断层带突水突泥处治技术进行了研究，通过采用“泄水降压、注浆加固、管棚支护、两端夹击”的治理原则和有效的施工方案，使隧道安全顺利贯通。张会远、穆静静[2]研究了岩溶区大断面隧道突泥突水的防治，提出隧道岩溶区岩溶管道、溶洞、断层破碎带等特殊地段施工控制技术。张民庆、孙国庆[3]提出了隧道工程突泥突水灾害处治技术，通过对8座规模较大的突泥突水隧道灾害案例分析，划分出了突泥突水灾害类型，制定了灾害处治程序。庄旭峰、孙东[4]实例分析隧道建设对岩溶水的影响，以磨雄隧道和银山隧道为例，借助大地电磁解译和MIDAS-GTS程序计算，阐述岩溶地下水系统与隧道建设的不和谐关系。张民庆、汪纲领[5]提出了南广铁路白云隧道断层突泥灾害治理技术。陈发达，周火锋[6]对某轨道交通1号线雅蛮区间隧道岩溶突泥突水处治进行了对策分析。因此，该文针对西南山区高寒高海拔地区的大规模突泥突水灾害，提出了设计和施工两阶段的突水突泥灾害防治措施，通过深入分析与探讨，寻找合理处治与预防方案。

1 工程背景

1.1 地质、水文条件

某项目位于西南山区，工程地处高寒高海拔地区的鲜水河断裂带、龙门山断裂带和川滇南北断裂带交汇处附近，工程地质复杂多变，水资源丰富，地表水补给迅速。

1.2 突泥突水致灾的机理分析

在西南高寒高海拔山区冬长夏短，地表水补给丰富，水资源过多时容易造成突泥突水灾害；由于地质复杂多变，碳酸盐(白云岩和变质岩)岩区是常容易出现突泥突水的地方，特别是地表水补给迅速富水地区、围岩裂缝较多或破碎地区、含承压水层地区。

通过隧道实际施工，发现断层及隐伏断层和断层影响破碎带中地表水补给的沟槽地段，尤其是活断层地段是发生灾害的关键部位。在地质构造及土力学作用、挖掘扰动和损伤、水岩相互作用等情况下，突泥突水是施工过程中地下水环境演化的主要结果。

某隧道突泥段埋深约300 m，可能存在水平方向地应力的影响，且处于富水断层影响破碎带上，这几大不利因素的叠合是促成突泥突水成因的地质条件。

2 突泥突水的灾害防治措施研究

2.1 设计阶段风险的识别、评估与控制

在设计阶段做好风险评估、控制与避让或专项设计，在地勘阶段应采用多种手段，尽可能查明地质、水文状况(降雨量、涌水量等)，划分隧道的风险等级，制定技术措施；对存在风险的隧道进行超前预报、超前预支护以及超前钻孔的专项设计，并纳入工序管理。

2.2 施工阶段的预报与工艺控制

施工过程中施工人员需对揭露的地质状况以及水量情况与设计作对比，即时提出变化情况做为动态设计；对于识别到的断层岩溶空洞等异常情况及时进行专家论证和风险评估，制定专项方案等；做好超前钻孔的布设与施工，及时排除隧道内的承压水或滞水，做好炮孔的专项设计。

2.2.1 灾害超前勘探与预报

1)超前地质钻探的指导作用

突泥突水常发生于开挖和清淤两个过程，超前地质钻探可以在开挖之前提前直观的判断前方围岩的地质情况，同时在富水地区，适当的地质钻孔可以达到排水的作用，有利于承压水和滞水层的泄压和排出；一般超前地质钻孔水平深度可达到80～150 m，根据钻机型号和围岩情况，一般钻进速率约12～15 m/h，沿掌子面平面方向布置三至五个钻孔可基本探明掌子面前方围岩状况。

2)电磁波超前地质预报

采用地质雷达长短结合的方法，形成地质素描图进行预报，此种预报方法受仪器的先进性、预报人员的经验制约，往往只能在短距离预报较为准确，一般预测距离约为20～40 m，但不能对隧道的超前排水施工起辅助作用。

因此，加强地质超前预报和勘探工作，能及时发现隧道掘进前方不良地质，如空洞、富水、断层、破碎带等，做好地质预报工作也能及时发现险情，可提前增加施工措施和减少人员伤亡和降低资源损失。

2.2.2 突泥突水的灾害抢险程序

在发生突泥突水险情后，必须在确保安全的情况下将人员设备等撤离，并组织相关专家对隧道进行安全风险评估，结合隧道特点制定切实安全可行的突泥突水处治方案。在紧急情况下抢险救灾非常重要，但清淤和救援的目的是在防止次生和二次灾害的基础上安全救灾，必须对突泥淤积的安全性进行评估，并采取相应措施救灾。

1)加固与排水先行

在突泥突水发生后，由于隧道溃口上方情况不明，加之受地下水影响较大，突泥体流速较快，还可能发生再次突泥，从正面直接处治溃口危险性较大，先对溃口裸露岩土体进行加固处理，同时增加泄水通道。

2)清挡结合、合理清淤

采取拉渣或土袋及喷砼回填土等方式进行封闭，回填纵向长度3 m左右，以保证溃口注浆的效果；同时回填处应设置足够数量的排水管，保证溃口及塌腔内不积水，并预埋一定数量的注浆管，在右洞反向加固溃口的效果不理想时进行补充注浆。

突泥突水发生后，清淤工作困难而又危险，很可能在清淤过程中发生二次突泥事故，所以在清淤过程中应采用小断面，并设置观测标识，随时做好撤离。待清淤达到处治部位时设置止浆墙，清淤至一定距离后做好安全评价后在适当位置做好封挡，为后续处治做好准备工作。

2.2.3 突水突泥过程及应急处理

1) 水的处理

某隧道属反坡施工，均采取分级排水措施。在突泥治理过程中根据地层条件，采取钻孔排水降压法。

在处治过程中采用超前钻孔排水使溃口及突泥等不稳定体内滞水排出，使得处治时注浆质量更容易保证，同时也起到排除隧道开挖过程中承压水的风险。对反压回填体打孔并埋设打孔波纹管，波纹管需做好防堵塞措施,做好积水坑及时抽排；在适当位置向塌腔内打泄水孔，保证塌腔内不集水。一般泄水区域为纵向范围溃口左右各10 m外，钻孔直径为10～15 cm。分左右洞施工时，在地质条件复杂、难以在突泥溃口处钻设泄水孔时可利用双导坑优势从另外一洞横向钻孔泄水，设置为向洞顶不少于3%的坡度以利于排水，具体如图1和图2所示。

2) 突泥溃口加固

对于溃口掌子面适当位置采取止浆墙封堵，并预留泄水孔和注浆孔。一般采用100 cm厚C30混凝土止浆墙，钢筋网采用φ12@20 cm双层；对掌子面注浆加固，浆液水灰比1∶1，如图3所示。

3) 超前预支护

(1)可施做旋喷加固工作室、旋喷加固：在隧道纵向靠近掌子面溃口约8 m范围内扩挖工作室，在隧道拱部180°范围内向突泥体内施工φ600超前水平旋喷桩，环向间距40 cm,旋喷桩咬合不小于20 cm。此种方案适应于围岩破碎且突泥段含水较大时。

(2)在隧道纵向靠近掌子面溃口约6 m范围内采用钢架作为套拱，在隧道拱部180°范围内向突泥体内施工φ108超前大管棚，环向间距30 cm，开挖时采用双层超前小导管对突泥段进行超前支护。

4)处治措施

(1)正面处治

①在超前预支护完成后开挖反压回填体及下台阶：采用中壁法(Center Diaphragm)开挖。在开挖突泥段时，埋设3根φ108钢花管至塌腔作为泵管，对拱顶空洞泵送C20混凝土；对泵送混凝土以上空洞进行吹砂填充,泵孔孔径为108 mm，开孔孔径150 mm，采用φ25固定钢筋与孔口管、工字钢焊接,焊缝长度不小于5d。回填砼高度为旋喷桩或管棚以上2 m。应注意分次回填，避免一次加荷载较大破坏既有初期支护，并保持排气管畅通，兼做排水管使用。埋设2根φ108钢花管作为预留泵管。加密环向排水管间距至2m/道，环向排水管直接引入排水沟，保证塌腔不集水。

②结合现场施工情况和超前地质预报调整支护参数，加厚二衬衬砌和配筋率。

(2)迂回加固处治

由于隧道为双线同时施工，左洞超前右洞突泥地点约65 m，左右洞净距25 m，可采用迂回反向加固处治突泥。可在围岩相对较好段落从左洞施做车行横洞兼做施工横通道，进入右洞，在右洞形成两个新的工作面，其中往进口方向作为新的主洞正常施工掌子面，往出口方向掌子面施工反向加固处治突泥溃口，具体加固方案见图4。

①采用反压回填对突泥的涌出口进行封堵。回填体顶宽3.0 m，坡面1∶1。为提高坡面的稳定向，坡面采用袋装土回填。

②施工横洞进入右洞后，正向朝进口方向可开辟新工作面正常施工。反向朝出口突泥段施工右洞，处治突泥。反向上台阶施工至一定长度后施工大管棚工作室，向出口方向在拱部180°范围施工36 m长φ108大管棚，在大管棚中间增加钢筋笼以增加刚度，大管棚环向间距30 cm，对突泥顶部进行初步注浆加固。同时，大管棚间穿插设置超前小导管作为超前支护。