风化花岗混合岩富水段隧道突泥涌水灾害研究

胡 强 刘 韬

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

云南省区域面积较大，地质、水文条件复杂，其中临沧市地区花岗岩、花岗混合岩分布广泛，其存在着风化程度高、差异风化明显、节理裂隙发育等特性，加之该地区雨季降水量充沛，隧道施工难度相对较大。受开挖扰动、地下水浸泡等多方面因素的作用，隧道施工过程中常发生局部塌方、冒顶、初期支护变形等施工病害[1-3]，若相关段落处于富水状态，则存在着突泥涌水的风险[4]。突泥涌水发生迅猛，破坏性极大，对施工人员安全、支护结构稳定，以及设备财产都构成了极大的威胁。

目前，针对风化花岗岩地层隧道突泥涌水灾害的研究已经开展了较多的工作。祝俊等[5]总结广西均昌隧道施工过程中发生的突水突泥灾害的处治实践经验，系统研究了富水全强风化花岗岩隧道突水突泥灾害机制及帷幕注浆技术；袁敬强等[6]结合广西山心隧道施工过程中出现的灾害，通过总结现场灾害处治经验及室内试验等手段，对全强风化花岗岩隧道突水灾害机制、特征及防治措施进行了系统研究；陈佳正[7]以楚大高速九顶山隧道为工程依托，对隧道涌水突泥段采用多种物探手段进行融合分析，总结归纳结构突水涌泥灾变机理；郝勇[8]以福建省龙津溪引水隧洞工程为研究对象，采用多种研究方式，综合分析了花岗岩断层带的物理力学特性、水理化特性及隧洞涌水突泥的原因。

可以看出，现阶段针对风化花岗岩地层隧道突泥涌水灾害的研究已有一些成果，但具体到花岗混合岩的研究则相对缺乏。花岗混合岩是指通过混合岩化过程形成的由角闪岩相或麻粒岩相变质岩基体与花岗质脉体组合形成的混合岩，其具有介于变质岩和岩浆岩之间的岩石特性。与正常岩浆成因的花岗岩相比，花岗混合岩的成岩过程与矿物组成更为复杂，且具有岩性不均匀，结构变化大等特点。针对上述情况，本文结合本项目隧道风化花岗混合岩富水段的围岩特性，在对突泥涌水灾害成因及发展过程进行深入分析的基础上，提出“半断面帷幕注浆+超前管棚”的灾害处治方案。

1 工程概况

云南省临沧市某隧道地处云贵高原之西南边缘，横断山脉南段，为怒江和澜沧江河间地块，地势总体上北高南低，高差起伏大。隧道场区位于滇西经向构造带(即三江经向构造带)，地质构造复杂，位于澜沧江断裂-南汀河断裂之间区域。场区下伏基岩为元古界(Pt)花岗混合岩、三叠系侵入(γ51)花岗岩。受区域构造影响，场区岩体节理发育，岩体极破碎，施工过程中塌方、冒顶、突泥涌水、初期支护变形侵限等事故频发，施工难度较大。

该隧道为分离式特长隧道，左幅隧道起讫桩号为ZK11+090-ZK16+290，全长5 200 m，最大埋深约291 m，右幅隧道起讫桩号为YK11+073-YK16+320，全长5 247 m，最大埋深约297 m。上、下行线隧道总长10 447 m，是该高速公路项目的控制线工程。

2 灾害概况及成因分析

2.1 突泥涌水概况

该隧道进口端围岩为花岗混合岩，长石、云母含量高，隐晶质-细晶结构，岩质较软，岩体较破碎。2020年7月2日19：35，当掌子面开挖至ZK11+866时，掌子面拱部突然出现小股状出水，并引发隧道拱部塌方，形成环向长约8 m，纵向约3 m的塌口。五方代表当即确定先用洞渣回填掌子面，以防止塌方规模继续扩大，并施作不少于3个排水孔引排地下水。期间，地下水沿节理渗出，将节理裂隙内砂砾掏蚀，拱部塌口处掉块现象持续发展，导致临空面进一步增大，进而于2020年7月3日04:28分发生突泥涌水灾害，坍塌涌出物约1 500 m3，基本淹没ZK11+817-ZK11+866上半断面，现场具体情况见图1。2020年7月3日09:15时，在ZK11+870左右隧道正上方地表发现一个直径约15 m、深度约10 m的漏斗形塌坑。该位置隧道埋深约110 m。

图1 隧道突泥涌水后现场情况

经现场勘查发现，本次突泥涌水灾害导致ZK11+854-ZK11+866已施工初期支护出现不同程度的开裂变形，其中ZK11+860-ZK11+866段已变形侵限，ZK11+854-ZK11+860段初期支护尚未侵入限界，整体结构尚处于相对稳定状态。

2.2 突水涌泥成因分析

结合该隧道的地质、水文条件，对此次突泥涌水灾害进行分析，认为发生事故的原因包括如下几个方面：

1) 季节性降水。临沧市属于西南季风区，其气候的特点之一是全年降雨量极不均匀，其雨季(6-8月份)的降雨量占全年降雨量的55.5%，其中又以7月份前后的降雨最为集中。本次灾害发生的前一段时间，临沧地区持续暴雨，隧道场区范围水量剧增。

2) 沟谷汇水地形。隧道ZK11+600-ZK12+100段整体位于地表沟谷内，且植被相当茂盛。区域范围内的地表水向沟谷内汇集，并通过花岗混合岩的节理裂隙向下渗透，源源不断地补给地下水，导致该段隧道围岩整体处于富水状态。隧道的掘进开挖，给饱水状态的围岩提供了一个排泄地下水的通道。大量地下水通过岩体节理裂隙向隧道开挖掌子面位置汇集，进而导致施工过程中掌子面附近区域出现股状出水或淋雨状出水现象。

该隧道为下坡隧道，隧道内的积水无法自行流出，施工过程需进行反坡排水作业。分析施工单位统计的反坡排水数据，可发现隧道内出水量受大气降水影响明显。反坡排水量统计数据见表1。

表1 反坡排水量统计表

3) 围岩差异风化及水稳性差。隧道开挖过程中揭示围岩为灰褐色强、中风化花岗混合岩，局部含全风化夹层。其中，隧道拱部以全、强风化花岗混合岩为主，长石、云母含量高，岩质极软，隐晶质-细晶结构，结合差，呈松散碎裂结构，围岩自稳能力差，支护不及时易产生坍塌。中风化岩块则集中出现在隧道中下部，其节理裂隙发育，呈张开状，内充填大量长石风化产物及沙土。隧道进口段高密度电法勘探地层剖面图见图2。

图2 高密度电法勘探地层剖面图

全风化岩体、花岗岩残积土遇水易软化、崩解，受地下水动力及扰动影响，可能产生流土、管涌现象[9]。风化花岗混合岩节理裂隙间的填充物在地下水的长期浸泡下也容易软化，围岩自稳能力极差，支护不及时极易坍塌。总体而言，隧道围岩的水稳性差，遇水后围岩自稳能力下降明显。

4) 拱部塌方持续发展。隧道拱部发生塌方后，虽然立即确定了用洞渣对掌子面进行反压回填，并增设排水孔对掌子面前方地下水进行引排的处治方案，但因围岩处于极不稳定状态，施工安全隐患大，施工人员不能接近掌子面组织应急施工，致使隧道拱部塌口未能完全封堵，给围岩的持续坍塌留下空间。从2020年7月2日19：35-3日04：28整个时间段内，隧道拱部掉块现象持续发展。

随着塌腔范围的不断扩大，地下水的平衡状态被打破，基岩裂隙水通过塌方形成的导水通道向隧道内汇集，并不断掏蚀岩体节理裂隙内的填充物，进而导致更多的岩体失稳崩塌。如此恶性循环，塌腔不断发展并揭露围岩深部的囊状富水带，进而最终导致突泥涌水现象发生。

3 综合处治方案研究

本次事故造成了地表塌坑、掌子面突泥涌水及初期支护开裂变形三方面病害，对应处治方案应综合全局，在充分考虑潜在风险的前提下，分轻重缓解，有序开展相关病害处治施工。

1) 地表塌坑处治。隧道地表坍塌范围进行安全警戒、警示防护，周边设临时排水沟，塌坑采用彩条布遮盖，以避免地表水流入塌坑产生二次坍塌。待该段二衬施作完成后，利用黏土回填塌坑至距地表0.5 m高度，其后用根植土回填塌坑至地表面。

2) 洞内排水、清淤。在右洞YK11+850(2号人行横洞)处往左施作不少于5个排水降压孔，如水较大按实际情况增设。其后，在保证安全的前提下，从ZK11+817初期支护背后向前方斜向打设排水孔对地下水进行进一步引排，孔径108 mm、深30 m。

待左洞基本无渗水情况下，从ZK11+817附近往掌子面方向按1∶5坡比逐渐清理洞内涌泥，直到清除涌泥至ZK11+860附近。其后，用袋装土石回填封闭掌子面，并在ZK11+858-ZK11+860段施作2 m厚的止浆墙。突水涌泥灾害处治方案见图3。

图3 突泥涌水灾害处治方案图

3) 洞内初期支护加固。对ZK11+854-ZK11+858初期支护开裂变形段增设I20a工字钢，间距60 cm/道临时环向支撑。其后，对拱部180°范围增设长4 m×直径42 mm×壁厚 4 mm注浆小导管进行径向注浆加固，按间距60 cm×60 cm 梅花形布置。

4) 帷幕注浆及管棚施工。对ZK11+860-ZK11+880段进行上半断面帷幕注浆，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，双液浆配比参数为:体积比C∶S=1∶(0.6～1.0)，水泥浆水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模数2.6～2.8，水玻璃浓度39波美度；注浆压力值为初压0.5～1 MPa，终压3～5 MPa。其后，在ZK11+860左右拱顶120°范围内进一步增设长25 m×直径108 mm×壁厚6 mm大管棚进行二次补注浆加固，管棚环向间距40 cm，每循环共计35根，管棚内设置由4根直径22 mm钢筋制作成钢筋笼。帷幕注浆施工情况见图4。

图4 帷幕注浆施工现场情况

5) 破墙进行开挖施工。ZK11+860-ZK11+880段采用三台阶预留核心土法进行开挖，并将该段支护参数调整如下：初期支护钢拱架调整为I22a，间距60 cm；C25喷射混弹簧土厚29 cm；径向锚杆调整为直径42 mm×壁厚4 mm注浆钢花管，L=4 m，间距100 cm×60 cm，梅花形布置；工字钢AB、BC单元接头位置增设1根长6.0 m×直径89 mm×壁厚6 mm的锁脚，每榀共增设4根，锁脚与工字钢采用钢板锚固连接；二次衬砌采用60 cm厚的C30防水钢筋混凝土结构，其环向主筋采用直径22 mm钢筋，间距200 mm，纵向筋采用直径16 mm钢筋，间距200 mm，箍筋采用直径8 mm钢筋。具体支护参数见图5。

图5 隧道支护参数断面图(尺寸单位：cm)

4 处治效果

4.1 注浆效果分析

该段围岩注浆采用先上半断面帷幕注浆，其后增设超前大管棚进行二次补注浆，注浆的终止压力控制在3～5 MPa。在浆液凝固并形成强度后，破除止浆墙进行隧道开挖。观察发现，岩层中浆液的分布并不均匀，其以劈裂或挤密的扩散形式集中出现在岩体相对薄弱松散的区域，形成块状或条带状的注浆加固体。掌子面注浆效果见图6。

图6 注浆加固后开挖掌子面情况

上述注浆效果虽未达到理想的状态，但注浆加固体可有效压实挤密围岩，减少围岩内部的间隙，可在一定程度上提高岩体的整体强度，并有效降低了围岩的渗透性[10]。实际开挖过程中，掌子面的自稳能力显著提高，且围岩出水情况得到显著改善，基本无明显的股状出水现象。

4.2 监控量测分析

隧道施工通过后，通过监控量测数据分析初期支护的受力变形情况，ZK11+870断面的监测数据情况见图7。

图7 初期支护收敛变形曲线图

由图7可知，ZK11+870断面的拱顶下沉量最大达103 mm，周边收敛极值为78 mm，拱脚下沉累计值为35 mm，初期支护变形量小于预留变形量，且变形在可接受时间范围内趋于稳定，故而判断初期支护结构安全可靠，可进行后续作业的施工。

5 结论

在对风化花岗混合岩富水段隧道施工突泥涌水的成因进行分析的基础上，提出了相应的处治方案，并通过后期开挖及监测数据进行验证分析，主要结论如下。

1) 雨季集中降水、地表汇水地形、风化花岗混合岩差异风化严重及其水稳性差是诱发突泥涌水灾害的环境因素，隧道拱部持续掉块是导致本次突泥涌水灾害的直接原因。

2) 花岗岩地区水文、地质条件复杂、隧道施工过程中发生突泥涌水的风险较高，且突泥涌水灾害一旦发展，应急处治施工难以开展，实际施工要 “防范于未然”，要切实做好围岩超前探测工作，采用多种探测手段相互印证，提前预判掌子面前方围岩情况及富水情况。对富水软弱围岩段应设置不少于3个超前探孔探测掌子面前方围岩，必要时还应在洞径周边一定范围内进行斜向钻探，以覆盖隧道未开挖区域的顶部、左侧及右侧。

3) 突泥涌水灾害的发生对生命、财产的威胁极大，并极可能引发塌方冒顶、初期支护开裂变形等一系列伴生灾害，处治方案应统筹全局，在充分考虑潜在安全风险的前提下，分轻重缓急，井然有序地开展相关病害的处治施工。

4) 风化花岗混合岩富水段的突泥涌水病害处治应遵循“排堵结合、综合治理”的原则，前期应以排为主，通过增设排水孔引排淤堵的地下水，减小围岩背后的水压力；后期则以堵为主，通过注浆手段提高围岩的自稳能力，以确保施工作业安全。

5) 风化花岗混合岩地层主要以劈裂、挤密注浆为主，浆液扩散不均匀，注浆过程中应适当加大注浆压力，并可考虑多次补注浆施工，以提高围岩的整体注浆效果。