丽香铁路花椒坡隧道断层破碎带突泥涌水处治技术

林 克

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

随着我国西部大开发战略的深入推进，云南省铁路建设也得到了快速发展，由于地处我国大陆现今地壳构造运动最为强烈的地区，区域内不良地质频发，其中断层段突泥涌水是常见的问题之一[1]。

突泥涌水以其影响范围广、技术难度大、处置周期长、安全风险高等特点，成为困扰建设者的重大难题之一。突涌发生后，不仅造成突涌体在隧道内堆积达几十至几百米，还会导致已完成的初期支护和二次衬砌遭到破坏，一般需采取一环或多环掌子面超前帷幕注浆[2]、隧道径向注浆以及超前大管棚等多重措施方可实现安全施工，处理周期短则月余，长则甚至超过半年时间，造成严重的工期延误[3]。如处理措施制定不合理，还会产生重大的财产损失与人员伤亡，对项目和个人造成难以承受的严重后果，因此，采取合理可靠的安全技术措施，是处理突泥涌水的关键。

1 工程概况

新建丽江至香格里拉铁路是我国中长期铁路规划中滇藏铁路的重要组成部分，为时速120 km国铁I级单线电气化铁路。线路位于云南省西北部，欧亚板块和印度洋板块相互碰撞汇聚形成的青藏高原东南缘之川滇菱形断块的西部边界断裂带(金沙江-中甸断裂带)内，属我国著名的南北向地震带南段之滇西地震带，地质构造复杂，新构造运动强烈。

花椒坡隧道位于花椒坡站-万拉木站区间,起讫里程D1K76+435-D1K83+965，全长7 530 m，全隧共发育有花椒坡1#断层、冷都断层、花椒坡2#断层以及冲江河逆断裂等多处不良地质，属Ⅰ级高风险隧道。其中花椒坡2#断层及其影响带里程为D1K78+865—D1K79+000，长135 m，断层角砾系炭质板岩、灰岩受挤压破碎而成，岩质软硬不均，多呈角砾状或碎块状，受断层影响，挤压揉皱发育、板岩变形严重，完整性差，沿断层破碎带有泉眼分布，工程地质条件极差。断层段掌子面围岩情况如图1所示。

图1 断层段掌子面围岩情况

2 突泥涌水情况及其原因分析

2.1 突泥涌水情况

花椒坡隧道突涌水险情出现前掌子面里程D1K78+933、仰拱里程D1K78+913、二衬里程D1K78+904，掌子面处隧道埋深约348 m。采用大变形I型复合式衬砌，全环设I18型钢钢架，间距0.6 m/榀；拱部设置∅42 mm小导管超前支护，环向间距0.4 m，纵向间距1.8 m，每根长3.5 m，每环23根；边墙系统锚杆采用预应力树脂锚杆，间距1.0 m×1.0 m(环向×纵向)，梅花型布置，锚杆长度4.0 m/根，杆体采用等强螺纹钢式树脂锚杆金属杆体，公称直径∅20 mm，锚固剂长1.0 m，锚杆预紧力为90 kN(对应锚固力矩为700 N·m)。

2020年5月14日早6时突涌发生前，掌子面线路左、右两侧边墙出现开裂，拱顶局部有掉块现象，拱肩部位钢架单元连接板处拱架出现扭曲，拱脚部位钢架单元接头部位崩开错位严重，钢架有明显的内折情况，左侧最大水平累计收敛达950 mm，掌子面出水量约25～30 m3/min，夹杂有大量泥沙。现场立即停止施工并撤离人员、机械，根据隧道内监控视频显示，早7时许掌子面左侧起拱线位置水量进一步加大，发生突涌，夹杂有大量深灰黑色炭质板岩碎片,多为断层泥。至5月16日，掌子面突涌基本停止，经现场初步估计，突涌体平均厚度约3.5 m，长度约300 m，突涌体约5 250 m3。

突涌稳定后开始清理洞内淤泥，此期间大气降水丰富。至6月1日上午9时许，洞内淤泥已清理至D1K78+904处，此时掌子面水量再次加大，进而发生第2次突涌，水与泥砂混合物量约为80～166 L/s，涌出体呈半流动体状态，水质呈黑色并伴有大量细颗粒及泥土，粒径多为5～20 mm，大于20 mm颗粒约占10%，颗粒较均匀；D1K78+904—+933段已基本被涌突物封堵，拱顶约有1 m高空隙；洞内涌突物有向外继续滑动趋势，涌突物呈深灰色炭质板岩碎片及颗粒状，大多为断层泥及断层角砾混合体。突涌情况如图2所示。

图2 突涌情况

2.2 突泥涌水原因分析

(1)该段隧道位于花椒坡2#断层核心区，地层岩性为板岩夹炭质板岩，岩体破碎～极破碎。受断层影响，岩体挤压变形强烈，产状紊乱，层间结合差，并夹有多层软弱夹层，围岩遇水极易软化崩解。

(2)该段隧道距线路右侧水电站平面距离最近约700 m，隧道标高低于水电站水位约100 m，花椒坡2#断层穿越该段隧道及线路右侧水电站，此段隧道邻近断层分界面，界面水较为发育。

(3)当地已进入季节性降雨期，降水量大，对隧道内地下水补给作用强，为突涌发生提供了必要条件。

(4)隧道开挖打破了原始地应力平衡和地下水的稳定，围岩的蠕变松动，地下水向自由面渗透，围岩饱和状态下的抗剪强度降低，自承载力急剧下降，初期支护受到的围岩压力增大，破坏严重。

3 突泥涌水处理技术

由于突涌体涌出距离长且二衬至掌子面段已基本完全堵塞，无法准确判断前方具体情况，因此处理方案按照“以排为主、排堵结合、超前加固、措施加强、确保安全”的原则[4]，根据现场情况分阶段制定处理措施。施工前应做好突涌的风险识别与评估[5]，整个处理过程中派专职安全员和技术员全程旁站，随时观察突涌体稳定性、出水量和水压的变化情况以及水质情况：出现突涌体滑动、出水量增加或水压增大、水质变浑浊等异常情况时，所有人员应立即停止施工并撤离至隧道外，确保人员安全。

为保证突涌体处治过程的安全，采用分阶段处理方法，共分为6个阶段，如图3所示。

图3 突涌体分阶段处治

3.1 第一阶段处理措施

暂停隧道内所有工序施工，撤离人员和施工机械设备，洞口设置隔离围挡，防止人员误入。安排专职技术人员在隧道口处定时测量隧道出水量，以便为后续施工提供依据，待出水量明显降低后(小于40 L/s)进行第二阶段处理。

3.2 第二阶段处理措施

清理隧道内淤泥[6]至二衬端头前方约2 m(D1K78+906)处，预留出D1K78+904—+906段止浆墙位置。采用透水性良好、遇水不软化的硬质块石对突涌体进行反压回填，反压体坡度以1∶1.5～1∶2为宜，表面喷10 cm厚C25混凝土封闭[7]，防止突涌体坍塌，喷射混凝土表面按1.0 m间距，梅花形交错布置预留∅150 mm泄水孔，以便地下水排出；突涌体坡脚采用砂袋反压，防止突涌体滑移导致再次突涌。二衬端头前方突涌体如图4所示。

图4 二衬端头前方突涌体情况

待突涌体稳固后，采用C6钻机在突涌体面起拱线位置施作3个超前水平钻孔，角度10°向上，长度50 m，及时引排掌子面拱顶积水，防止再次突涌。

3.3 第三阶段处理措施

在D1K78+904—+906段施作2 m厚的C20混凝土止浆墙[8]，初支拱墙部位和仰拱填充面植筋加固，间距30 cm并按梅花形交错布置，植筋采用∅22 mm螺纹钢，每根长80 cm，植入初支、仰拱填充50 cm，另外30 cm深入混凝土止浆墙。整个止浆墙与已施工的二衬端头间通过强化植筋和施工缝处理，使其连接为整体，提高止浆墙的承载能力，避免前方淤泥遇水滑移导致再次突涌，并为施工人员提供安全保障。

在止浆墙上部预留高度0.3～0.5 m观察孔，墙身预留不少于8个∅150 mm泄水孔，上方布置3个，下方布置5个，及时引排前方淤泥积水，遇个别泄水孔不出水时，增设新泄水孔。止浆墙设置如图5所示。

图5 止浆墙设置

止浆墙上打设∅76 mm自进式水平超前注浆管(壁厚5 mm)，注浆管出水时留作泄水孔，并适当调整位置重新钻孔。注浆管长40 m/根，间距1.0 m×1.0 m，梅花形交错布置，共计布设32根超前注浆管，在注浆管前端D1K78+914—+944段30 m范围内留设溢浆孔，溢浆孔间距20 cm×20 cm，孔径控制在10～15 mm为宜。注浆管施工完成后，采用后退式注浆法[9]，对D1K78+914—+944段注浆形成30 m厚的止浆岩盘。注浆液采用纯水泥浆，水灰比控制在0.4～0.5∶1之间，注浆压力控制在1.5～2.0 MPa[10]。为了增加水泥浆和易性，在满足水泥水化凝结用水的前提下，可采用添加约5‰减水剂的方法降低水的用量。

3.4 第四阶段处理措施

待注浆完成后静置3～5 d，采用钻探法取岩芯，确定前方突涌体注浆效果，达到预期效果后，从拱顶向下将止浆墙上部拆除，止浆墙下部预留3 m暂不拆除，作为突涌体的护脚墙。利用已抛填的块石作为作业平台，逐榀开挖D1K78+904—+918段淤泥体，开挖后边墙采用∅42 mm小导管径向注浆加固，管长4.5 m/根，间距1.0 m(环)×1.0 m(纵)并呈梅花形交错布置，注浆水灰比0.5∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。

3.5 第五阶段处理措施

待突涌体开挖至D1K78+918时暂停掘进，预留15 m加固后的突涌体作为止浆岩盘[11]，拱部施作一环∅108 mm(壁厚8 mm)大管棚[12]。由于淤泥段成孔困难，现场采用跟管法施工大管棚，环向间距0.4 m/根，管长30 m/根，每环施作23根，角度1～3°向上，管棚注水泥浆，注浆水灰比0.5∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa。待管棚注浆完成并静置2～3 d后，逐榀清理D1K78+918—+933段淤泥体，清理后及时采用∅42 mm小导管径向注浆加固围岩，施工参数同前段径向小导管加固施工参数。

3.6 第六阶段处理措施

淤泥体清理至D1K78+933时，对前方围岩采用TSP、地质雷达、30 m深超前水平探孔以及瞬变电磁法探测[13-15]，确定前方围岩及地下水情况，无异常情况时开始逐榀掘进。由于突泥涌水的扰动，初期支护加强为全环I25b型钢钢架，间距0.6 m/榀，边墙增设∅42 mm小导管径向注浆加固围岩，施工参数同前段径向小导管加固施工参数。

掌子面掘进至D1K78+943时(大管棚剩余5 m)，重新施作一环∅108 mm(壁厚8 mm)大管棚，施工参数同前段∅108 mm大管棚，管棚施工后开始掘进掌子面。

至此，突涌段处治已基本完成，但后续断层破碎带及其影响带仍剩余约50 m，仍存在较大的风险。为保证施工安全，防止再次发生突涌，在设计给定的综合超前地质预报前提下，增加瞬变电磁法，并增加对隧道内水质、水量的相关监测，如情况异常时及时采取措施。

4 处理效果

花椒坡隧道2#断层于2020年5月14日和6月1日接连发生两次突涌，推测是历经了两次地下水的汇集。6月5日基本稳定后开始处理，至8月17日基本处理完成，突涌处理共历时73 d。期间通过设置止浆墙、超前预加固突涌体、逐榀开挖突涌体后径向注浆加固、两环超前大管棚以及加强初期支护强度和刚度等一系列措施，实现了隧道突涌段快速、安全施工，未影响总工期,未造成财产损失和人员伤亡，实现了预期目标。

5 结束语

隧道突泥涌水成因复杂、破坏性强、安全风险高，应做好施工前的风险识别与评估，施工中加强超前地质预报工作，发现异常情况时及时采取措施、规避风险，做到防患于未然。同时加强对全体参建人员的培训，使所有人都具备识别突泥涌水的常识，施工过程中，研判地下水来源，多方向引排地下水，避免在同一个方向和区域汇集，遇异常情况时及时撤离，避免造成不可挽回的损失。