垭口隧道突水突泥灾害综合处治技术

文园林

(中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610031)

随着西部大开发和国家发展战略的需要，愈来愈多的隧道将穿越复杂地层，突水突泥灾害亦日趋严重。突水突泥将给施工带来极大的风险和挑战，严重影响施工人员和设备的安全。

目前国内外学者对突水突泥灾害的研究主要集中于灾变机制的分析[1-2]和临界安全厚度判定等[3-4]。此外许芳等[5]基于改进FTA-AHP法对隧道的涌水事故进行评价并得到了影响涌水的主要因素。黄兴鹊等[6]通过超前地质预报手段对突水突泥进行预测并有效提高了施工的安全性。鲍教贺[7]通过排水、地质预报和大管棚施工等手段对工程的突水突泥灾害进行控制，有效保证了施工安全。

综上所述，目前国内外学者对突水突泥灾害已有一定的研究，但是已有的研究主要集中于安全厚度和灾变机理的分析，涉及到的控制技术不够全面。本文依托实际工程采用现场踏勘、超前地质预报和现场综合控制技术相结合的突水突泥灾害控制方法，工程效果良好，对类似工程的施工具有一定的指导作用。

1 工程概况

成昆铁路垭口隧道进口端前接垭口中桥，位于米易县丙谷镇雷窝村附近，出口端路基过渡接白沙沟大桥，位于米易县垭口镇白沙沟附近。隧道起止里程为D2K540+220-D2K552+674，全长12 454 m。掌子面施工至D2K551+774处，揭示主要为灰黑色炭质页岩，右侧有多处股状流水，地下水较发育。隧道开挖断面高度12.3 m，宽度13.32 m。隧道埋深218 m，台阶法施工，采用Ⅲa型复合衬砌，拱部挂网喷锚。

隧地区地表水总体不发育，多以季节性沟水为主，多分布于五马箐沟、回箐沟及白沙沟等地，水量随季节性变化较大，沟水旱季水流较小，雨季流量骤增。受大气降水补给，以蒸发、下渗及地表径流等形式排泄。地下水主要为基岩裂隙水、断层带水及岩溶水，多以渗流形式由隧道左侧向隧道右侧安宁河河谷低洼地带排泄，主要受大气降水和地表水补给。

2 突水突泥概况

2017年8月26日晚20点，垭口隧道出口正在组织D2K551+774处中管棚作业平台平整挖机作业，掌子面右侧涌水突然增大，持续时间约30 min，方量约180～230 m3。伴随着碎块状炭质页岩夹淤泥涌出，涌水引起掌子面右侧拱部围岩及初支失稳，造成局部坍塌。施工单位、监理单位共同测试日涌水量约13 600 m3，流出地下水呈灰黑色浑浊状。

2017年8月28日上午掌子面持续出现坍塌，已施工完成的D2K551+774-777段3榀初期支护被砸垮，涌水方量约150 m3，夹杂深灰、灰黑色碎石及角砾土状岩体。掌子面突水如图1所示。

本次突水突泥造成已施工3榀钢架被砸坏，掌子面处大管棚整体下沉弯曲破坏，掌子面后方D2K551+777-+790段13 m的初支喷射混凝土面出现变形及裂纹。

3 原因分析

2017年9月13日对地表进行调查，掌子面位置距离两条冲沟交汇处约70 m，两条冲沟交汇处有大量碎块石，沟谷内主要为原高速公路弃碴，沟槽内无水，未发现掌子面位置附近山体有陷坑。炸药库左侧沟谷施作的水沟在降雨期间无水，推测地表水全部渗入隧道内。

现场踏勘结果表明涌水来源为近期强降雨导致地表水下渗，同时地表原高速公路弃碴场将地表水汇集，通过挤压破碎带流入洞内，从而导致掌子面失稳。掌子面与地表冲沟位置如图2所示。

图1 掌子面突水 图2 掌子面与地表冲沟位置

4 突水突泥控制技术

4.1 超前地质预报

隧道突水突泥灾害易影响工程进度，甚至威胁生命财产安全。为有效探测突水突泥段前方地质和水文条件以保证施工措施的有效性，本工程采用综合地质预报方法对围岩的地质和水文条件进行探测。

4.1.1 地震波反射法

预报结果表明该整段范围内纵、横波速度均大幅下降，密度减小，存在多个反射面，推测该范围内地质情况岩体破碎，节理裂隙发育，地下水丰富。超前地质预报结果如图3所示。

图3 地震波反射法超前地质预报

4.1.2 红外探水

隧道整体红外探测数据趋势较平稳，其中D2K551+830-+810范围内温度稍高，D2K551+810-+785范围内各测线均无明显变化，里程D2K551+780处五条测线均存在温度下降趋势。结合里程段D2K551+830-+780范围内当前水量情况，推断掌子面前方存在含水构造。探测结果如图4所示。

图4 红外探水超前地质预报

4.1.3 加深炮眼

加深炮眼孔内有股状水流出，揭示地下水发育，未见空腔及溶腔。

4.1.4 超前地质水平钻

在可能发生涌水段落采用超前地质水平钻施作3个探孔，超前探测长度不小于30 m，搭接长度不小于5 m，作为止水盘并开始下一循环探水，其中不少于1孔进行取芯验证。现场钻芯取样如图5所示。

图5 现场钻取芯样

综合地质预报结果表明掌子面前方围岩节理发育，存在含水构造，地下水丰富，未见空腔及溶腔。

4.2 第一阶段控制技术

基于超前地质预报可知，掌子面前方围岩性质差，含水量大，施工风险高。为保证施工安全性，本工程采用两阶段施工。首先对掌子面及掌子面前方围岩进行加固，为后续病害整治提供基础。待掌子面支护强度达到设计要求后进行第二阶段掌子面后方围岩加固施工。

第一阶段的施工流程如下：掌子面坍塌体平整→掌子面钢架及后方加固→止浆墙施作→大管棚施工并注浆→止浆墙破除。

(1)对掌子面坍塌体进行平整，施作C35砼止浆墙，厚度2.0 m，高度依据现场实际情况确定，保证管棚钻机有足够的操作空间。为保证止浆墙基础稳定，对坍塌体与止浆墙基础间打设Φ42 mm钢花管1排，同时止浆墙模板加固需采用I20b型钢支撑加固，防止倾覆。掌子面止浆墙如图6所示。

图6 掌子面止浆墙 图7 侧壁洞室排水过程(单位：cm) 图8 套拱施作及管棚注浆

(2)止浆墙浇筑前预埋∅300 mm钢管进行集中引排水处理，依据现场实际情况同时埋设砼泵送管2～3根，高度相差1～2 m，为下一步空腔回填及吹砂做好准备。同时依据现场实际情况在掌子面拱部及右侧预埋主排水管，后期掌子面通过该段后，在D2K551+781处侧壁开设洞室，在洞室内设集水井，将排水管引入集水井，并在洞室内通过前方钻孔对拱部右侧进行截水，将水引入集水井，通过集水井埋管，将水直接引入中心水沟，以保证后期运营安全。排水过程如图7所示。

(3)对掌子面后方D2K551+781-D2K551+828段47 m采用周边径向注浆加固，采用Φ42 mm钢花管，长度5 m/根，间距1.5 m×2.0 m(环向×纵向)，梅花型布置，压注1∶1水泥浆，注浆压力0.6～1.2 MPa，注浆压力可依据现场实际情况适当调整。

(4)对掌子面后方D2K551+781-D2K551+797段16 m上台阶范围采用I18套拱加固，间距1.0 m/榀，拱脚采用双排Φ42 mm锁脚锚管，每根长4.5 m，钢架与初支间空隙采用三角木楔间隔2.0 m楔紧，保证套拱受力。套拱施作及管棚注浆如图8所示。

(5)掌子面后方加固及止浆墙施工完成后，止浆墙D2K551+781处开始施工洞内护拱，采用I18轻型工字钢2榀，间距0.5 m。

(6)管棚注浆加固完成后，采用破碎锤开挖止浆墙，局部机械破除困难时可采用少量炸药控制爆破，配合风镐人工凿除，防止爆破振动引发局部失稳造成再次突泥。

(7)D2K551+774-781段换拱施工：现场依据测量断面检查结果，对侵限段上台阶初支钢架逐榀进行拆换，按照Ⅴd型复合式衬砌。喷射混凝土27 cm，全环HW175型钢，间距0.5 m，采用∅108 mm大管棚套打∅42 mm双层小导管，拱脚采用双排∅42 mm锁脚锚管，二衬厚度70 cm。

4.3 第二阶段控制技术

暂停掌子面施工，第二阶段施工顺序如下：套衬支护→仰拱跟进→径向注浆→二衬→侵限段换拱。

(1)套衬支护施作：对D2K551+797-+767突水坍塌影响段30 m拱墙范围内施作套衬加强支护。原钢架、套衬拱、墙脚位置均采用∅42 mm双排锁脚锚管加固，每根长4.5 m，采用U型筋与钢拱架焊接牢固。

(2)仰拱跟进施作：套衬施工完成后尽快跟进仰拱，对D2K551+795-+777段初期支护按Vd型衬砌仰拱封闭成环，开挖一榀封闭成环一榀，仰拱钢架采用HW175型钢，0.6 m/榀。每封闭成环3 m仰拱施作一板仰拱二衬及填充。

(3)径向注浆施作：对D2K551+797-+764富水破碎段33 m拱墙范围内进行径向注浆，采用∅42 mm钢花管，长度5 m/根，间距1.5 m×2.0 m(环向×纵向)，梅花型布置。为保证注浆饱满密实，对初期支护背后部分塌腔在初期支护达到强度后及时采用泵送混凝土回填。

(4)二衬施作：D2K551+830-+805段25 m原设计为Ⅲa型衬砌，衬砌厚度不变，按IVc型衬砌进行配筋补强，加密环向盲管，1 m/道。预留+820-+810段10 m作为截水廊道施工位置。

(5)侵限段拆换：待D2K551+770-+758段二衬施作稳定后，对D2K551 +795-+770段25 m范围内侵限单元进行逐榀换拱，对D2K551+770-+767段3 m增设套拱拆除即可，拆换前用洞碴回填至上台阶高度，每次只能拆换一榀，拆换施工严禁放炮，拆换时加强监控量测并严格施作拱墙系统锚杆。

现场应用结果表明，本工程采取的超前地质预报结合两阶段施工的综合控制技术能够保证施工安全。

5 结束语

本文通过现场踏勘、超前地质预报和现场验证等手段对成昆铁路垭口隧道的突水突泥灾害进行控制。强降雨通过挤压破碎带流入洞内是隧道失稳的主要原因，采用超前地质预报结合两阶段施工的综合控制技术能够有效保证现场施工的安全。实际施工过程中应注意对掌子面前方未施工段和已施工段采取支护加强的手段并保证施工质量以确保后续开挖的稳定性。该施工方案已应用于成昆铁路垭口隧道，取得了良好的应用效果。