山区复杂地形深埋特长隧道涌水处治技术

2023-08-21吴勇,李鹏,卢永存等

工程建设与设计 2023年15期

1 引言

隧道穿越岩溶地区时，地质构造特征复杂，造成隧道在修建过程中极易出现涌水突泥，轻则堵塞隧道、延误工期，重则掩埋设备、造成人员伤亡，引发重大安全生产事故。

2017 年7 月，云南省楚雄至大理段高速公路九顶山隧道修建时遇大型岩溶水腔体发生突水突泥事故，共涌水约50 000 m3，最大单日涌水量达28 000 m3，突水突泥后堆积的黏土超过了隧道断面面积的2/3[1]。 2019 年11 月，云南省云县至凤庆高速公路安石隧道发生涌水突泥事故，最终造成12 人遇难、10 人受伤，直接经济损失达2 525.01 万元。

我国隧道工程的建设逐渐深入西部山区，复杂多变的地质条件给隧道修建提出了诸多难题，其中岩溶地区难以准确预测的涌水现象成了制约隧道工程建设发展的关键性技术难点。

为保证隧道顺利贯通，工程技术人员在施工过程中不断总结经验、克服隧道涌水带来的施工难题。何振宁[2]从30 多座隧道工程的施工过程中，总结了15 种典型工程地质问题。张付军等[3]以FLAC 3D 为研究手段，对断层破碎带中隧道涌水突泥处治方法展开了研究，并研究了排水、堵水、排堵结合等处治方法对围岩稳定性的影响。李生杰等[4]分析了乌鞘岭隧道涌水塌方机制，并提出了针对性的施工措施。袁水河[5]针对云南省昆明绕城高速杨林隧道特点，因地制宜采取“以堵为主、排水为辅、堵排结合”的方法对特长隧道涌水突泥事故进行处治。张明庆等[6]按工程地质特征将宜万铁路建设中所遇岩溶分为4 大类，并分别采用针对性措施进行了有效治理。

本文以G4216 高速宁南至攀枝花段宁会隧道为例，对山区复杂地形深埋特长隧道涌水治理方法进行介绍，为类似隧道工程的修建提供一定参考。

2 工程实例

2.1 隧道概况

宁会隧道为G4216 线宁南至攀枝花段高速公路的控制性工程，位于四川凉山宁南县和会东县交界的大火山高中山区。隧道长约10291m，进出口洞门均采用端墙式，设计速度80km/h。

隧道修建区域位于川滇“歹”字形构造隧址区主要地质由背斜、向斜和4 条断裂带组成，且断裂仍在活动。受地质构造的影响隧道轴线岩体较破碎。

2.2 水文地质条件分析

隧道K304+747~K305+500 段穿越的地层主要为志留系石门坎组，以灰白色、白色灰岩为主，微风化，上部为裂隙含水层，下部为裂隙-溶隙含水层，地下水水主要顺裂隙-溶隙及层面裂隙运移补给。结合物探资料及涌突水危险性评价，为涌水较高危险段。

2.3 原设计及施工情况

宁会隧道进口端右线K304+745~K305+430 段穿越段岩性为灰岩夹页岩、白云岩，中-微风化状，岩体较破碎-较完整，呈块状结构、薄-厚层状构造，灰岩岩质硬，有溶隙、溶洞等蚀溶现象。本段围岩原设计地勘资料为Ⅳ级，采用Z4b 衬砌类型，超前支护类型为C 形（单层φ42 mm×4 mm 注浆小导管）。

2.4 隧道涌水情况说明

2022 年3 月9 日下午3 时，宁会隧道进口右洞掌子面K305+232 处进行超前钻孔施作时，拱顶右侧突然发生涌水突泥，并伴随大量片石、块石涌出。据初步估算，涌水发生当日洞内涌水量约20 000 m3，涌泥量约10 000 m3，造成等掌子面处淤埋最高处达6 m，靠近仰拱处淤埋约2 m。

2.5 临时处治措施

现场发生涌水后，在洞内采取了以下应急措施。（1）清淤。保证人员安全的情况下对洞内进行清淤，为后续处治工作打开通道。（2）反压。利用坚硬的洞渣对掌子面进行反压回填，反压回填长度32 m。（3）加固。采用I18 工字钢按1 m 间距加固掌子面后方既有初期支护。

3 岩溶探测及涌水原因分析

3.1 洞内涌水监测及分析

为了解右洞涌水规模、并对地下水来源做初步判断，自2022 年3 月10 日至2022 年5 月28 日对隧道内涌水量进行了监测及统计，监测成果见图1。

图1 隧道内涌水量监测成果图

从监测结果可以看出，宁会隧道洞内涌水量维持在26 000 m3/d 上下，涌水量远大于设计丰水期涌水量（见表1），并随降雨天气小幅波动。

表1 K304+747~K305+500 段涌水量预测表

根据监测结果分析，右洞K305+232 拱顶右侧发育有一个大型溶腔通道或暗河，并通过围岩裂隙、山体内岩溶等通道与山体内地下水相联系，因此，造成涌水突泥后该处涌水量稳定且水量受降水影响明显。

3.2 岩溶探测成果

采用物探、钻探结合的综合探测法对宁会隧道进口右洞K305+232 前方的地质条件进行了探测分析。其中物探法分别采用TGP 法、Geode EM3D 系统及瞬变电磁法3 种方法进行探测。分析结果显示，宁会隧道进口右洞K305+230~K305+420段存在一个沙漏形富水松散体，隧道在松散体中的穿越距离约190 m。 “沙漏”上半部分穿越多个岩性分界线，并与地表松散体相接，汇水面积大，推测为“沙漏”下方松散体重要的地下水来源。 “沙漏”下半部与宁会隧道右洞相交并继续向隧道下方延伸。通过探测成果，证实了宁会隧道进口右洞K305+232 前方存在大型涌水通道的推测。

3.3 涌水突泥原因分析

综合宁会隧道进口右洞涌水前后施工情况以及物探、钻探成果分析，宁会隧道进口右洞K305+230~K305+420 段存在大型的富水松散体，并有溶腔发育。掌子面超前钻孔施工时揭穿了松散体与隧道间的岩层，松散体内储存的大量地下水与碎石随即通过该通道挤破围岩涌入隧道内部。

4 岩溶涌水处治技术

4.1 右洞既有初支加固

涌水发生后，掌子面附近既有初支出现变形、支撑能力降低。为保证初支段结构稳定安全，现场清淤后，对K305+232~K305+226 段进行注浆加固并增设锁脚锚管，提高围岩结构的整体性，并控制围岩变形。

4.2 封堵坍塌口

清理右洞掌子面塌腔后，在坍塌口安装模板，并在模板上部预留注浆口、下部安装管道引排腔内涌水。采用C30 喷射混凝土分层施工封堵塌腔，封堵厚度50 cm。喷射混凝土达到强度后，由预留注浆口向腔内灌注C20 混凝土填充封堵坍塌口。

4.3 迂回左线施工

2022 年3 月18 日，沿江高速宁攀公司组织召开了涌水突泥处治方案咨询会，并特邀3 名专家对后续隧道施工方案进行咨询。与会专家建议，在右洞涌水量尚未下降的条件下，应避免右洞掌子面贸然施工，可从右洞K305+130 处增设1 个临时横洞迂回至隧道左洞施工。

采用导洞或相邻线提前施工的方式，既可以从左洞施工过程中了解地质情况的变化，又可以利用左洞排出部分地下水，减小右洞的涌水量[7]。同时，在右洞目前无法掘进的现实条件下，通过扩展左洞的施工面，从整体上可以加快隧道的施工进度，尽可能降低此次涌水对隧道施工的不利影响。

为达到迂回左线施工的目的，从右洞K305+130 开挖临时横洞，临时横洞与隧道轴线呈60°角（见图2）。横洞接入左洞时，设置临时支护扩挖至正洞断面。向前施工5 m 后，反向拆除临时支护并扩挖至正洞断面。

图2 迂回左线施工示意图

扩展左线施工面后，向大里程方向继续施工100 m，至左洞ZK305+250 处后，视左洞涌水情况及开挖围岩条件再开挖右洞。

4.4 监控量测

右洞K305+220~K305+232 段原设计为Ⅳ级围岩，原施工参数为Z4b。涌水突泥前，该段监控量测测点按照Ⅳ级围岩布置，监测断面间距10 m。在后期施工过程中，监控量测测点按照Ⅴ级围岩布置，断面间距缩小为5 m。 K305+220~K305+240段可增设2 个拱顶下沉观测点；周边位移监测测线与施工工法相匹配，台阶法施工时每级台阶布置1 条水平测线。