汉泉隧道突水突泥处治措施

刘劲勇，邓果禅

（1.江西省交通设计研究院有限责任公司,南昌 330052;2.江西省交通投资集团南昌西管理中心,南昌 330799）

随着我国高速公路网络的不断完善，隧道建设也得到了高度发展.我国已经成为世界上隧道建设规模最大、速度最快、难度最大的国家[1].隧道建设所面临的地质环境也日趋复杂，断层、裂隙、接触型构造、岩溶带等蓄水构造，导致突水突泥地质灾害时有发生，严重威胁施工人员的生命财产安全、影响工程进度及运营的安全性.

本文以汉泉隧道突水突泥为工程案例，全面分析地质灾害产生的原因，提出科学合理的处治措施通过富水裂隙发育带，以期为类似工程提供借鉴.

1 工程概况

1.1 设计概况

汉泉隧道是一座上下行分离的四车道高速公路长隧道，起讫里程桩号为：左洞ZK45+625～ZK47+000，长1 375 m，右洞YK45+640～YK47+448，长1 808 m.隧道左线纵断面线型为人字坡：（1.5～0.9）%，隧道右线纵断面线型为人字坡：（1.5～1）%.隧道最大埋深为155 m，隧道毛洞开挖跨度约13.34 m，垂直开挖高度约10.5 m.

1.2 地质概况

根据地勘资料，汉泉隧道地质情况极为复杂.洞身岩体主要为三叠系下统安源组（T3an）砂岩、页岩夹煤层，局部为二叠系茅口组角砾状灰岩、灰岩、炭质灰岩，砂岩、页岩夹煤层，构造及风化裂隙发育至较发育，岩体极破碎，岩层倾角大.隧道揭露洞身发育8条裂隙密集带、构造破碎带以及断层破碎带等小型次级地质构造.由于区内的地质构造复杂多变，很难准确的判断其在隧道洞室开挖地段的具体桩号.因此，设计文件中提示：在施工过程中，应加强超前地质预报，随时注意岩性变化、岩体裂隙发育情况.隧道正常涌水量为1 420 m3/d，最大涌水量为4 250 m3/d.ZK46+460～ZK46+520 为中风化炭质灰岩，Ⅳ级围岩，ZK46+410～ZK46+460 为中风化砂岩、页岩、夹煤层，Ⅴ级围岩.突水突泥发生的位置位于ZK46+450 拱顶处（图1）.

图1 隧道地质纵断面图

1.3 隧道施工方案

汉泉隧道施工采用新奥法施工，开挖方式以钻爆法为主并辅以人工、机械开挖.隧道采用双向施工，ZK46+460～ZK46+520 段为Ⅳ级围岩，中风化炭质灰岩，采用上下台阶法开挖，光面爆破施工，初期支护以工字钢+锚喷网支护；ZK46+410～ZK46+460 为中风化砂岩、页岩、夹煤层，Ⅴ级围岩，采用三台阶预留核心土开挖法施工，机械开挖辅以人工，初期支护以工字钢+锚喷网支护为主，并辅以φ42 超前小导管，长度4.5 m，环向间距0.4 m.

1.4 突水突泥发生情况

2019 年7 月17 日下午1 时左右，汉泉隧道出口左线采用上下台阶法开挖至ZK46+450，拱顶突然出现不断塌方掉块，形成空腔，且有两股股状水从空腔中流出.约1 h 后，发展成为黄色股状水喷涌而出（图2），水量增大，之后由于涌水冲刷携带作用，短时间内工作面后方涌满大量泥沙及鹅卵石（图3），仰拱也出现了大量积水.所幸发生突水突泥时，有一小段缓冲时间，机械及人员迅速撤离，没有造成伤亡，只有部分机械设备淹埋洞内，总体损失不大.

图2 隧道突水突泥发生初期

图3 隧道突水突泥涌出物

地质灾害发生后，建设单位迅速组织各参建单位，对洞内及洞外周边情况进行调查，具体如下：（1）掌子面位置洞顶埋深约146 m，位于中风化炭质灰岩与煤层交界处；（2）对洞顶进行拉网式排查，洞顶未出现地表塌陷、变形、开裂等现象；（3）隧道影响范围内未发现水塘、水库等地表蓄水构造物；（4）从7.17～7.28 日，水量由11 500 m3/d 逐渐减小并稳定在3 250 m3/d；涌水由含泥沙、卵石的黄色渐变至清水；泥沙卵石涌出总量约9 500 m3；（5）监控量测数据显示，ZK46+500～ZK46+450 段多处出现开裂掉块、初支拱架变形和钢筋网外露等情况，且已测明ZK46+500～ZK46+450 段拱顶下沉较大造成严重侵限，侵限最大值为40.8 cm，断面最大侵限平均值多达29.4 cm；（6）采用瞬变电磁法、地质雷达法、地震波法等方法进行地质探测与验证，发现掌子面至前方约20～25 m 为储水带，水位稳定在隧道拱顶1～2 m 附近，开挖段拱顶无空洞.采用超前探孔，储水带主要集中上台阶拱腰以上部分，下台阶横向3 个探孔未见明显出水.

2 突水突泥成因分析

2.1 地质原因

根据刘光亚[2]给出的蓄水构造的定义，认为任何蓄水构造均由透水岩层或岩层的透水带、隔水岩层或阻水体和透水边界三个基本要素构成.掌子面至前方20～25 m 范围内为构造裂隙发育带，属于透水带；掌子面后方为中分化炭质灰岩，掌子面前方约30 m 处为中风化砂岩，属于隔水岩层，储水构造明显.当洞身掘进，破坏隔水边界后，大量涌水携带裂隙发育带中的泥沙、卵石从开口处流出.最终水质变清，水量稳定在3 250 m3/d，认为该蓄水构造存在一定的水源补给.

2.2 降水原因

地质灾害发生前，正值赣西南端午节前后的连续强降雨雨季，隧址区植被茂密，延迟了雨水下渗时间.煤系地层顶部有一节理或裂隙发育区，使得降雨大部分渗入山体，地下水沿着裂隙逐渐渗透并形成渗流通道.在丰富的地下水作用下，裂隙带粘聚力和摩擦角急剧下降，围岩压力增大，围岩自稳能力下降，造成掌子面拱部失稳、坍塌，地下水携带大量泥沙及鹅卵石涌入洞内.

2.3 施工原因

在ZK46+450～ZK46+460 段施工时，拱部及边墙局部出现渗漏水现象没有引起足够重视，没有采取TSP、超前探孔等方法进行超前地质探测；ZK46+520～ZK46+475 段拱顶下沉最大值为40.8 cm，对施工监控量测重视不够，未形成监测预警机制；五级围岩开挖采用上下台阶法施工，未按要求预留核心土；开挖爆破药量较大，对围岩扰动大，变形急剧增加，造成工作面及后方部分已支护段初衬变形较大严重侵限；爆破后破坏隔水边界，产生“瓶塞”效应，泥沙、卵石大量涌入，形成突水突泥地质灾害.

2.4 小结

（1）通过瞬变电磁法、地质雷达法、地震波法、超前探孔等方法进行超前地质探测，裂隙带宽度较小，水量稳定，水质变清，储水带未贯通，属小型突水突泥地质灾害.

（2）水量最终稳定，可判定构造裂隙带存在水源补给来源的可能性，宜采用“以堵为主，适量排放，保护环境”的原则处理.

3 处治措施

对于突水突泥处理，一般采取超前围岩预注浆堵水、开挖后径向注浆堵水、超前钻孔排水、坑道排水等措施.国内外对于隧道突水突泥灾害的处治积累了大量的经验，如白云隧道突水突泥[3]，采用迂回导坑帷幕注浆及正洞全断面注浆加固堵水方案；永莲隧道断层突水突泥[4]，采用引排泄压、全断面帷幕注浆加固堵水方案；梁山隧道富水滑动型软弱带突水突泥[5]，采用水平旋喷桩及超前管棚辅助施工的处理方案；文献[6-9]根据突水突泥发生的灾害程度，采取注浆加固措施，对隧道突水突泥进行处治.因此，根据突水突泥灾害发生的严重程度，应结合灾害处理效果、周期、费用等综合因素，提出合理、有效的处治措施.基于本次突水突泥的现场情况及超前地质探测，提出排水降压、超前管棚辅助、洞周径向注浆及抗水压衬砌等综合处治措施.

3.1 排水降压及封闭掌子面

遵循堵排结合原则，在上台阶隧道轴线两侧布置4 根φ 133 地质管引排泄压，从掌子面至仰拱端头开挖中心排水沟，避免已施作的拱架拱脚长时间被水浸泡；仰拱端头开挖集水槽，及时将水抽离隧道.对卵石泥沙形成的堆积体坡面进行修整并挂网喷砼15 cm 封闭；ZK46+450 掌子面起拱线以上沿洞周水平打设8 m 长Φ 89 注浆管固结，环向间距为40 cm；在堆积体表面打设6/3 m 长Φ 89 注浆管，间距为1.5×1.5 m2，梅花型布置（图4），注浆浆液采用双液浆，注浆压力采用梯度控制，坡面浅部采用低压注浆，防止喷砼止浆层承受压力过大而失稳，深部可由浅入深逐步提高注浆压力，充分固结堆积体.坡面3 m 区域内注浆终压控制在2 MPa 以内，3～7 m 区域注浆终压控制在3～4 MPa.

图4 管棚工作室示意图

3.2 局部换拱

ZK46+500～ZK46+456 采用I18 工字钢作为临时仰拱进行支撑，间距与初支工字钢相同，并用Φ22 连接筋进行连接，设置20 cm 厚的喷射混凝土喷射密实.对ZK46+520～ZK46+456 段仰拱以上洞周进行注浆固结，采用5 m 长Φ 42 注浆小导管，间距为1×1 m，梅花型布置，注浆液采用单液浆，注浆压力控制在0.8～1.2 MPa，注浆完成并达到强度后对该段进行逐榀换拱.与此同时，仰拱及二衬逐步施工至ZK46+500.

3.3 辅助施工措施

ZK46+450～ZK46+456 段设置管棚工作室（图4），工字钢采用I22 a 工字钢，间距50 cm，喷砼厚度为29 cm，径向注浆按1.0 m×0.5 m 梅花型布置.导向墙宽度为1 m，掌子面180°范围内往前使用跟管机打设长度为40 m 的Φ108 mm×8 mm 长管棚，环向间距40 cm，内设4 根长40 m Φ 28 钢筋，注浆浆液采用双液浆，间歇注浆，并根据施工情况及时调整磷酸氢二钠掺量，以控制初凝时间.

3.4 支护衬砌加强措施

采用超前管棚辅助、洞周径向注浆的堵水方案可以有效控制围岩变形及保证施工阶段的安全性，但无法完全解决洞周渗水、涌水及随着水位抬高产生的较大水压力.因此，为保证施工、运营安全及结构耐久性，有必要采用抗水压复合式衬砌进行支护加强.抗水压复合式衬砌设计参数拟定原则[10]：初期支护应按与围岩共同受力能保证施工阶段的安全及控制洞周收敛确定；二衬衬砌按承担全部后期围岩压力和水压力进行设计.

3.4.1 计算参数确定

围岩参数按设计文件中裂隙带的参数取值；详细调查突水突泥点地表地形及周边泉眼情况并结合涌水量验算，取地下水水位距拱顶高度25 m；外水压力折减系数按注浆堵水后，存在严重滴水或少量涌水情况取值；具体参数见表1、表2.

表1 围岩参数

表2 衬砌参数

3.4.2 荷载-结构模型

采用荷载-结构模型，计算衬砌结构内力和安全系数.计算模型如图5 所示，衬砌结构采用梁单元，并通过单向受压土弹簧进行约束.土压荷载按照《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》JTG 3370.1-2018 规定选取，水压力根据外水压力折减后径向加载对应节点上.

图5 荷载结构模型及荷载组合

3.4.3 原设计二次衬砌验算

采用表1、表2 参数，对原设计二次衬砌进行验算（图6）.

图6 原设计二次衬砌弯矩图（kN·m）

通过对原设计二衬验算，在富水的五级围岩，两侧拱脚处于大偏心受压状态，最大弯矩出现在拱脚处，最大弯矩为623.3 kN·m，拱脚处出现裂缝，最大裂缝宽度为2.5 mm，结构的安全系数和裂缝验算不满足规范要求.通过加大拱脚二衬厚度及加强配筋，均不能有效避免拱脚处产生的应力集中现象，应调整、优化内轮廓断面.

3.4.4 优化隧道内轮廓断面

通过对原设计二衬验算可知，二衬断面受力控制点位于拱脚及仰拱中部.基于仰拱曲率优化的抗水压衬砌验算，将拱脚圆弧半径由100 cm 调整为200 cm，仰拱半径由1 500 cm 调整为1 400 cm，优化后使整个隧道内轮廓断面形成圆顺流畅的曲面（图7）.

图7 优化后隧道内轮廓断面

图8 优化后二次衬砌弯矩图（kN·m）

图9 优化后二次衬砌安全系数

3.4.5 优化后二次衬砌验算

采用表1、表2 参数及二次衬砌混凝土厚度由原设计45 cm 调整为50 cm，对优化后内轮廓断面的二次衬砌进行验算，计算结果如表3：

表3 优化前后二次衬砌计算结果比较表

由表3 对比分析可知，通过二衬断面优化，衬砌断面整体处于小偏心受压状态，最大弯矩依然出现在拱脚处，最大弯矩为360.2 kN·m，比原设计断面减小42.2%，拱脚处裂缝消失；轴力变化较小；拱脚处最大剪力为399.2 kN，比原设计断面减小44.1%.因此，通过优化衬砌断面形状，可以有效避免拱脚处产生的应力集中现象，安全系数有一定的富余，结构的安全性、可靠性和耐久性得到加强.

3.4.6 确定抗水压复合式衬砌支护参数

根据抗水压复合式衬砌设计参数拟定原则，初期支护设置I 22 工字钢，间距50 cm，喷砼厚度28 cm，采用φ 42 注浆小导管代替径向锚杆，对周边岩体径向注浆；综合考虑结构的可靠性、耐久性，二衬衬砌采用C 35 砼，厚度50 cm，设置φ 22 钢筋，间距20 cm.同时，应根据下台阶施工情况，对局部渗水或涌水较大处进行补充注浆.

3.5 监控量测

为了准确判断初期支护结构及围岩的稳定性，施工过程中实施了监控量测.将ZK46+400～ZK46+450段共50 m，每隔5 m 取一个断面，每个断面布设3 个监测点，分布于拱顶及两侧起拱线处，以拱顶下沉及边墙水平收敛监测为主[11].根据10 个断面监控量测结果比较，ZK46+435 断面拱顶下沉和水平收敛值最大，监控量测如图10 所示.

图10 ZK46+435 监控量测值

ZK46+435 断面隧道开挖后，围岩累计拱顶沉降量为32 mm，累积水平收敛值为15 mm（图9）.从时间-变形曲线可以看出，变形过程相对比较平缓，水平收敛和拱顶沉降均小于隧道开挖预留变形量，且均小于隧道最大允许位移值.由监测曲线说明处治后的围岩及初期支护已经趋于稳定.

4 结论与建议

（1）汉泉隧道突水突泥采用“技术可行、方案合理、安全可控”的处治措施，储水带破碎围岩得到有效改善和加强，围岩变形和涌水得到有效控制，隧道安全、顺利、快速地通过突水突泥段，可为类似地质灾害处治提供一定参考.

（2）采用仰拱曲率优化的抗水压衬砌断面能有效避免拱脚应力集中现象，衬砌受力均匀，有效提高结构的安全性和耐久性.

（3）采用多手段探明、验证突水突泥掌子面前方地质情况及致灾影响因素，是选择合理处治方案的前提.

（4）隧道突水突泥灾害处治措施应根据施工水平及现场实际情况的变化及时修正、调整，遵循动态设计、动态施工的理念.