高寒富水隧道突泥突水災(zāi)害的防治措施研究

黨 亮，葉隆長(zhǎng)，趙 娜

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和土地資源的稀缺，地下空間的開發(fā)逐漸受到了基礎(chǔ)建設(shè)者的重視。然而，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜，隧道建設(shè)所需的技術(shù)難度也較大，經(jīng)常發(fā)生突泥突水地質(zhì)災(zāi)害。在今后隧道突泥突水的研究中應(yīng)將重點(diǎn)放在施工生產(chǎn)管理能力和在隱患探測(cè)精度的提高上，充分認(rèn)識(shí)災(zāi)害發(fā)生的成因和機(jī)理，才能有效的預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。

突泥突水災(zāi)害是由于應(yīng)力釋放引起軟弱破碎圍巖裂隙擴(kuò)展導(dǎo)致地表水補(bǔ)給長(zhǎng)期侵蝕或地下水突然進(jìn)入造成，張梅、肖廣智[1]對(duì)張集鐵路舊堡隧道F3斷層帶突水突泥處治技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)采用“泄水降壓、注漿加固、管棚支護(hù)、兩端夾擊”的治理原則和有效的施工方案，使隧道安全順利貫通。張會(huì)遠(yuǎn)、穆靜靜[2]研究了巖溶區(qū)大斷面隧道突泥突水的防治，提出隧道巖溶區(qū)巖溶管道、溶洞、斷層破碎帶等特殊地段施工控制技術(shù)。張民慶、孫國(guó)慶[3]提出了隧道工程突泥突水災(zāi)害處治技術(shù)，通過(guò)對(duì)8座規(guī)模較大的突泥突水隧道災(zāi)害案例分析，劃分出了突泥突水災(zāi)害類型，制定了災(zāi)害處治程序。莊旭峰、孫東[4]實(shí)例分析隧道建設(shè)對(duì)巖溶水的影響，以磨雄隧道和銀山隧道為例，借助大地電磁解譯和MIDAS-GTS程序計(jì)算，闡述巖溶地下水系統(tǒng)與隧道建設(shè)的不和諧關(guān)系。張民慶、汪綱領(lǐng)[5]提出了南廣鐵路白云隧道斷層突泥災(zāi)害治理技術(shù)。陳發(fā)達(dá)，周火鋒[6]對(duì)某軌道交通1號(hào)線雅蠻區(qū)間隧道巖溶突泥突水處治進(jìn)行了對(duì)策分析。因此，該文針對(duì)西南山區(qū)高寒高海拔地區(qū)的大規(guī)模突泥突水災(zāi)害，提出了設(shè)計(jì)和施工兩階段的突水突泥災(zāi)害防治措施，通過(guò)深入分析與探討，尋找合理處治與預(yù)防方案。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)、水文條件

某項(xiàng)目位于西南山區(qū)，工程地處高寒高海拔地區(qū)的鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和川滇南北斷裂帶交匯處附近，工程地質(zhì)復(fù)雜多變，水資源豐富，地表水補(bǔ)給迅速。

1.2 突泥突水致災(zāi)的機(jī)理分析

在西南高寒高海拔山區(qū)冬長(zhǎng)夏短，地表水補(bǔ)給豐富，水資源過(guò)多時(shí)容易造成突泥突水災(zāi)害；由于地質(zhì)復(fù)雜多變，碳酸鹽(白云巖和變質(zhì)巖)巖區(qū)是常容易出現(xiàn)突泥突水的地方，特別是地表水補(bǔ)給迅速富水地區(qū)、圍巖裂縫較多或破碎地區(qū)、含承壓水層地區(qū)。

通過(guò)隧道實(shí)際施工，發(fā)現(xiàn)斷層及隱伏斷層和斷層影響破碎帶中地表水補(bǔ)給的溝槽地段，尤其是活斷層地段是發(fā)生災(zāi)害的關(guān)鍵部位。在地質(zhì)構(gòu)造及土力學(xué)作用、挖掘擾動(dòng)和損傷、水巖相互作用等情況下，突泥突水是施工過(guò)程中地下水環(huán)境演化的主要結(jié)果。

某隧道突泥段埋深約300 m，可能存在水平方向地應(yīng)力的影響，且處于富水?dāng)鄬佑绊懫扑閹?，這幾大不利因素的疊合是促成突泥突水成因的地質(zhì)條件。

2 突泥突水的災(zāi)害防治措施研究

2.1 設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、評(píng)估與控制

在設(shè)計(jì)階段做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、控制與避讓或?qū)ｍ?xiàng)設(shè)計(jì)，在地勘階段應(yīng)采用多種手段，盡可能查明地質(zhì)、水文狀況(降雨量、涌水量等)，劃分隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定技術(shù)措施；對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)的隧道進(jìn)行超前預(yù)報(bào)、超前預(yù)支護(hù)以及超前鉆孔的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并納入工序管理。

2.2 施工階段的預(yù)報(bào)與工藝控制

施工過(guò)程中施工人員需對(duì)揭露的地質(zhì)狀況以及水量情況與設(shè)計(jì)作對(duì)比，即時(shí)提出變化情況做為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；對(duì)于識(shí)別到的斷層巖溶空洞等異常情況及時(shí)進(jìn)行專家論證和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定專項(xiàng)方案等；做好超前鉆孔的布設(shè)與施工，及時(shí)排除隧道內(nèi)的承壓水或滯水，做好炮孔的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2.2.1 災(zāi)害超前勘探與預(yù)報(bào)

1)超前地質(zhì)鉆探的指導(dǎo)作用

突泥突水常發(fā)生于開挖和清淤兩個(gè)過(guò)程，超前地質(zhì)鉆探可以在開挖之前提前直觀的判斷前方圍巖的地質(zhì)情況，同時(shí)在富水地區(qū)，適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)鉆孔可以達(dá)到排水的作用，有利于承壓水和滯水層的泄壓和排出；一般超前地質(zhì)鉆孔水平深度可達(dá)到80～150 m，根據(jù)鉆機(jī)型號(hào)和圍巖情況，一般鉆進(jìn)速率約12～15 m/h，沿掌子面平面方向布置三至五個(gè)鉆孔可基本探明掌子面前方圍巖狀況。

2)電磁波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用地質(zhì)雷達(dá)長(zhǎng)短結(jié)合的方法，形成地質(zhì)素描圖進(jìn)行預(yù)報(bào)，此種預(yù)報(bào)方法受儀器的先進(jìn)性、預(yù)報(bào)人員的經(jīng)驗(yàn)制約，往往只能在短距離預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，一般預(yù)測(cè)距離約為20～40 m，但不能對(duì)隧道的超前排水施工起輔助作用。

因此，加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和勘探工作，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道掘進(jìn)前方不良地質(zhì)，如空洞、富水、斷層、破碎帶等，做好地質(zhì)預(yù)報(bào)工作也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，可提前增加施工措施和減少人員傷亡和降低資源損失。

2.2.2 突泥突水的災(zāi)害搶險(xiǎn)程序

在發(fā)生突泥突水險(xiǎn)情后，必須在確保安全的情況下將人員設(shè)備等撤離，并組織相關(guān)專家對(duì)隧道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合隧道特點(diǎn)制定切實(shí)安全可行的突泥突水處治方案。在緊急情況下?lián)岆U(xiǎn)救災(zāi)非常重要，但清淤和救援的目的是在防止次生和二次災(zāi)害的基礎(chǔ)上安全救災(zāi)，必須對(duì)突泥淤積的安全性進(jìn)行評(píng)估，并采取相應(yīng)措施救災(zāi)。

1)加固與排水先行

在突泥突水發(fā)生后，由于隧道潰口上方情況不明，加之受地下水影響較大，突泥體流速較快，還可能發(fā)生再次突泥，從正面直接處治潰口危險(xiǎn)性較大，先對(duì)潰口裸露巖土體進(jìn)行加固處理，同時(shí)增加泄水通道。

2)清擋結(jié)合、合理清淤

采取拉渣或土袋及噴砼回填土等方式進(jìn)行封閉，回填縱向長(zhǎng)度3 m左右，以保證潰口注漿的效果；同時(shí)回填處應(yīng)設(shè)置足夠數(shù)量的排水管，保證潰口及塌腔內(nèi)不積水，并預(yù)埋一定數(shù)量的注漿管，在右洞反向加固潰口的效果不理想時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

突泥突水發(fā)生后，清淤工作困難而又危險(xiǎn)，很可能在清淤過(guò)程中發(fā)生二次突泥事故，所以在清淤過(guò)程中應(yīng)采用小斷面，并設(shè)置觀測(cè)標(biāo)識(shí)，隨時(shí)做好撤離。待清淤達(dá)到處治部位時(shí)設(shè)置止?jié){墻，清淤至一定距離后做好安全評(píng)價(jià)后在適當(dāng)位置做好封擋，為后續(xù)處治做好準(zhǔn)備工作。

2.2.3 突水突泥過(guò)程及應(yīng)急處理

1) 水的處理

某隧道屬反坡施工，均采取分級(jí)排水措施。在突泥治理過(guò)程中根據(jù)地層條件，采取鉆孔排水降壓法。

在處治過(guò)程中采用超前鉆孔排水使?jié)⒖诩巴荒嗟炔环€(wěn)定體內(nèi)滯水排出，使得處治時(shí)注漿質(zhì)量更容易保證，同時(shí)也起到排除隧道開挖過(guò)程中承壓水的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)反壓回填體打孔并埋設(shè)打孔波紋管，波紋管需做好防堵塞措施,做好積水坑及時(shí)抽排；在適當(dāng)位置向塌腔內(nèi)打泄水孔，保證塌腔內(nèi)不集水。一般泄水區(qū)域?yàn)榭v向范圍潰口左右各10 m外，鉆孔直徑為10～15 cm。分左右洞施工時(shí)，在地質(zhì)條件復(fù)雜、難以在突泥潰口處鉆設(shè)泄水孔時(shí)可利用雙導(dǎo)坑優(yōu)勢(shì)從另外一洞橫向鉆孔泄水，設(shè)置為向洞頂不少于3%的坡度以利于排水，具體如圖1和圖2所示。

2) 突泥潰口加固

對(duì)于潰口掌子面適當(dāng)位置采取止?jié){墻封堵，并預(yù)留泄水孔和注漿孔。一般采用100 cm厚C30混凝土止?jié){墻，鋼筋網(wǎng)采用φ12@20 cm雙層；對(duì)掌子面注漿加固，漿液水灰比1∶1，如圖3所示。

3) 超前預(yù)支護(hù)

(1)可施做旋噴加固工作室、旋噴加固：在隧道縱向靠近掌子面潰口約8 m范圍內(nèi)擴(kuò)挖工作室，在隧道拱部180°范圍內(nèi)向突泥體內(nèi)施工φ600超前水平旋噴樁，環(huán)向間距40 cm,旋噴樁咬合不小于20 cm。此種方案適應(yīng)于圍巖破碎且突泥段含水較大時(shí)。

(2)在隧道縱向靠近掌子面潰口約6 m范圍內(nèi)采用鋼架作為套拱，在隧道拱部180°范圍內(nèi)向突泥體內(nèi)施工φ108超前大管棚，環(huán)向間距30 cm，開挖時(shí)采用雙層超前小導(dǎo)管對(duì)突泥段進(jìn)行超前支護(hù)。

4)處治措施

(1)正面處治

①在超前預(yù)支護(hù)完成后開挖反壓回填體及下臺(tái)階：采用中壁法(Center Diaphragm)開挖。在開挖突泥段時(shí)，埋設(shè)3根φ108鋼花管至塌腔作為泵管，對(duì)拱頂空洞泵送C20混凝土；對(duì)泵送混凝土以上空洞進(jìn)行吹砂填充,泵孔孔徑為108 mm，開孔孔徑150 mm，采用φ25固定鋼筋與孔口管、工字鋼焊接,焊縫長(zhǎng)度不小于5d?；靥铐鸥叨葹樾龂姌痘蚬芘镆陨? m。應(yīng)注意分次回填，避免一次加荷載較大破壞既有初期支護(hù)，并保持排氣管暢通，兼做排水管使用。埋設(shè)2根φ108鋼花管作為預(yù)留泵管。加密環(huán)向排水管間距至2m/道，環(huán)向排水管直接引入排水溝，保證塌腔不集水。

②結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，加厚二襯襯砌和配筋率。

(2)迂回加固處治

由于隧道為雙線同時(shí)施工，左洞超前右洞突泥地點(diǎn)約65 m，左右洞凈距25 m，可采用迂回反向加固處治突泥?？稍趪鷰r相對(duì)較好段落從左洞施做車行橫洞兼做施工橫通道，進(jìn)入右洞，在右洞形成兩個(gè)新的工作面，其中往進(jìn)口方向作為新的主洞正常施工掌子面，往出口方向掌子面施工反向加固處治突泥潰口，具體加固方案見(jiàn)圖4。

①采用反壓回填對(duì)突泥的涌出口進(jìn)行封堵?；靥铙w頂寬3.0 m，坡面1∶1。為提高坡面的穩(wěn)定向，坡面采用袋裝土回填。

②施工橫洞進(jìn)入右洞后，正向朝進(jìn)口方向可開辟新工作面正常施工。反向朝出口突泥段施工右洞，處治突泥。反向上臺(tái)階施工至一定長(zhǎng)度后施工大管棚工作室，向出口方向在拱部180°范圍施工36 m長(zhǎng)φ108大管棚，在大管棚中間增加鋼筋籠以增加剛度，大管棚環(huán)向間距30 cm，對(duì)突泥頂部進(jìn)行初步注漿加固。同時(shí)，大管棚間穿插設(shè)置超前小導(dǎo)管作為超前支護(hù)。

3 結(jié) 論

突泥突水的發(fā)生必然會(huì)造成財(cái)產(chǎn)的損失和工期的延誤，甚至還可能造成人員傷亡，因此在隧道施工中安全是首要責(zé)任，采取合理的超前預(yù)報(bào)和鉆孔措施，做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是施工前的必備工作。通過(guò)二階段的突泥突水的防范措施研究得出如下結(jié)論：

a.在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、評(píng)估與控制，在地勘階段應(yīng)采用多種手段，盡可能查明地質(zhì)、水文狀況(降雨量、涌水量等)，劃分隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，制定技術(shù)措施；對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)的隧道進(jìn)行超前預(yù)報(bào)、超前預(yù)支護(hù)以及超前鉆孔的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并納入工序管理。

b.在施工階段加強(qiáng)施工階段的預(yù)報(bào)與工藝控制，在施工過(guò)程中施工人員需對(duì)揭露的地質(zhì)狀況以及水量情況與設(shè)計(jì)作對(duì)比，即時(shí)提出變化情況做出動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；對(duì)于識(shí)別到的斷層巖溶空洞等異常情況及時(shí)進(jìn)行專家論證和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定專項(xiàng)方案等；做好超前鉆孔的布設(shè)與施工，及時(shí)排除隧道內(nèi)的承壓水或滯水，做好炮孔的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

c.雖然從兩個(gè)階段采取合理的方式進(jìn)行預(yù)防能給隧道施工提供一定的預(yù)判和指導(dǎo)，但解決突泥突水的根本途徑還是要提高生產(chǎn)管理能力和確保技術(shù)措施的實(shí)施，確保各項(xiàng)工作落到實(shí)處，避免和減少突泥突水災(zāi)害的發(fā)生。