花崗巖地層溶蝕裂隙、管道型突水突泥處理技術

全 斐，趙 宇，趙春杰，高明成

(中鐵十局集團有限公司，山東 濟南 250000)

隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，隧道及地下工程發(fā)展迅猛，隨之而來的涌水突泥等地質災害問題日漸突出[1-5]。采取必要的措施應對地質災害，對隧道安全、快速掘進以及正常使用至關重要[6～10]。正在修建的大臨鐵路紅豆山隧道穿越花崗巖地層，施工中突發(fā)大規(guī)模涌水、突泥，而目前國內花崗巖地層形成蝕變、溶蝕裂隙管道地下水的案例比較少見，且滇西地區(qū)地質構造及水文地質環(huán)境極為復雜，可借鑒的施工經驗極少。筆者總結了紅豆山隧道處理突發(fā)大規(guī)模涌水、突泥的主要特點，綜合地質勘探及超前地質預報結果，對迂回導坑試探性繞行施工技術進行了研究。

1 工程概況

大臨鐵路位于云南省西南部地區(qū)，北起廣大線大理站，經大理州巍山縣，跨越瀾滄江后進入臨滄市。紅豆山隧道位于瀾滄江以南，臨滄市鳳慶縣及云縣境內，單線鐵路隧道，起訖里程DK114+497～DK125+113，全長10 616m，最大埋深1 020m，隧道斷面凈空6.98m×7.1m(寬×高)。如圖1所示，全隧共設2座斜井+2座洞身平導，1號斜井平長1 799m，斜井縱坡10%；2號斜井平長1 657m，斜井縱坡10.3%；1號斜井工區(qū)平導長1 600m，2號斜井工區(qū)平導長2 210m，平導中線與線路中線距離30m。設計預測正洞最大涌水量42 994m3/d，1號斜井最大涌水量Qmax=7 234m3/d，2號斜井最大涌水量Qmax=7 216m3/d。

圖1 紅豆山隧道示意

隧道穿越地層主要為印支期黑云花崗巖。隧道地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶，隧道穿越龔家斷層、星源斷層、關口平移斷層、冬瓜村斷層、學房斷層、老茶房斷層、小溫崩斷層等7個斷層，地質條件極其復雜。地下水的賦存與分布主要受地質構造、地形地貌、巖性及氣候等因素的控制，隧道區(qū)域水文地質條件復雜，地下水類型較多，主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、斷層裂隙水。

2 涌水突泥情況

2018年8月17日14時40分，紅豆山隧道2號斜井平導施工至PDK121+661，掌子面無水，爆破后準備出碴時左側拱頂出現掉塊，約20min后突發(fā)涌水，瞬間淹至距掌子面80m處，至8月20日16時，水位上升至斜井X2DK0+470，已經開挖的平導、正洞全部淹沒，如圖2所示。

圖2 2018年8月17日2號平導涌水

2018年11月14日對掌子面PDK121+661涌水塌方處后方加固處理，14時58分，PDK121+671.5～+668.6段上臺階套拱立架完成準備施作鎖腳錨管時，拱頂左側接近拱頂位置出現掉塊并有響聲，且頻率較高，此時水量增大，水質變渾，現場立即撤離作業(yè)人員，至15時2分，發(fā)生涌水突泥現象，水質渾濁，流速較快，瞬間沖至PDK121+700處，堆積物為塊、碎石及泥沙，如圖3所示，塌體中含大量方解石，塌體將PDK121+661處拱部塌口掩埋，渣體為緩坡，估算總塌方量為800m3，塌體處出水量約14 160m3/d(即590m3/h)。

圖3 2018年11月14日2號平導突泥

3 地質條件研究

3.1 地質及水文探測

紅豆山隧道2號斜井平導發(fā)生涌水突泥后，對該段進行了大量的補充地質調查。平導涌水處揭示巖性為印支期黑云母花崗巖：為淺灰、灰白色，夾黑色斑點，塊狀構造，中～粗粒結構，弱風化。隧道DK121+000～DK122+600段線路右側發(fā)育一常年流水溝谷，距離線路0～500m，與線路交于DK122+520，為分析流水溝谷地表水與洞內涌水的關聯性，在紅豆山2號斜井進口集中排水口溝谷上游20m～50m范圍內和下游20m～50m范圍內布設共計2個簡易流量觀測點，計算溝谷水流量變化。同時對PDK121+200～PDK122+200段線路左右各500m范圍內地表泉眼、水井、池塘、水田及溝渠水流量進行觀測，核實是否出現地表失水現象。

根據洞內涌水監(jiān)測情況及洞外簡易流量觀測點統計，2018年8月17日～9月18日每天涌水量在19 076m3/d～43 702m3/d，累計抽水量約110萬m3。根據抽排水記錄分析除8月19日出現涌水峰值84 000m3/d (3 500m3/h，持續(xù)38min)以外，其余時間涌水量為795m3/h～1 821m3/h。對PDK121+200～PDK122+200段線路左右各500m范圍內地表變形、泉點、水井、池塘、水田及溝渠水流量進行觀測，未發(fā)現明顯異?，F象。分析結果表明，隧道內涌水與地表水沒有直接的補給關系。

3.2 超前地質預報

涌水發(fā)生后，采用拉碴反壓回填、堆碼沙袋形成作業(yè)平臺，出水點預留排水管引至邊墻，掌子面采用8cm厚噴射混凝土封閉，在原超前地質預報基礎上，采用“物探+鉆探”綜合超前地質預報方法對涌水段落及周邊進行補充預報。

3.2.1 物探。在PDK121+661掌子面附近先后兩次補充實施地質雷達、瞬變電磁[11]，瞬變電磁測點布置見表1，從預報的數據資料分析，前后兩次瞬變電磁結果基本吻合，數據準確度較高；地質雷達實施過程受涌水及坍塌體不平整等影響，掌子面前方無法探測。結合瞬變電磁、地質雷達周邊探測和原有TSP資料分析，掌子面前方及隧道周邊圍巖強度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，水量大。受掌子面涌水等不可移除的干擾因素影響，物探結果需采用鉆孔進行驗證。

表1 瞬變電磁工作測線布置方式

3.2.2 鉆探。為查明涌水段隧道前方及周邊一定范圍內相對低阻異常帶的花崗巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、蝕變及地下水發(fā)育程度。采用ZML160鉆機，在PDK121+677斷面左、右側及PDK121+679斷面拱頂布置5個Φ108mm鉆孔，見表2。探孔布置及探測結果見圖4。

表2 PDK121+677、PDK121+679斷面鉆孔統計表

圖4 地質預報探測結果示意

從圖4中可以看出，涌水段落存在物探相對低阻異常區(qū)域范圍較大，結合鉆探資料分析，富水區(qū)域存在于隧道掘進方向左側、拱頂及掌子面前方，且涌水掌子面(PDK121+661)左前方、前方存在約3m寬空腔，空腔內局部泥沙充填。

綜合物探、鉆探判釋結果說明花崗巖巖體存在囊狀富水體，結合掌子面揭示巖性分析為花崗巖中局部分布可溶巖俘虜體，在地下水淘蝕作用下形成溶蝕管道、裂隙，基巖裂隙水沿溶蝕管道排泄，富水體補給源豐富，施工中揭示溶蝕管道，形成涌水。

4 試探性迂回繞行方案

4.1 方案比選

4.1.1 方案一。超前大管棚支護，爆破防水。由于掌子面水量大，前方存在約3m寬空腔，空腔貫通性好，且目前無法準確探明空腔高度，空腔內局部充填泥沙，再次開挖可能造成大面積涌水、突泥，施工危險系數高，且超前大管棚支護、初期支護無法完全保證后期施工通道安全。

4.1.2 方案二。帷幕注漿。帷幕注漿堵水工程造價高，施工進度緩慢，注漿充填空腔效果難以保證，且堵水可能造成水壓增大，不利于后期正洞施工。

4.1.3 方案三。試探性迂回繞行。綜合超前地質預報進行迂回導坑試探性施工，原平導作業(yè)面作為泄水通道，泄水降壓。

根據現場實際情況，考慮降低施工風險、確保工期、節(jié)約投資等因素，采用迂回繞行的施工方案。

4.2 第一次迂回繞行施工

4.2.1 迂回繞行施工方案。 根據涌水段超前地質預報綜合分析，平導掘進方向右側圍巖強度較高、水量小，且右側繞行可有效避開正洞，減少后期對正洞施工干擾，故選擇從掘進方向右側設置迂回導坑，平行段與平導中線距離25m，與平導中線交于PDK121+685=YPDK0+000處，交角為60°，迂回導坑設計長度107.74m，如圖5所示。迂回導坑斷面形式、坡度與原平導一致。

圖5 迂回繞行示意

迂回導坑超前地質預報采用瞬變電磁+3孔超前鉆孔兼排水孔+5孔加深炮孔+掌子面地質素描方式開展，根據地質預報綜合分析成果實時調整圍巖級別、支護參數及開挖工法。

4.2.2 迂回繞行遇到的問題。迂回導坑掌子面施工至YPDK0+036揭示為弱風化黑云花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，3個超前鉆孔內均有股狀水流出，總水量約200m3/h，迂回平導鉆孔內出水后，原平導掌子面總出水量減少約200m3/h。掌子面施工至YPDK0+044，3個超前鉆孔內涌水量增加至320m3/h，結合綜合地質預報結果，采用φ108mm大管棚超前支護，大管棚間斜插φ42mm小導管，并在邊墻、拱頂施作泄水孔泄水降壓。掌子面施工至YPDK0+048，上臺階立架完成準備施作加密超前小導管時，拱頂左側接近拱腰位置出現掉塊，本循環(huán)封閉后暫停施工，次日頻繁出現掉塊聲響，現場拉碴反壓回填，過程中有股狀水流出，水質較渾，并伴有泥沙流出，且水量注漿增大，水質渾濁，現場撤離作業(yè)人員，約1h后發(fā)生涌水突石(泥)現象，成分為泥夾碎石塊砂，方量約200m3，塌口位于拱頂～左拱腰，已被塊、碎石封堵。塌口出水量約260m3/h。

4.2.3 涌水突泥原因分析。 瞬變電磁判釋YPDK0+051～+091段相對電阻率較前段降低，含水量較前段增大，其中YPDK0+067～+091為相對低阻異常帶，水量較大。鉆探數據顯示YPDK0+046～+076段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，蝕變較嚴重，自穩(wěn)性差，地下水發(fā)育，如圖6所示。

圖6 YPDK0+031～+091段瞬變電磁電阻率剖面

分別在YPDK0+036、YPDK0+044兩個斷面施作共9個超前鉆孔，兩次鉆孔揭示地質條件與物探結果基本吻合。

根據物探、鉆探結果分析，YPDK0+048掌子面左側、拱頂前方富水，且掌子面附近存在較大空腔，局部巖體蝕變嚴重，右側巖體較為破碎，分布較多軟弱夾層，地下水較不發(fā)育。結合原平導地質預報結果判斷，原平導與迂回導坑之間可能存在貫通裂隙、管道，富水。為擴大探測范圍，在迂回導坑YPDK0+030、+041右側與坑道線路60°夾角補充60m深鉆孔，YPDK0+030右側邊墻鉆孔鉆進速度0.38m/min～0.75m/min，巖質軟硬不均，鉆孔內無水，無卡鉆現象。YPDK0+041右側邊墻鉆孔，鉆進速度0.375m/h～0.5m/h，巖質較硬，鉆孔內無水，無卡鉆現象。綜合以上數據分析，迂回導坑右側巖體強度較高，圍巖完整性較好，孔內無水。

4.3 第二次迂回繞行施工及結果

4.3.1 迂回繞行方案。在迂回導坑前進方向右側設置2號迂回導坑，2號迂回導坑平行段與迂回導坑中線平距為30m，與原平導中線平距為55m，沿原1號迂回導坑斜邊延伸施工，進入平行段后設不小于50m的平行直線段，待通過富水區(qū)域段后再回到原設計平導中線，如圖7所示。

圖7 2號迂回繞行示意

4.3.2 繞行效果及修正。第二次繞行順利完成，迂回導坑順利轉入原平導線路施工，平導順利通過了涌水突泥段落，平導富水段落平均月進尺達到90m以上，原平導作為泄水通道，在原平導內向正洞方向施作長距離探孔泄水降壓，為正洞的施工創(chuàng)造有利條件，目前正洞已順利穿過涌水段落。

5 結論及建議

根據紅豆山隧道工程實際，綜合地質勘探及超前地質預報結果，采用迂回導坑試探性繞行避讓和深孔泄水的方案，順利通過了涌水段。主要結論及建議如下：①紅豆山隧道涌水為滇西花崗巖地層蝕變、溶蝕裂隙、管道地下水，具有水量大、涌水連續(xù)、貫通性好、補給水頭穩(wěn)定等特點，通過試探性迂回繞行，結合超前地質預報結果動態(tài)調整迂回導坑線路，可成功通過涌水突泥段落，保障施工安全。②采用“瞬變電磁+超前鉆探”地質預報組合方式，在紅豆山隧道涌水突泥處理中取得了較好的效果，能夠較清楚的探測到隧道掌子面及周邊富水區(qū)域、空腔等異常地質，但受地質條件的復雜性和地質預報實施過程中不可排除的影響因素的影響，超前地質預報方法對花崗巖蝕變、溶蝕裂隙的預報在一定范圍內仍存在局限性，這也是造成第一次迂回繞行未成功的主要原因。③滇西花崗巖地層蝕變、溶蝕裂隙、管道地下水情況極為復雜，蝕變巖體受地下水侵蝕影響，強度降低明顯，且差異性大，對該類地質條件下隧道施工的安全巖盤厚度應適當加大。