秀山隧道(出口)防涌水突砂施工配套技術

楊文國，王才高，付廷達

(中鐵五局一公司，長沙 410117)

目前全國在建的Ⅰ級高風險隧道中，秀山隧道的難度名列前茅。秀山隧道自開工以來，以其“地質(zhì)條件復雜、圍巖變化頻繁、地下水極發(fā)育、涌水突砂石多、施工極其困難”而著稱，引起了相關單位的高度重視和關注。在近五年的施工中，施工單位攻堅克難，戰(zhàn)涌水、斗突砂，實現(xiàn)了安全質(zhì)量可控，沒有發(fā)生人員傷亡事故，摸索總結了一些有效經(jīng)驗，確保了工程順利、有序推進。

1 工程概況

秀山隧道位于新建鐵路昆(明)—河(口)線玉溪—蒙自段，隧道全長10 302 m，是全線的控制性重點工程，在線路左側與正線間距30 m處設置貫通平導，導坑全長10 294 m，為單線鐵路隧道。由中鐵五局與中鐵隧道局共同承建，其中中鐵五局負責出口工區(qū)的施工任務，該工區(qū)隧道采用常規(guī)鉆爆法作業(yè)、有軌運輸、三階段通風方式，洞內(nèi)為順坡排水。

秀山隧道地處地震強烈活動帶(1970年通?？h曾發(fā)生7.8級大地震)，斷裂與褶皺強烈發(fā)育，隧道地層巖性復雜，主要以白云巖、斷層角礫巖、礫巖、泥巖夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r為主，地質(zhì)條件差且具突變性，圍巖多為V級，風化破碎不均勻，巖溶、層理、節(jié)理、剪漲裂隙、寬張裂縫等十分發(fā)育。

地下水非常豐富。富水帶多，地下水補給豐富、水量大(預測全隧道日正常涌水156 500 m3，雨季時最大涌水量 235 000 m3/d)，出口工區(qū)日均涌水量50 000 m3以上，2007年 6月 26日曾達到120 000 m3/d，正洞與平導都存在十三個富水區(qū)和1 500 m的全斷面或局部帷幕注漿段，五里箐向斜段最為富水(蓄水量達1.22億m3)。

施工風險極高。由于地下水豐富，地質(zhì)突變性大，容易引發(fā)大涌水突砂(突泥)、圍巖變形、洞身坍塌、有軌運輸事故、富水段施工用電事故等高風險。

2 涌水突砂成因分析

2.1 涌水突砂發(fā)生的機理

隧道通過區(qū)圍巖受多期構造的影響，斷裂、褶皺、剪漲裂縫、寬張裂隙強烈發(fā)育，斷層鏡面擦痕和各種形狀的揉皺、裂縫等隨處清晰可見，地下水補給豐富，徑流通道非常復雜。隧道洞身穿越斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶時，因白云巖、斷層角礫巖大多松散破碎，自穩(wěn)性極差，遇水沖刷易形成流砂，在補給較遠的水流不斷沖掏下，松散破碎體或巖溶管道越擴越大，最后形成空腔，地下水不斷匯集、運移大量粉砂狀巖體;累積到一定程度后具有極高勢能和壓力，在有大量、高壓水的情況下，掌子面附近開挖擾動時，水夾砂石極易從支護薄弱部位噴涌而出，形成巨大的砂石流，誘發(fā)突發(fā)性的災害。

另外在斷裂帶核部，因構造應力集中，圍巖發(fā)生化學膠結或重結晶作用，膠結密實，有的形成鏡面并具一定強度，起相對隔水作用。在中帶和外帶部位，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，以機械破壞為主，膠結作用在破壞過程中較少發(fā)生，其膠結程度遠遠不如斷層鏡面或斷裂核心部位，加之受多期構造強烈影響，巖體被強烈搓碎，有利于地下水匯集和流通，長期進行溶蝕作用，形成規(guī)模較大的高壓富水溶蝕破碎帶，一經(jīng)開挖揭露，極易發(fā)生大規(guī)模涌水突砂。這種涌水突砂具有比較明顯的特征，涌水具有突發(fā)性，呈間歇性噴射狀，并攜帶大量細砂狀白云巖，夾黃色黏土等，涌水量大，水頭壓力高，破壞性極強。

2.2 白云巖及剪漲裂縫對涌水突砂的影響

秀山隧道出口工區(qū)白云巖破碎段較長。白云巖由白云石礦物集合而成，其結構非常松散，無紋理，極易碎裂，呈碎石角礫狀及中粗砂狀。白云巖強風化～全風化，巖體極破碎，加上段內(nèi)裂隙水發(fā)育，富水帶多，地下水補給豐富、水量大，對巖體穩(wěn)定性影響較大，開挖后拱墻巖體易坍塌掉塊，局部易產(chǎn)生涌砂。

剪漲裂縫為新構造活動的產(chǎn)物，常具有良好的透水、導水和儲水的性能。剪漲裂縫的存在，構成一地下集水通道，而且因其與巖層走向大角度相交，有效地匯集了補給方向的地下徑流。根據(jù)已施工段揭示的地質(zhì)條件預測里山背斜及五里箐向斜范圍內(nèi)，均發(fā)育規(guī)模很大的剪漲裂縫，張開達30～200 cm，將會出現(xiàn)大規(guī)模突水，對隧道施工將帶來不可預估的涌突水災害。

3 施工配套技術措施

破碎白云巖地段施工極易發(fā)生涌水突砂，經(jīng)過近五年的摸索實踐，總結出“探地質(zhì)”、“防突涌”、“繞險處”、“調(diào)工序”十二字施工應對經(jīng)驗。

3.1 探地質(zhì)

按“平導以排為主，限量排放;正洞以堵為主，堵排接合”的原則實施工程措施。采取以平導的施工為重點，“超前鉆孔放水保平導安全作業(yè)，平導超前放水保正洞有序掘進”。保證平導超前正洞300 m以上，使其真正起到超前地質(zhì)預報、排水、通風排煙和增開工作面等作用。

超前預測預報應采用綜合預報手段，以水平鉆孔為主，結合物探的方法，以準確探明地質(zhì)情況，尤其是涌水量、水壓力和水中的泥砂含量，并制訂相應的施工預案，防止涌水突砂。

出口工區(qū)采取每次打設三個30 m長以上深度的超前地質(zhì)鉆孔(每隔25 m施作一次)和隨機地進行紅外線探水來預測前方地質(zhì)情況，并且每循環(huán)在掌子面隨機打設10～20個5 m長釬探孔，再結合掌子面地質(zhì)觀察等來輔助預測。

3.2 防突涌

1)規(guī)范作業(yè)，努力施工支護到位。按“短進尺、弱爆破、強支護、勤量測、早封閉”原則作業(yè)。采用短臺階法施工，預留3 m左右的核心土，φ42超前小導管注漿加固、格柵鋼架或型鋼拱架支撐、循環(huán)進尺0.5～0.8 m，隨挖隨護，仰拱緊跟，二襯距下臺階掌子面距離60 m以內(nèi)。重視隧道底處理，應在開挖后立即澆注混凝土，盡量縮短仰拱與開挖面的距離，使支護整體受力。做好鎖腳錨桿或鎖腳導管的施作質(zhì)量，以及工序銜接。

2)當有較大規(guī)模巖溶泥和地下水很發(fā)育時，為防止發(fā)生突水涌泥事故，施工時采用上、下臺階法開挖，加密、加長拱頂超前小導管注漿加固。小導管每根長6 m，環(huán)向間距20～30 cm(軟巖處間距20 cm其它地方30 cm)。軟弱段采用風鎬開挖，盡量不施爆，遇堅硬圍巖需要松動爆破時嚴格控制藥量，每個孔裝1/3～1/2節(jié)炸藥，減少對圍巖的擾動。巖溶泥處采用鐵鏟小心清除，拱頂掛設網(wǎng)格為10 cm×10 cm的加密鋼筋網(wǎng)片支護。通過短進尺強支護、超前探測、疏水阻砂，高度警戒，確保穩(wěn)步推進。

3)對于剪漲裂縫、寬張裂隙采用掛設加密鋼筋網(wǎng)片、砂袋封堵、噴射混凝土密閉、小導管超前預注漿加固、扇形支撐加固后泵送混凝土回填裂縫空腔等配套技術措施。為防止前方儲水過多、壓力過大形成安全隱患，在掌子面打設3～5個排水泄壓孔，排泄水流釋能減壓。每次往前掘進時通過打設超前導管注漿，開挖進尺50 cm左右，隨即架立鋼拱架，掛設鋼筋網(wǎng)片后噴射混凝土及時支護，施工達到一定距離后在已支護段增設導管注漿加固洞身等，成功地通過了數(shù)個寬張裂隙、空洞、軟弱泥夾層段。

4)堅持“安全第一、預防為主”的原則，抓好安全生產(chǎn)和施工質(zhì)量過程控制。對施工現(xiàn)場堅持進行不定期檢查，尋找和發(fā)現(xiàn)存在問題，及時進行整改、完善措施，把安全質(zhì)量真正落實到位。

5)富水段作業(yè)時，施工機具和線路設置漏電保護器和防水措施，加強施工用電檢查和管理，確保安全。

6)及時做好變更設計工作，配合現(xiàn)場作業(yè)確保施工安全。發(fā)揮專家組的技術優(yōu)勢和施工經(jīng)驗，邀請和組織專家到現(xiàn)場進行指導幫助，及時解決施工中遇到的技術難題。

3.3 繞險處

在遇高壓富水巖溶破碎帶有大涌水突砂的風險時，應綜合分析采取針對性措施。采用大管棚超前預注漿或全斷面帷幕注漿進行固砂止水，確保前方不會涌砂后方能往前掘進。倘若在原位直接處理難以達到預期目的，而發(fā)生安全風險極大時，建議采用迂回導坑通過。

如2009年4月24日平導PDK34+377掌子面遇富水巖溶破碎帶發(fā)生大涌水突砂，“水石流”瞬間淹沒坑道83 m，涌出塊石直徑最大達 1.5 m，涌砂量約780 m3，最大涌水量達22 000 m3/d。經(jīng)現(xiàn)場仔細查看分析，掌子面圍巖已被涌水突砂擠爆，前方已形成大量坍腔或危壁，原位處理已幾無可能，于是提出迂回繞行方案。設計、監(jiān)理、業(yè)主現(xiàn)場討論，考慮到以后運輸、通風、維修搶險等因素并不贊同，要求施工單位將涌砂堆積體清除到原掌子面后再施作管棚注漿處理。但涌砂體無法開挖清除完，清理過程中有再次突涌淹沒人員和設備的風險。最后四方核對商量先在平導PDK34+400線左側施作導流洞引排地下水，降低平導水壓力，根據(jù)導流洞引水情況再行研究下步通過方案。后打設了十多個孔引水仍達不到要求，為確保安全，四方再次會商，最后決定采用從導流洞掌子面方向迂回通過該不良地質(zhì)段的施工方案(即平導3#迂回導坑)。在對應原平導掌子面里程附近即迂回導坑Y3K0+030處設置了混凝土止?jié){墻，然后采用30 m拱墻大管棚配合局部帷幕注漿加固前方巖體的方案。施工時涌水量大、水壓高、鉆孔注漿困難，進度相對緩慢，歷時三個月才安全通過該不良地質(zhì)段。

現(xiàn)在回頭來看，原涌砂堆積體下埋設的排水管和在Y3K0+030止?jié){墻處邊墻上打設的排水孔內(nèi)，水流歷經(jīng)一年多仍未減小，說明該處富水破碎帶寬度特長、水量極大，若采用其它方案可能施工難度更大，造價更高;表明采用迂回導坑通過并用管棚配合局部帷幕注漿固砂止水方案是成功的。

3.4 調(diào)工序

風險隧道施工中，遇到特殊情況時應根據(jù)實際需要及時進行工序調(diào)整。

1)若長釬探孔發(fā)現(xiàn)前方圍巖極其松散破碎，滲涌水不斷增大，或超前探孔內(nèi)有渾濁水流出時，應馬上停止掌子面掘進，及時掛網(wǎng)噴射混凝土封閉掌子面，保證有足夠的穩(wěn)定巖盤(5 m以上);然后采取有效措施疏水阻砂，防止掌子面圍巖被擠爆跨塌，確保人員及機械設備安全。

2)在遇有剪漲裂縫、溶洞、溶槽時，應將仰拱施工跟上，及早封閉成環(huán)，并在附近初支上增設鎖腳導管注漿，改善受力條件。

3)嚴禁帶水施工仰拱，有涌水時必須采用抽水機排干仰拱部位積水或注漿封堵隧底涌水后方可施作仰拱。

4)爆破后，觀察掌子面的圍巖及涌水情況，決定是先采取預防措施或是先行出渣。出渣時注意對涌水的引排，加強運輸軌道的清理。復噴混凝土前，采用軟管或防水板對集中涌水進行引排。

5)型鋼鋼架應盡量頂攏掌子面，如出現(xiàn)一側掌子面溜坍，則鋼筋網(wǎng)片也必須掛至掌子面，同時采用噴混凝土封閉，嚴防掌子面溜坍。對型鋼腳若發(fā)現(xiàn)涌砂掩埋，應及時清理，組織復噴密實。

6)由于洞內(nèi)施工時散水、股狀水較大，猶如水簾洞，在這樣的環(huán)境下施工，注漿堵水易產(chǎn)生隱患，實施排水又排不完，同時考慮工期等原因，不得不經(jīng)常實施帶水作業(yè)。在同時滿足①超前地質(zhì)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)涌砂、水流渾濁;②預測前方松散破碎帶寬度＞4 m;③掌子面總涌水量＞50 L/s(4 320 m3/d)三個條件的情況下必須采取帷幕注漿、大管棚注漿等必要措施以確保安全。當平導圍巖破碎，松散破碎帶寬＜4 m，掌子面涌水總量＜50 L/s，且沒有涌砂跡象時，根據(jù)實際開挖和探測情況，在確保圍巖穩(wěn)定的前提下，應采用加強初支、帶水作業(yè)施工方案。對正洞由于斷面大，發(fā)生涌水突砂后的風險和危害較大，一般不贊同帶水作業(yè)。

4 施工效果

通過努力，秀山隧道出口工區(qū)在安全、質(zhì)量、文明施工等方面取得了一定的成績?？偨Y的破碎白云巖段帶水作業(yè)施工的一些經(jīng)驗，順利應對和處理通過80余處不良地質(zhì)段，防止了8次涌水突砂風險的擴大。所運用的防涌水突砂施工配套技術可行、經(jīng)濟合理，實現(xiàn)了工程施工安全無事故，質(zhì)量好、形象佳。受到了各級領導和相關單位的一致認可和好評。

5 結語

從前期施工效果來看，超前地質(zhì)預報是確保隧道施工安全和順利渡過不良地質(zhì)段的一個最重要的施工技術手段;防涌水突砂施工配套技術的有機結合利用，是工程順利進行的關鍵和保障。研究總結出的配套措施雖針對秀山隧道的特殊地質(zhì)情況，對類似工程仍有參考價值。對于地質(zhì)最困難、風險最大的五里箐向斜段作業(yè)亦較為適用。本文提出的配套技術可為類似工程提供一些參考。當然，隧道施工防涌水突砂是一個系統(tǒng)工程，水文地質(zhì)的復雜性和突變性決定了應對措施的多樣性，除了以上配套技術外，其他配套的管理措施或將更加有效。

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