中老鐵路玉磨段復(fù)雜隧道施工過程難點(diǎn)問題探討

文琚國(guó)全高級(jí)工程師，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司玉磨鐵路配合施工項(xiàng)目部副經(jīng)理

中老鐵路玉磨段位處云南省南部，隧線比大，隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隧道施工過程中各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其以前震旦系富水砂巖、板巖涌突問題最為突出。本文旨在對(duì)中老鐵路新平隧道施工過程中的涌突問題進(jìn)行探討，歸類總結(jié)了造成砂板巖隧道涌突的五種地質(zhì)環(huán)境、三種機(jī)理及影響因素。通過采取合理的超前預(yù)加固措施及施工工藝，在玉磨鐵路工程建設(shè)中突水突泥災(zāi)害得到成功預(yù)防，為今后類似項(xiàng)目的建設(shè)提供參考與借鑒。

In the Yuxi-Mohan section of China-Laos Railway, located in the south of Yunnan Province,the combined length of the tunnels, featuring complex geological structure, accounts for a large proportion. Various geological disasters, especially the inrush of pre-Sinian water-rich sandstone and slate, occur frequently during tunnel construction. This paper discusses the challenge of inrush in building Xinping Tunnel of China-Laos Railway, and summarizes five geological environments,three mechanisms and influencing factors that cause the inrush of sandstone and slate in the tunnel.Reasonable advance reinforcement measures and construction technology have been successfully applied to prevent water and mud inrush disasters in the construction of Yuxi-Mohan Railway project, which can provide reference for similar projects in the future.

一、引言

玉磨鐵路為中老鐵路國(guó)內(nèi)段，北起昆玉鐵路玉溪站，經(jīng)玉溪市、普洱市、西雙版納傣族自治州，至中老邊境磨憨站，設(shè)計(jì)行車速度160km/h，正線全長(zhǎng)508.53km。玉磨鐵路在中老邊境的磨憨口岸出境后，與中老鐵路磨萬段相接，經(jīng)老撾的瑯勃拉邦省，到老撾首都萬象。遠(yuǎn)期規(guī)劃通過萬象-曼谷鐵路連接泰國(guó)鐵路網(wǎng)，與馬來西亞、新加坡相通，形成擬議泛亞鐵路中通道。玉磨鐵路是服務(wù)“一帶一路”倡議的重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。同時(shí)，玉磨鐵路能夠促進(jìn)云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和沿邊少數(shù)民族地區(qū)開發(fā)開放。2019 年，習(xí)近平總書記批示“要把中老鐵路建成‘一帶一路’、中老友誼的標(biāo)志性工程”。

中老鐵路玉磨段位于橫斷山區(qū)哀牢山縱谷地帶，地形起伏大，長(zhǎng)大隧道多，隧線比大，隧道總長(zhǎng)395.2km，占比77.7%。本線地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近，屬中國(guó)著名滇西南地震帶，地震烈度高，深大活動(dòng)斷裂發(fā)育，水熱活動(dòng)強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜。玉溪至元江長(zhǎng)約100km線路與揚(yáng)武-青龍廠斷裂帶伴行，元江至磨憨段穿越哀牢山、無量山、瀾滄江斷裂帶，受多期次強(qiáng)烈構(gòu)造作用影響，隧道圍巖破碎疏松。近幾年隧道建設(shè)中，尤其是西南地區(qū)鐵路建設(shè)，砂板巖地層隧道突水突泥事件時(shí)有發(fā)生，對(duì)工程建設(shè)帶來了巨大的損失，嚴(yán)重制約了工程建設(shè)的進(jìn)度。玉磨鐵路玉溪至元江段穿越前震旦系砂板巖地層，施工過程中，和樂隧道、萬和隧道、新平隧道、立新隧道、甘莊隧道等多次發(fā)生突水突泥事件，造成混凝土濕噴機(jī)械手被埋，二襯臺(tái)車被沖毀及人員受傷等。

中老鐵路玉磨段新平隧道突水突泥災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)Scene of water and mud inrush disasters in Xinping Tunnel of Yuxi-Mohan Section of China-Laos Railway

二、新平隧道地質(zhì)特征及常見問題

新平隧道位于云南“山”字型構(gòu)造前弧部位，為“昆明系山字型”東翼之開遠(yuǎn)“山”字型構(gòu)造與南北向構(gòu)造小江斷裂帶的復(fù)合部位及南嶺緯向構(gòu)造體系的西延部分，區(qū)域構(gòu)造極其復(fù)雜。隧道位于石屏-建水?dāng)嗔眩↗SF6）和揚(yáng)武-青龍廠大斷裂間，洞身大段落與揚(yáng)武-青龍廠早～中更新世活動(dòng)斷裂相伴而行，大型活動(dòng)斷裂的分支斷裂及形成的褶皺構(gòu)造極為龐雜。隧道主要地層巖性為前震旦系砂巖、板巖地層。元古界前震旦系昆陽群砂巖、板巖，形成于距今8 億年以前，先后歷經(jīng)前震旦系運(yùn)動(dòng)旋回、前震旦系加里東運(yùn)動(dòng)旋回、華力西印支運(yùn)動(dòng)旋回、燕山運(yùn)動(dòng)旋回、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)旋回及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈發(fā)育的斷裂與褶皺，斷裂活動(dòng)與巖漿活動(dòng)具有明顯多旋回性。古老的巖層在眾多構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下普遍疏松扭曲、破碎。

新平隧道3 號(hào)橫洞小里程D1K54+982涌突前圍巖及涌突后照對(duì)比圖Comparison of the surrounding rock before and after the inrush of the end-to-start direction D1K54+982 in Transverse Gallery No. 3 of Xinping Tunnel

三、砂板巖地層隧道突涌分類及特征

（一）新平隧道突水突泥統(tǒng)計(jì)

玉磨鐵路玉溪至元江段多次發(fā)生涌突，其中對(duì)新平隧道穿越前震旦系砂板巖復(fù)合地層段共25 次涌突，總方量約4.0 萬方。

新平隧道最大一次涌突發(fā)生在3 號(hào)橫洞正洞小里程方向。該次涌突發(fā)生前，掌子面揭示為薄層狀泥質(zhì)板巖；巖層近水平、橫向緩傾線路右側(cè)，縱向傾小里程方向；節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面多被泥化層充填。2017 年11 月6 日，D1K54+996 掌子面拱部曾發(fā)生溜坍，溜坍方量約280m。2017 年12 月8 日， D1K54+982 掌子面拱頂右側(cè)出現(xiàn)突砂（泥）涌水，瞬時(shí)涌水量約150L/s，至12 月9 日突砂量約4000m。2017 年12 月22 日，在清淤過程中D1K54+982 掌子面拱頂右側(cè)再次出現(xiàn)突砂、石（泥）涌水，瞬時(shí)涌水量約330L/s，兩次涌突累計(jì)突砂量約10000 m。突出物以灰黃色砂巖為主，粒徑0.2m ～0.8m 的突出物約占70%，其余為中粗砂、角礫。D1K55+002 及D1K55+011 里程處初期支護(hù)出現(xiàn)環(huán)向貫通裂縫，裂縫寬約1cm。

3 號(hào)橫洞D1K54+982 掌子面發(fā)生涌突根據(jù)開挖揭示的巖層及產(chǎn)狀分析來看，泥質(zhì)板巖透水性差，巖質(zhì)軟弱，形成相對(duì)的隔水巖層，阻止地下水下滲；砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，為地下水的賦存提供了儲(chǔ)存空間，形成了富水帶。開挖揭示的圍巖以泥質(zhì)板巖為主，地下水不發(fā)育，超前鉆孔及大管棚均未揭穿拱上部富水砂巖。當(dāng)板巖厚度不足以承載拱頂上方破碎富水破碎砂巖時(shí)，從拱頂上方發(fā)生涌突。

（二）砂板巖地層突水突泥特征

新平隧道發(fā)生涌突，涌突物母體主要為受構(gòu)造及風(fēng)化作用形成的砂巖及板巖破碎體，主要具有以下特征：

1.規(guī)模相對(duì)較小，持續(xù)時(shí)間短。砂板巖隧道發(fā)生的突水突泥主要表現(xiàn)為夾層或囊狀富水破碎體（帶），影響范圍較小。突涌規(guī)模較可溶巖小，持續(xù)相對(duì)較短時(shí)間即可穩(wěn)定。

2.砂巖、板巖巖性變化頻繁，突涌無規(guī)律。由于砂巖、板巖隧道巖體受構(gòu)造影響，巖性變化頻繁，隱伏的富水破碎體無規(guī)律可循。采用傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段很難準(zhǔn)確探明突涌體位置、規(guī)模等，涌突發(fā)生無規(guī)律可循，突水通道的形態(tài)和滲流狀態(tài)很難準(zhǔn)確探查。

3.受三臺(tái)階法開挖施工影響，涌突多發(fā)生在掌子面拱部及以上部位，尤其近乎水平緩傾巖層在存在富水破碎體時(shí)發(fā)生突水突泥可能性較高。

4.具有明顯的“馬桶效應(yīng)”。在同一位置第一次突泥或溜坍方量較小，第一次突泥或溜坍后滲流通道及空腔被涌突物堵塞，隨著能量聚集，后續(xù)在施工擾動(dòng)的情況下引發(fā)第二次涌突，且涌突規(guī)模明顯增加。

（三）砂板巖地層突水突泥分類

根據(jù)對(duì)新平隧道涌突發(fā)生的破壞形式分類，砂板巖地層隧道發(fā)生突水突泥可分為下述三種情況：1.隧道臨空面至涌突體之間的隔水巖盤不足以支撐涌突體的穩(wěn)定，發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致突水突泥；現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為圍巖完整的掌子面突然從掌子面前方或者拱頂發(fā)生破壞造成涌突。2.當(dāng)?shù)叵滤S著隔水巖盤的節(jié)理裂隙滲透至由隧道開挖形成的臨空面，隔水層的強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)不足以維持涌突體的穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生塑性破壞，引發(fā)突水突泥?，F(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為掌子面圍巖由干燥轉(zhuǎn)為潮濕、滲水；圍巖破碎，掌子面局部發(fā)生失穩(wěn)或溜坍，繼而發(fā)生涌突。3.隧道施工時(shí)，隔水巖盤被直接擊穿引發(fā)突涌。

（四）突水突泥地質(zhì)前兆特征

破碎的巖體和豐富的地下水是砂板巖隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害的必要條件。在隧道施工中，當(dāng)開挖接近或擊穿富存地下水的破碎圍巖段時(shí)，通常在施工中孕育著發(fā)生災(zāi)害的前兆特征。根據(jù)玉磨鐵路新平隧道多次突水突泥發(fā)生的特點(diǎn)，前震旦系富水砂板巖段突涌一般具有下述前兆特征：

1.在發(fā)生大規(guī)模涌突前掌子面一般會(huì)伴隨發(fā)生局部溜坍現(xiàn)象。新平隧道2 號(hào)、3 號(hào)橫洞，立新隧道橫洞都是在處理掌子面溜坍過程中發(fā)生較大規(guī)模涌突。

2.在施工過程中，開挖面地層由干燥逐漸轉(zhuǎn)為潮濕、滲水，水質(zhì)逐漸渾濁；掌子面后方初期支護(hù)出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象。前方破碎巖體地下水通過巖體節(jié)理、裂隙逐漸向開挖面滲流，巖體強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)急劇衰減趨勢(shì)，當(dāng)開挖面巖體強(qiáng)度不足以支撐富水破碎體的壓力時(shí)便有可能發(fā)生突水突泥。

3.在施工過程中，突然揭示斷層破碎帶，褶曲向斜處，裂隙密集帶等不良地質(zhì)，開挖面圍巖變潮濕，可聽到巖體內(nèi)部水流聲。新平隧道出口施工臨近阿不都逆斷層時(shí)，掌子面附近發(fā)生小規(guī)模涌突，現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)可聽到開挖面后方水流聲。

4.根據(jù)物探解釋結(jié)果，對(duì)物探異常段進(jìn)行超前鉆探時(shí)，鉆機(jī)鉆進(jìn)速率突然增加，鉆孔開始出現(xiàn)股狀水，且呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)。

四、突水突泥影響因素分析

隧道涌突是復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下發(fā)生的能量被動(dòng)釋放。導(dǎo)致發(fā)生涌突的影響因素很多，下文主要從地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造、地表降雨及地下水、巖層產(chǎn)狀及節(jié)理裂隙、施工工藝四個(gè)因素進(jìn)行分析。

（一）地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

玉磨鐵路玉溪至元江段圍巖以前震旦系砂巖、板巖地層為主。該地層距今8 億年，加之受多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，巖體古老疏松、破碎，部分風(fēng)化帶呈角礫狀、砂狀，為發(fā)生涌突提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。這其中以新平隧道最具代表性。新平隧道主要穿越前震旦系黑山頭組（Pt1hs）板巖夾砂巖，局部段落穿越前震旦系大龍口組（Pt1d）灰?guī)r、白云巖夾板巖，富良棚組（Pt1f）凝灰?guī)r、板巖夾砂巖，三疊系上統(tǒng)干海子組（T3g）頁巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖夾煤層。隧道位處石屏～建水區(qū)域性全新世活動(dòng)斷裂與揚(yáng)武-青龍廠區(qū)域性早～中更新世活動(dòng)斷裂夾持帶內(nèi)，洞身大段落平行揚(yáng)武-青龍廠大斷裂而行，距斷裂0.4km ～1km。洞身開挖揭示以變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖及泥質(zhì)板巖為主，巖層扭曲嚴(yán)重，部分緩傾，傾角約10°～20°，以中、薄層狀V 級(jí)圍巖為主。巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，破碎，為突水突泥提供了豐富的物質(zhì)來源。新平隧道多次發(fā)生涌突主要集中在受構(gòu)造影響嚴(yán)重的前震旦系黑山頭組板巖夾砂巖段（2 號(hào)橫洞工區(qū)～出口）。

（二）地表降雨及地下水

新平隧道洞身段埋深一般在100m～300m，局部穿越溝谷段落埋深在50m～100m，隧道埋深普遍較深；加之新平隧道地質(zhì)以砂巖與板巖護(hù)層為主，泥質(zhì)、炭質(zhì)板巖相對(duì)隔水，雨季地表降雨未能及時(shí)滲流至隧道掌子面。因此當(dāng)季地表降雨對(duì)隧道內(nèi)地下水的發(fā)育程度影響相對(duì)較小，具有一定的滯后效應(yīng)。

炭質(zhì)、泥質(zhì)板巖透水性較差，作為相對(duì)隔水層，當(dāng)節(jié)理裂隙為密閉或被泥化層充填賦存地下水較少；砂巖、砂質(zhì)板巖較破碎～極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于地下水富集，形成富水帶。當(dāng)隧道穿越泥質(zhì)板巖段落時(shí)地下水不發(fā)育；當(dāng)隧道穿越砂巖、砂質(zhì)板巖時(shí)地下水較發(fā)育。隧道發(fā)生涌突的來源為富水破碎砂巖，其規(guī)模主要受地下水靜儲(chǔ)量及破碎體的影響，與地表降雨相對(duì)影響較小，這與可溶巖發(fā)生涌突的季節(jié)性有區(qū)別。新平隧道在雨季與旱季均發(fā)生過涌突，且最大規(guī)模涌突發(fā)生在2017 年12 月，也驗(yàn)證了砂板巖隧道涌突這一特點(diǎn)。

（三）巖層產(chǎn)狀及節(jié)理裂隙

新平隧道主要穿越前震旦系黑山頭組板巖夾砂巖，兩種巖性護(hù)層作用明顯。受巖層厚度影響，隧道掌子面揭示可能為砂巖或板巖其中一種巖性，或者兩種巖層互層。當(dāng)掌子面揭示為板巖、拱頂上方存在富水破碎砂巖時(shí)，極易發(fā)生涌突現(xiàn)象。

隧道節(jié)理裂隙發(fā)育，利于地下水滲透，隨著地下水對(duì)圍巖的軟化和淘蝕作用，圍巖強(qiáng)度降低，整體性減弱，隧道洞周圍巖出現(xiàn)變形，局部出現(xiàn)松動(dòng)、垮塌現(xiàn)象，并伴有少量股狀涌水。隧道圍巖的變形以該出水點(diǎn)為突破口，地層顆粒逐漸隨水流走，形成臨空面，在富水松散破碎地層的作用下，發(fā)生突水突泥。因此，富水節(jié)理裂隙發(fā)育段發(fā)生突水突泥的概率顯著增高。

（四）施工工藝

隧道開挖前，圍巖處于天然穩(wěn)定平衡狀態(tài)。伴隨隧道開挖出現(xiàn)臨空面及放炮振動(dòng)影響等因素，隧道初期支護(hù)逐漸變形增大，洞周塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展，圍巖強(qiáng)度逐漸降低，在富水破碎環(huán)境下當(dāng)隔水巖盤不足以承受涌突產(chǎn)生的附加荷載時(shí)，容易出現(xiàn)涌突。因此施工過程中，改進(jìn)施工工藝，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，初期支護(hù)快速封閉成環(huán)，控制初期支護(hù)沉降變形對(duì)控制涌突具有積極意義。新平隧道對(duì)軟弱圍巖段采用挖機(jī)配置銑挖頭銑挖法施工，三臺(tái)階帶仰拱一次開挖，減小了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低了初期支護(hù)封閉成環(huán)的時(shí)間，對(duì)初期支護(hù)變形及洞周塑性區(qū)的發(fā)展起到了積極控制作用，在一定程度上降低了涌突發(fā)生的概率。

五、突水突泥預(yù)防措施

對(duì)于砂板巖隧道預(yù)防涌突發(fā)生應(yīng)以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，探明掌子面前方、上方地下水及圍巖情況，重點(diǎn)對(duì)突水突泥、掌子面失穩(wěn)進(jìn)行防范。豐富的地下水及破碎巖體是造成不良地質(zhì)突水突泥的根本原因，對(duì)預(yù)防涌突發(fā)生采取“排水泄能減壓、注漿圍巖改良、強(qiáng)支弱爆通過”的綜合處置原則，提前采取有效措施，減小涌突發(fā)生的概率。

（一）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

由于富水砂巖、板巖發(fā)生涌突的復(fù)雜性和無規(guī)律性，對(duì)前震旦系昆陽群砂巖、板巖互層隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采取了以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，鉆探法、物探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。用宏觀預(yù)報(bào)指導(dǎo)微觀預(yù)報(bào)、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)指導(dǎo)中短距離預(yù)報(bào)；微觀預(yù)報(bào)驗(yàn)證宏觀預(yù)報(bào)、中短距離預(yù)報(bào)驗(yàn)證長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)、鉆孔驗(yàn)證物探的工作思路，開展隧道防突水突泥超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專項(xiàng)工作。主要采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、瞬變電磁法、超前鉆探法。

前震旦系砂板巖隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分類表

（二）排水泄能減壓

對(duì)于砂板巖隧道，造成涌突的地下水主要為靜儲(chǔ)量基巖裂隙水。通過設(shè)置超前長(zhǎng)鉆孔、超前導(dǎo)坑或者通過迂回導(dǎo)坑內(nèi)增設(shè)斜向正洞的超前排水鉆孔，擊穿隔水板巖地層，將飽含在砂巖地層中的地下水提前引排，減小發(fā)生涌突的外動(dòng)力，可以有效減小發(fā)生涌突的概率及涌突規(guī)模。

（三）超前改良圍巖

對(duì)多次涌突總結(jié)發(fā)現(xiàn)，涌突物母巖為砂巖，現(xiàn)場(chǎng)基本以中粗砂、角礫為主。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)存在涌突風(fēng)險(xiǎn)段落通過超前（注漿）加固措施。一方面可以提高隔水巖盤的強(qiáng)度和厚度，另一方面可以對(duì)涌突物來源進(jìn)行加固，減少涌突物來源規(guī)模。超前加固一般包括密布超前管棚，超前局部、超前周邊、超前帷幕注漿加固等。加固范圍一般為隧道開挖輪廓線外2m～8m，并對(duì)掌子面前方土體進(jìn)行穩(wěn)定性加固。

（四）強(qiáng)支弱爆通過

施工過程中，為減小對(duì)可能涌突段落圍巖爆破振動(dòng)影響，對(duì)軟弱破碎圍巖可采用機(jī)械開挖代替爆破開挖，可有效減小對(duì)洞周圍巖的擾動(dòng)，控制塑性區(qū)的發(fā)展，避免隔水巖盤的強(qiáng)度快速弱化誘發(fā)涌突。如玉磨鐵路新平隧道采用挖機(jī)配置銑挖頭法開挖，對(duì)富水破碎段采用邊銑挖邊噴設(shè)混凝土施工工藝，有效減少了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制了圍巖變形及減小了涌突頻率。

由于可能涌突段落附加荷載的不確定性，為控制施工過程中初期支護(hù)變形風(fēng)險(xiǎn)及保障運(yùn)營(yíng)階段隧道安全，對(duì)可能發(fā)生涌突的段落采用加密鋼架、提高鋼架型號(hào)、加強(qiáng)二次襯砌措施。新平隧道對(duì)涌突段及可能存在涌突段，采用I20b 或I22b 工字鋼間距加密至0.6m/榀，加厚二次襯砌等措施。

六、總結(jié)與思考

砂巖、板巖復(fù)合地層隧道涌突可分為剪切破壞、塑性破壞、施工直接擊穿誘發(fā)涌突三種類型。由于砂板巖隧道突水突泥的復(fù)雜性、無規(guī)律性，采用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段相結(jié)合，探明掌子面前方涌突體位置、規(guī)模對(duì)預(yù)防突水突泥發(fā)生至關(guān)重要。

豐富的靜儲(chǔ)量基巖裂隙水是造成砂巖、板巖復(fù)合地層隧道突水突泥的能量來源，受構(gòu)造及風(fēng)化作用形成的砂巖及板巖破碎體是突水突泥的物質(zhì)基礎(chǔ)。提前減排圍巖內(nèi)基巖裂隙水對(duì)放置涌突具有積極作用。