埡口隧道突水突泥災(zāi)害綜合處治技術(shù)

文園林

(中交一公局西南工程有限公司，四川 成都 610031)

隨著西部大開(kāi)發(fā)和國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的需要，愈來(lái)愈多的隧道將穿越復(fù)雜地層，突水突泥災(zāi)害亦日趨嚴(yán)重。突水突泥將給施工帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響施工人員和設(shè)備的安全。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)突水突泥災(zāi)害的研究主要集中于災(zāi)變機(jī)制的分析[1-2]和臨界安全厚度判定等[3-4]。此外許芳等[5]基于改進(jìn)FTA-AHP法對(duì)隧道的涌水事故進(jìn)行評(píng)價(jià)并得到了影響涌水的主要因素。黃興鵲等[6]通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段對(duì)突水突泥進(jìn)行預(yù)測(cè)并有效提高了施工的安全性。鮑教賀[7]通過(guò)排水、地質(zhì)預(yù)報(bào)和大管棚施工等手段對(duì)工程的突水突泥災(zāi)害進(jìn)行控制，有效保證了施工安全。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)突水突泥災(zāi)害已有一定的研究，但是已有的研究主要集中于安全厚度和災(zāi)變機(jī)理的分析，涉及到的控制技術(shù)不夠全面。本文依托實(shí)際工程采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)綜合控制技術(shù)相結(jié)合的突水突泥災(zāi)害控制方法，工程效果良好，對(duì)類(lèi)似工程的施工具有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

成昆鐵路埡口隧道進(jìn)口端前接埡口中橋，位于米易縣丙谷鎮(zhèn)雷窩村附近，出口端路基過(guò)渡接白沙溝大橋，位于米易縣埡口鎮(zhèn)白沙溝附近。隧道起止里程為D2K540+220-D2K552+674，全長(zhǎng)12 454 m。掌子面施工至D2K551+774處，揭示主要為灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，右側(cè)有多處股狀流水，地下水較發(fā)育。隧道開(kāi)挖斷面高度12.3 m，寬度13.32 m。隧道埋深218 m，臺(tái)階法施工，采用Ⅲa型復(fù)合襯砌，拱部掛網(wǎng)噴錨。

隧地區(qū)地表水總體不發(fā)育，多以季節(jié)性溝水為主，多分布于五馬箐溝、回箐溝及白沙溝等地，水量隨季節(jié)性變化較大，溝水旱季水流較小，雨季流量驟增。受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、下滲及地表徑流等形式排泄。地下水主要為基巖裂隙水、斷層帶水及巖溶水，多以滲流形式由隧道左側(cè)向隧道右側(cè)安寧河河谷低洼地帶排泄，主要受大氣降水和地表水補(bǔ)給。

2 突水突泥概況

2017年8月26日晚20點(diǎn)，埡口隧道出口正在組織D2K551+774處中管棚作業(yè)平臺(tái)平整挖機(jī)作業(yè)，掌子面右側(cè)涌水突然增大，持續(xù)時(shí)間約30 min，方量約180～230 m3。伴隨著碎塊狀炭質(zhì)頁(yè)巖夾淤泥涌出，涌水引起掌子面右側(cè)拱部圍巖及初支失穩(wěn)，造成局部坍塌。施工單位、監(jiān)理單位共同測(cè)試日涌水量約13 600 m3，流出地下水呈灰黑色渾濁狀。

2017年8月28日上午掌子面持續(xù)出現(xiàn)坍塌，已施工完成的D2K551+774-777段3榀初期支護(hù)被砸垮，涌水方量約150 m3，夾雜深灰、灰黑色碎石及角礫土狀巖體。掌子面突水如圖1所示。

本次突水突泥造成已施工3榀鋼架被砸壞，掌子面處大管棚整體下沉彎曲破壞，掌子面后方D2K551+777-+790段13 m的初支噴射混凝土面出現(xiàn)變形及裂紋。

3 原因分析

2017年9月13日對(duì)地表進(jìn)行調(diào)查，掌子面位置距離兩條沖溝交匯處約70 m，兩條沖溝交匯處有大量碎塊石，溝谷內(nèi)主要為原高速公路棄碴，溝槽內(nèi)無(wú)水，未發(fā)現(xiàn)掌子面位置附近山體有陷坑。炸藥庫(kù)左側(cè)溝谷施作的水溝在降雨期間無(wú)水，推測(cè)地表水全部滲入隧道內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果表明涌水來(lái)源為近期強(qiáng)降雨導(dǎo)致地表水下滲，同時(shí)地表原高速公路棄碴場(chǎng)將地表水匯集，通過(guò)擠壓破碎帶流入洞內(nèi)，從而導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)。掌子面與地表沖溝位置如圖2所示。

圖1 掌子面突水 圖2 掌子面與地表沖溝位置

4 突水突泥控制技術(shù)

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道突水突泥災(zāi)害易影響工程進(jìn)度，甚至威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。為有效探測(cè)突水突泥段前方地質(zhì)和水文條件以保證施工措施的有效性，本工程采用綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)圍巖的地質(zhì)和水文條件進(jìn)行探測(cè)。

4.1.1 地震波反射法

預(yù)報(bào)結(jié)果表明該整段范圍內(nèi)縱、橫波速度均大幅下降，密度減小，存在多個(gè)反射面，推測(cè)該范圍內(nèi)地質(zhì)情況巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果如圖3所示。

圖3 地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

4.1.2 紅外探水

隧道整體紅外探測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)較平穩(wěn)，其中D2K551+830-+810范圍內(nèi)溫度稍高，D2K551+810-+785范圍內(nèi)各測(cè)線均無(wú)明顯變化，里程D2K551+780處五條測(cè)線均存在溫度下降趨勢(shì)。結(jié)合里程段D2K551+830-+780范圍內(nèi)當(dāng)前水量情況，推斷掌子面前方存在含水構(gòu)造。探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

4.1.3 加深炮眼

加深炮眼孔內(nèi)有股狀水流出，揭示地下水發(fā)育，未見(jiàn)空腔及溶腔。

4.1.4 超前地質(zhì)水平鉆

在可能發(fā)生涌水段落采用超前地質(zhì)水平鉆施作3個(gè)探孔，超前探測(cè)長(zhǎng)度不小于30 m，搭接長(zhǎng)度不小于5 m，作為止水盤(pán)并開(kāi)始下一循環(huán)探水，其中不少于1孔進(jìn)行取芯驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣

綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果表明掌子面前方圍巖節(jié)理發(fā)育，存在含水構(gòu)造，地下水豐富，未見(jiàn)空腔及溶腔。

4.2 第一階段控制技術(shù)

基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可知，掌子面前方圍巖性質(zhì)差，含水量大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。為保證施工安全性，本工程采用兩階段施工。首先對(duì)掌子面及掌子面前方圍巖進(jìn)行加固，為后續(xù)病害整治提供基礎(chǔ)。待掌子面支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行第二階段掌子面后方圍巖加固施工。

第一階段的施工流程如下：掌子面坍塌體平整→掌子面鋼架及后方加固→止?jié){墻施作→大管棚施工并注漿→止?jié){墻破除。

(1)對(duì)掌子面坍塌體進(jìn)行平整，施作C35砼止?jié){墻，厚度2.0 m，高度依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，保證管棚鉆機(jī)有足夠的操作空間。為保證止?jié){墻基礎(chǔ)穩(wěn)定，對(duì)坍塌體與止?jié){墻基礎(chǔ)間打設(shè)Φ42 mm鋼花管1排，同時(shí)止?jié){墻模板加固需采用I20b型鋼支撐加固，防止傾覆。掌子面止?jié){墻如圖6所示。

圖6 掌子面止?jié){墻 圖7 側(cè)壁洞室排水過(guò)程(單位：cm) 圖8 套拱施作及管棚注漿

(2)止?jié){墻澆筑前預(yù)埋?300 mm鋼管進(jìn)行集中引排水處理，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況同時(shí)埋設(shè)砼泵送管2～3根，高度相差1～2 m，為下一步空腔回填及吹砂做好準(zhǔn)備。同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在掌子面拱部及右側(cè)預(yù)埋主排水管，后期掌子面通過(guò)該段后，在D2K551+781處側(cè)壁開(kāi)設(shè)洞室，在洞室內(nèi)設(shè)集水井，將排水管引入集水井，并在洞室內(nèi)通過(guò)前方鉆孔對(duì)拱部右側(cè)進(jìn)行截水，將水引入集水井，通過(guò)集水井埋管，將水直接引入中心水溝，以保證后期運(yùn)營(yíng)安全。排水過(guò)程如圖7所示。

(3)對(duì)掌子面后方D2K551+781-D2K551+828段47 m采用周邊徑向注漿加固，采用Φ42 mm鋼花管，長(zhǎng)度5 m/根，間距1.5 m×2.0 m(環(huán)向×縱向)，梅花型布置，壓注1∶1水泥漿，注漿壓力0.6～1.2 MPa，注漿壓力可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

(4)對(duì)掌子面后方D2K551+781-D2K551+797段16 m上臺(tái)階范圍采用I18套拱加固，間距1.0 m/榀，拱腳采用雙排Φ42 mm鎖腳錨管，每根長(zhǎng)4.5 m，鋼架與初支間空隙采用三角木楔間隔2.0 m楔緊，保證套拱受力。套拱施作及管棚注漿如圖8所示。

(5)掌子面后方加固及止?jié){墻施工完成后，止?jié){墻D2K551+781處開(kāi)始施工洞內(nèi)護(hù)拱，采用I18輕型工字鋼2榀，間距0.5 m。

(6)管棚注漿加固完成后，采用破碎錘開(kāi)挖止?jié){墻，局部機(jī)械破除困難時(shí)可采用少量炸藥控制爆破，配合風(fēng)鎬人工鑿除，防止爆破振動(dòng)引發(fā)局部失穩(wěn)造成再次突泥。

(7)D2K551+774-781段換拱施工：現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)測(cè)量斷面檢查結(jié)果，對(duì)侵限段上臺(tái)階初支鋼架逐榀進(jìn)行拆換，按照Ⅴd型復(fù)合式襯砌。噴射混凝土27 cm，全環(huán)HW175型鋼，間距0.5 m，采用?108 mm大管棚套打?42 mm雙層小導(dǎo)管，拱腳采用雙排?42 mm鎖腳錨管，二襯厚度70 cm。

4.3 第二階段控制技術(shù)

暫停掌子面施工，第二階段施工順序如下：套襯支護(hù)→仰拱跟進(jìn)→徑向注漿→二襯→侵限段換拱。

(1)套襯支護(hù)施作：對(duì)D2K551+797-+767突水坍塌影響段30 m拱墻范圍內(nèi)施作套襯加強(qiáng)支護(hù)。原鋼架、套襯拱、墻腳位置均采用?42 mm雙排鎖腳錨管加固，每根長(zhǎng)4.5 m，采用U型筋與鋼拱架焊接牢固。

(2)仰拱跟進(jìn)施作：套襯施工完成后盡快跟進(jìn)仰拱，對(duì)D2K551+795-+777段初期支護(hù)按Vd型襯砌仰拱封閉成環(huán)，開(kāi)挖一榀封閉成環(huán)一榀，仰拱鋼架采用HW175型鋼，0.6 m/榀。每封閉成環(huán)3 m仰拱施作一板仰拱二襯及填充。

(3)徑向注漿施作：對(duì)D2K551+797-+764富水破碎段33 m拱墻范圍內(nèi)進(jìn)行徑向注漿，采用?42 mm鋼花管，長(zhǎng)度5 m/根，間距1.5 m×2.0 m(環(huán)向×縱向)，梅花型布置。為保證注漿飽滿密實(shí)，對(duì)初期支護(hù)背后部分塌腔在初期支護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后及時(shí)采用泵送混凝土回填。

(4)二襯施作：D2K551+830-+805段25 m原設(shè)計(jì)為Ⅲa型襯砌，襯砌厚度不變，按IVc型襯砌進(jìn)行配筋補(bǔ)強(qiáng)，加密環(huán)向盲管，1 m/道。預(yù)留+820-+810段10 m作為截水廊道施工位置。

(5)侵限段拆換：待D2K551+770-+758段二襯施作穩(wěn)定后，對(duì)D2K551 +795-+770段25 m范圍內(nèi)侵限單元進(jìn)行逐榀換拱，對(duì)D2K551+770-+767段3 m增設(shè)套拱拆除即可，拆換前用洞碴回填至上臺(tái)階高度，每次只能拆換一榀，拆換施工嚴(yán)禁放炮，拆換時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)并嚴(yán)格施作拱墻系統(tǒng)錨桿。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本工程采取的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)合兩階段施工的綜合控制技術(shù)能夠保證施工安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等手段對(duì)成昆鐵路埡口隧道的突水突泥災(zāi)害進(jìn)行控制。強(qiáng)降雨通過(guò)擠壓破碎帶流入洞內(nèi)是隧道失穩(wěn)的主要原因，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)合兩階段施工的綜合控制技術(shù)能夠有效保證現(xiàn)場(chǎng)施工的安全。實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)掌子面前方未施工段和已施工段采取支護(hù)加強(qiáng)的手段并保證施工質(zhì)量以確保后續(xù)開(kāi)挖的穩(wěn)定性。該施工方案已應(yīng)用于成昆鐵路埡口隧道，取得了良好的應(yīng)用效果。