山區(qū)復(fù)雜地形深埋特長(zhǎng)隧道涌水處治技術(shù)

1 引言

隧道穿越巖溶地區(qū)時(shí)，地質(zhì)構(gòu)造特征復(fù)雜，造成隧道在修建過(guò)程中極易出現(xiàn)涌水突泥，輕則堵塞隧道、延誤工期，重則掩埋設(shè)備、造成人員傷亡，引發(fā)重大安全生產(chǎn)事故。

2017 年7 月，云南省楚雄至大理段高速公路九頂山隧道修建時(shí)遇大型巖溶水腔體發(fā)生突水突泥事故，共涌水約50 000 m3，最大單日涌水量達(dá)28 000 m3， 突水突泥后堆積的黏土超過(guò)了隧道斷面面積的2/3[1]。 2019 年11 月，云南省云縣至鳳慶高速公路安石隧道發(fā)生涌水突泥事故， 最終造成12 人遇難、10 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 525.01 萬(wàn)元。

我國(guó)隧道工程的建設(shè)逐漸深入西部山區(qū)，復(fù)雜多變的地質(zhì)條件給隧道修建提出了諸多難題，其中巖溶地區(qū)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的涌水現(xiàn)象成了制約隧道工程建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)難點(diǎn)。

為保證隧道順利貫通， 工程技術(shù)人員在施工過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、克服隧道涌水帶來(lái)的施工難題。何振寧[2]從30 多座隧道工程的施工過(guò)程中，總結(jié)了15 種典型工程地質(zhì)問(wèn)題。 張付軍等[3]以FLAC 3D 為研究手段，對(duì)斷層破碎帶中隧道涌水突泥處治方法展開(kāi)了研究，并研究了排水、堵水、排堵結(jié)合等處治方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。李生杰等[4]分析了烏鞘嶺隧道涌水塌方機(jī)制，并提出了針對(duì)性的施工措施。 袁水河[5]針對(duì)云南省昆明繞城高速楊林隧道特點(diǎn)，因地制宜采取“以堵為主、排水為輔、堵排結(jié)合”的方法對(duì)特長(zhǎng)隧道涌水突泥事故進(jìn)行處治。張明慶等[6]按工程地質(zhì)特征將宜萬(wàn)鐵路建設(shè)中所遇巖溶分為4 大類，并分別采用針對(duì)性措施進(jìn)行了有效治理。

本文以G4216 高速寧南至攀枝花段寧會(huì)隧道為例， 對(duì)山區(qū)復(fù)雜地形深埋特長(zhǎng)隧道涌水治理方法進(jìn)行介紹， 為類似隧道工程的修建提供一定參考。

2 工程實(shí)例

2.1 隧道概況

寧會(huì)隧道為G4216 線寧南至攀枝花段高速公路的控制性工程，位于四川涼山寧南縣和會(huì)東縣交界的大火山高中山區(qū)。隧道長(zhǎng)約10291m，進(jìn)出口洞門均采用端墻式，設(shè)計(jì)速度80km/h。

隧道修建區(qū)域位于川滇“歹”字形構(gòu)造隧址區(qū)主要地質(zhì)由背斜、向斜和4 條斷裂帶組成，且斷裂仍在活動(dòng)。 受地質(zhì)構(gòu)造的影響隧道軸線巖體較破碎。

2.2 水文地質(zhì)條件分析

隧道K304+747~K305+500 段穿越的地層主要為志留系石門坎組，以灰白色、白色灰?guī)r為主，微風(fēng)化，上部為裂隙含水層，下部為裂隙-溶隙含水層，地下水水主要順裂隙-溶隙及層面裂隙運(yùn)移補(bǔ)給。 結(jié)合物探資料及涌突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為涌水較高危險(xiǎn)段。

2.3 原設(shè)計(jì)及施工情況

寧會(huì)隧道進(jìn)口端右線K304+745~K305+430 段穿越段巖性為灰?guī)r夾頁(yè)巖、白云巖，中-微風(fēng)化狀，巖體較破碎-較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)、薄-厚層狀構(gòu)造，灰?guī)r巖質(zhì)硬，有溶隙、溶洞等蝕溶現(xiàn)象。本段圍巖原設(shè)計(jì)地勘資料為Ⅳ級(jí)，采用Z4b 襯砌類型，超前支護(hù)類型為C 形（單層φ42 mm×4 mm 注漿小導(dǎo)管）。

2.4 隧道涌水情況說(shuō)明

2022 年3 月9 日下午3 時(shí)， 寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞掌子面K305+232 處進(jìn)行超前鉆孔施作時(shí)，拱頂右側(cè)突然發(fā)生涌水突泥，并伴隨大量片石、塊石涌出。 據(jù)初步估算，涌水發(fā)生當(dāng)日洞內(nèi)涌水量約20 000 m3，涌泥量約10 000 m3，造成等掌子面處淤埋最高處達(dá)6 m，靠近仰拱處淤埋約2 m。

2.5 臨時(shí)處治措施

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生涌水后，在洞內(nèi)采取了以下應(yīng)急措施。 （1）清淤。保證人員安全的情況下對(duì)洞內(nèi)進(jìn)行清淤， 為后續(xù)處治工作打開(kāi)通道。（2）反壓。利用堅(jiān)硬的洞渣對(duì)掌子面進(jìn)行反壓回填，反壓回填長(zhǎng)度32 m。 （3）加固。 采用I18 工字鋼按1 m 間距加固掌子面后方既有初期支護(hù)。

3 巖溶探測(cè)及涌水原因分析

3.1 洞內(nèi)涌水監(jiān)測(cè)及分析

為了解右洞涌水規(guī)模、 并對(duì)地下水來(lái)源做初步判斷，自2022 年3 月10 日至2022 年5 月28 日對(duì)隧道內(nèi)涌水量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖1。

圖1 隧道內(nèi)涌水量監(jiān)測(cè)成果圖

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，寧會(huì)隧道洞內(nèi)涌水量維持在26 000 m3/d 上下，涌水量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)豐水期涌水量（見(jiàn)表1），并隨降雨天氣小幅波動(dòng)。

表1 K304+747~K305+500 段涌水量預(yù)測(cè)表

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，右洞K305+232 拱頂右側(cè)發(fā)育有一個(gè)大型溶腔通道或暗河，并通過(guò)圍巖裂隙、山體內(nèi)巖溶等通道與山體內(nèi)地下水相聯(lián)系，因此，造成涌水突泥后該處涌水量穩(wěn)定且水量受降水影響明顯。

3.2 巖溶探測(cè)成果

采用物探、 鉆探結(jié)合的綜合探測(cè)法對(duì)寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞K305+232 前方的地質(zhì)條件進(jìn)行了探測(cè)分析。 其中物探法分別采用TGP 法、Geode EM3D 系統(tǒng)及瞬變電磁法3 種方法進(jìn)行探測(cè)。 分析結(jié)果顯示，寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞K305+230~K305+420段存在一個(gè)沙漏形富水松散體，隧道在松散體中的穿越距離約190 m。 “沙漏”上半部分穿越多個(gè)巖性分界線，并與地表松散體相接，匯水面積大，推測(cè)為“沙漏”下方松散體重要的地下水來(lái)源。 “沙漏”下半部與寧會(huì)隧道右洞相交并繼續(xù)向隧道下方延伸。通過(guò)探測(cè)成果，證實(shí)了寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞K305+232 前方存在大型涌水通道的推測(cè)。

3.3 涌水突泥原因分析

綜合寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞涌水前后施工情況以及物探、鉆探成果分析，寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞K305+230~K305+420 段存在大型的富水松散體，并有溶腔發(fā)育。 掌子面超前鉆孔施工時(shí)揭穿了松散體與隧道間的巖層， 松散體內(nèi)儲(chǔ)存的大量地下水與碎石隨即通過(guò)該通道擠破圍巖涌入隧道內(nèi)部。

4 巖溶涌水處治技術(shù)

4.1 右洞既有初支加固

涌水發(fā)生后，掌子面附近既有初支出現(xiàn)變形、支撐能力降低。 為保證初支段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，現(xiàn)場(chǎng)清淤后，對(duì)K305+232~K305+226 段進(jìn)行注漿加固并增設(shè)鎖腳錨管，提高圍巖結(jié)構(gòu)的整體性，并控制圍巖變形。

4.2 封堵坍塌口

清理右洞掌子面塌腔后，在坍塌口安裝模板，并在模板上部預(yù)留注漿口、下部安裝管道引排腔內(nèi)涌水。 采用C30 噴射混凝土分層施工封堵塌腔，封堵厚度50 cm。噴射混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，由預(yù)留注漿口向腔內(nèi)灌注C20 混凝土填充封堵坍塌口。

4.3 迂回左線施工

2022 年3 月18 日，沿江高速寧攀公司組織召開(kāi)了涌水突泥處治方案咨詢會(huì)， 并特邀3 名專家對(duì)后續(xù)隧道施工方案進(jìn)行咨詢。 與會(huì)專家建議，在右洞涌水量尚未下降的條件下，應(yīng)避免右洞掌子面貿(mào)然施工，可從右洞K305+130 處增設(shè)1 個(gè)臨時(shí)橫洞迂回至隧道左洞施工。

采用導(dǎo)洞或相鄰線提前施工的方式， 既可以從左洞施工過(guò)程中了解地質(zhì)情況的變化， 又可以利用左洞排出部分地下水，減小右洞的涌水量[7]。同時(shí)，在右洞目前無(wú)法掘進(jìn)的現(xiàn)實(shí)條件下，通過(guò)擴(kuò)展左洞的施工面，從整體上可以加快隧道的施工進(jìn)度，盡可能降低此次涌水對(duì)隧道施工的不利影響。

為達(dá)到迂回左線施工的目的，從右洞K305+130 開(kāi)挖臨時(shí)橫洞，臨時(shí)橫洞與隧道軸線呈60°角（見(jiàn)圖2）。 橫洞接入左洞時(shí)，設(shè)置臨時(shí)支護(hù)擴(kuò)挖至正洞斷面。 向前施工5 m 后，反向拆除臨時(shí)支護(hù)并擴(kuò)挖至正洞斷面。

圖2 迂回左線施工示意圖

擴(kuò)展左線施工面后，向大里程方向繼續(xù)施工100 m，至左洞ZK305+250 處后，視左洞涌水情況及開(kāi)挖圍巖條件再開(kāi)挖右洞。

4.4 監(jiān)控量測(cè)

右洞K305+220~K305+232 段原設(shè)計(jì)為Ⅳ級(jí)圍巖，原施工參數(shù)為Z4b。 涌水突泥前，該段監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)按照Ⅳ級(jí)圍巖布置，監(jiān)測(cè)斷面間距10 m。 在后期施工過(guò)程中，監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)按照Ⅴ級(jí)圍巖布置，斷面間距縮小為5 m。 K305+220~K305+240段可增設(shè)2 個(gè)拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)； 周邊位移監(jiān)測(cè)測(cè)線與施工工法相匹配，臺(tái)階法施工時(shí)每級(jí)臺(tái)階布置1 條水平測(cè)線。

4.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

加強(qiáng)右洞施工過(guò)程中掌子面前方圍巖條件的探測(cè)工作。

鑒于隧道掌子面前方圍巖情況復(fù)雜， 地下水分布也會(huì)受施工影響出現(xiàn)變化，在施工過(guò)程中綜合采用地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁儀、TGP 與超前地質(zhì)鉆等探測(cè)手段相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)法，不斷明確圍巖條件，以隨時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

寧會(huì)隧道右洞突遇巖溶涌水后，利用物探、鉆探等方法探明了前方松散體的位置與規(guī)模。 同時(shí)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的涌水量監(jiān)測(cè)，明確了降雨與涌水的關(guān)系，進(jìn)一步明確松散體內(nèi)的地下水來(lái)源。 根據(jù)探測(cè)成果，制訂了后期施工計(jì)劃，減小巖溶涌水對(duì)隧道施工的影響。

1） 寧會(huì)隧道進(jìn)口右洞K305+232 拱頂右側(cè)發(fā)育有一個(gè)大型溶腔通道或暗河，通過(guò)物探、鉆探方法證實(shí)為一與地面聯(lián)通的大型富水松散體。

2）松散體匯水面積廣泛，且受地表降水影響明顯，導(dǎo)致隧道內(nèi)涌水量穩(wěn)定，且降雨時(shí)涌水量有明顯增加。