隧道穿越高壓富水破碎帶盾構法施工可行性研究

王宏超

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

隨著國民經濟的全面發展與工程技術水平的不斷提高，鐵路隧道建設迎來前所未有的機遇與挑戰，復雜艱險山區鐵路隧道普遍面臨著大埋深、高水壓、地質復雜多變、不良地質發育等難題。突水涌砂因其發生過程突然、發生部位不易確定，以致成為山嶺隧道最為常見和危害性最大的地質災害之一，且往往造成嚴重損失。在隧道修建過程中，如何保證隧道施工安全、快速、順利的穿越不良地質地段是設計和施工技術人員必須研究和解決的重大課題。

治理礦山法施工隧道突水涌砂問題，已有較多成功的工程實例。渝懷鐵路圓梁山隧道高壓富水區采取超前帷幕注漿和徑向注漿等堵水方案[1-3]；廈深鐵路梁山隧道深埋富水陡傾軟弱帶采用長距離水平旋噴樁預加固通過[4]；玉蒙鐵路秀山隧道高壓富水極破碎可溶巖地段采取了注漿堵水、超前大管棚與小導管注漿、排水降壓等多種措施順利通過[5-6]。本文以改建成昆鐵路吉新隧道為工程背景，討論盾構法施工山嶺隧道高壓富水軟弱破碎帶的可行性。

1 工程概況

吉新隧道位于四川省涼山彝族自治州越西縣，隧道全長17 599.647 m，最大埋深1 200 m，為改建成昆鐵路重要控制工程。隧道DK303+900～309+788段穿越震旦系上統燈影組(Zbd)白云巖地層，隧址區斷裂和褶皺發育強烈，主要穿越普雄-尼日河活動斷裂，該斷裂主要由構造角礫巖、糜棱巖等組成，顯示明顯的壓性特征。受此影響，斷裂周邊存在大量的次生斷裂和褶皺構造，導致白云巖裂隙十分發育、巖體破碎。吉新隧道地下水豐富,主要為巖溶管道水和基巖裂隙水，該段正常日涌水量為1.9×104m3/d,最大日涌水量為3.4×104m3/d。

2 施工過程及原因分析

吉新隧道在施工過程中發生了多次突水涌砂災害，嚴重影響了施工安全與工程進度。

(1)2017年9月16日，二號橫洞掌子面H2DK0+225處發生突水涌砂并夾雜少量塊石，瞬時突水約9 m3/s，涌砂至H2DK0+725位置，方量約10 000 m3，突水涌砂造成洞口邊坡局部溜坍，方量約100 m3，洞口場地有大量突泥積沙(圖1)。

(2)2017年11月4日，一號橫洞掌子面H1DK0+810處出水隨后拱頂掉塊嚴重發生突涌，突涌泥石約1 800 m3，出水量約4 800 m3/d。處治過程中先后發生三次小規模突涌，共突涌泥石1 000 m3(圖2)。

圖1 二號橫洞突水涌砂

圖2 一號橫洞突水涌砂

根據所發生的突水涌砂及地質情況分析,突水涌砂原因主要有以下幾方面：

2.1 構造的影響

突水處靠近普雄-尼日河活動斷裂，該斷裂周邊可能存在大量的次生斷裂和褶皺構造，導致白云巖裂隙十分發育、巖體破碎，為地下水的富集提供了良好的外部條件。

2.2 巖性的影響

白云巖中分散分布可溶礦物方解石和其它易溶礦物，地下水先溶解可溶和易溶礦物(白云巖砂化)，溶濾作用和白云巖砂化的循環作用使巖石孔隙不斷增多，最終生成散粒狀白云石粉，形似粉細砂，白云巖的這一特殊溶蝕現象稱“砂化”現象。

2.3 地表水下滲補給的影響。

由于巖體破碎，垂直節理十分發育，巖溶發育的特征更多表現為垂直溶蝕現象，突水涌砂發生前該地區降雨頻繁，地表水下滲補給地下水使地下水位升高，地下水壓進一步增大，隧道發生突水涌砂的風險進一步增加。

綜上所述，發生突水涌砂主要原因是在活動斷裂的影響下，震旦系上統燈影組的微晶白云巖產生了網絡狀的節理裂隙；由于巖體破碎，為地下水的賦存和運移形成了良好的通道與空間。同時地下水的溶濾作用和白云巖砂化的循環作用，產生特殊的溶蝕“砂化”現象。在地表持續降雨的影響下，使處于飽水狀態下的溶蝕破碎巖體在滲透壓力作用下產生了潰決，造成了突水涌砂。

3 盾構法施工可行性分析

3.1 工法適應性分析

采用盾構法施工人員安全防護程度較高，可在盾構設備的掩護下安全地進行開挖與支護，能夠最大限度降低突水涌砂風險，同時盾構法施工受外部環境影響較小，可連續、快速施工。本隧道白云巖“砂化”嚴重地段采用盾構法先行快速施工左洞，一方面為右洞開辟掌子面創造條件，另一方面左洞先行引排地下水可有效的減小右線施工突水涌砂風險。

3.2 掘進設備功能需求

吉新隧道具有大埋深、長距離、高水壓、地質差異大、白云巖“砂化”現象嚴重的典型特征，傳統單一模式掘進機無法實現隧道施工安全、經濟與效率的最佳統一，同時具備多種掘進模式的掘進機是有效擴大設備適用范圍、提高抗風險能力的最佳選擇。針對本隧具體情況，掘進設備需具備如下功能：

(1)白云巖未“砂化”一般地段能夠實現長距離高效掘進，有效降低單位掘進里程人員進倉及換刀頻次；“砂化”、斷層破碎帶及高壓富水地段能夠實現突水涌砂地段不確定和可能高水壓環境下安全掘進。

(2)密封承壓能力和高水壓下開挖性能是確保帶壓掘進模式安全的關鍵，一旦隧道內出現泄漏將導致停機和復雜的維修處理，嚴重影響施工進度。本隧道可能面臨高承壓地下水和水頭壓力突變情況，必須采取高可靠的技術應對，防止密封擊穿、螺旋機噴涌等高水壓事故發生。

(3)準確的地質信息是保障安全施工的基礎。當前的隧道地質信息主要依賴前期的地質物探、鉆探獲得，要求掘進設備采用多種探測原理的機載超前地質探測技術，具備在隧道掘進過程中同步實施地質精確探測的能力。

(4)對斷層破碎帶、“砂化”地段實施超前加固和止水是防止隧道塌方、卡機和大涌水事故的有效方法。針對本隧水頭壓力高、突水涌砂風險高的顯著特點，要求掘進設備必須具備高效的超前預處理能力與良好的超前預處理效果。

(5)長期以來，卡機一直是隧道掘進機施工復雜地質面臨的重大風險，一旦發生卡機需耗費相當大人力、物力和財力去處置，還會造成長時間停機。要求掘進設備必須具備有效防控卡機風險的技術措施及較強的機械脫困能力。

3.3 管片結構設計

襯砌是直接支承地層、保持規定的隧道凈空、防止滲漏、同時又能承受施工、運營階段荷載的結構。一般是由管片拼裝的一次襯砌和必要時在其內部澆注混凝土二次襯砌所組成。一次襯砌是承擔荷載的主要結構，二次襯砌主要用作一次襯砌的補強、防水、抵御侵蝕等。本隧道水壓不大于1.0 MPa地段推薦采用單層襯砌結構；水壓大于1.0 MPa地段管片結構不能承受全部水壓，采取排水減壓，限壓排放措施，考慮結構加強、防水等因素推薦采用雙層襯砌，拱墻范圍內襯采用現澆鋼筋混凝土結構，厚度300 mm。

3.4 襯砌防排水設計

(1)防水設計遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則；

(2)一般地段(水壓小于1.0 MPa)以管片結構自防水、管片接縫防水及接頭防水為主，不設置二次襯砌，左右邊墻設泄水孔，對地下水以防為主，以排為輔。

(3)高壓富水地段(不小于1.0 MPa)管片結構防水防、排結合，設置二次襯砌，管片結構設泄水孔，對地下水采取排水減壓，限壓排放措施，以排為主、以防為輔。

(4)管片接縫防水措施由外側海綿橡膠擋砂條、兩道彈性防水密封墊以及內側嵌縫組成。

4 結論

(1)白云巖“砂化”是一種極為特殊的溶蝕現象，具有透鏡狀、離散型分布的特點，突水是涌砂的直接誘因，一旦發生便攜帶砂石從薄弱面涌出，發生突水涌砂。

(2)采用泥水盾構施工，可有效平衡地下水壓、消除爆破對圍巖的擾動劣化，能夠最大限度降低突水涌砂風險。

(3)本隧道一般地段(水壓小于1.0 MPa)不設置二次襯砌，左右邊墻設泄水孔，對地下水以防為主，以排為輔。高壓富水地段(不小于1.0 MPa)管片結構設置二次襯砌，管片結構設泄水孔，對地下水采取排水減壓，限壓排放措施，以排為主、以防為輔。

(4)復雜艱險山區隧道采用盾構法施工，應充分考慮盾構實施的外部條件，滿足設備運輸、用電負荷、施工場地及管片預制等要求。