高寒富水隧道突泥突水災害的防治措施研究

黨 亮，葉隆長，趙 娜

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

隨著社會經濟的飛速發展和土地資源的稀缺，地下空間的開發逐漸受到了基礎建設者的重視。然而，由于地質條件的復雜，隧道建設所需的技術難度也較大，經常發生突泥突水地質災害。在今后隧道突泥突水的研究中應將重點放在施工生產管理能力和在隱患探測精度的提高上，充分認識災害發生的成因和機理，才能有效的預防災害發生。

突泥突水災害是由于應力釋放引起軟弱破碎圍巖裂隙擴展導致地表水補給長期侵蝕或地下水突然進入造成，張梅、肖廣智[1]對張集鐵路舊堡隧道F3斷層帶突水突泥處治技術進行了研究，通過采用“泄水降壓、注漿加固、管棚支護、兩端夾擊”的治理原則和有效的施工方案，使隧道安全順利貫通。張會遠、穆靜靜[2]研究了巖溶區大斷面隧道突泥突水的防治，提出隧道巖溶區巖溶管道、溶洞、斷層破碎帶等特殊地段施工控制技術。張民慶、孫國慶[3]提出了隧道工程突泥突水災害處治技術，通過對8座規模較大的突泥突水隧道災害案例分析，劃分出了突泥突水災害類型，制定了災害處治程序。莊旭峰、孫東[4]實例分析隧道建設對巖溶水的影響，以磨雄隧道和銀山隧道為例，借助大地電磁解譯和MIDAS-GTS程序計算，闡述巖溶地下水系統與隧道建設的不和諧關系。張民慶、汪綱領[5]提出了南廣鐵路白云隧道斷層突泥災害治理技術。陳發達，周火鋒[6]對某軌道交通1號線雅蠻區間隧道巖溶突泥突水處治進行了對策分析。因此，該文針對西南山區高寒高海拔地區的大規模突泥突水災害，提出了設計和施工兩階段的突水突泥災害防治措施，通過深入分析與探討，尋找合理處治與預防方案。

1 工程背景

1.1 地質、水文條件

某項目位于西南山區，工程地處高寒高海拔地區的鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和川滇南北斷裂帶交匯處附近，工程地質復雜多變，水資源豐富，地表水補給迅速。

1.2 突泥突水致災的機理分析

在西南高寒高海拔山區冬長夏短，地表水補給豐富，水資源過多時容易造成突泥突水災害；由于地質復雜多變，碳酸鹽(白云巖和變質巖)巖區是常容易出現突泥突水的地方，特別是地表水補給迅速富水地區、圍巖裂縫較多或破碎地區、含承壓水層地區。

通過隧道實際施工，發現斷層及隱伏斷層和斷層影響破碎帶中地表水補給的溝槽地段，尤其是活斷層地段是發生災害的關鍵部位。在地質構造及土力學作用、挖掘擾動和損傷、水巖相互作用等情況下，突泥突水是施工過程中地下水環境演化的主要結果。

某隧道突泥段埋深約300 m，可能存在水平方向地應力的影響，且處于富水斷層影響破碎帶上，這幾大不利因素的疊合是促成突泥突水成因的地質條件。

2 突泥突水的災害防治措施研究

2.1 設計階段風險的識別、評估與控制

在設計階段做好風險評估、控制與避讓或專項設計，在地勘階段應采用多種手段，盡可能查明地質、水文狀況(降雨量、涌水量等)，劃分隧道的風險等級，制定技術措施；對存在風險的隧道進行超前預報、超前預支護以及超前鉆孔的專項設計，并納入工序管理。

2.2 施工階段的預報與工藝控制

施工過程中施工人員需對揭露的地質狀況以及水量情況與設計作對比，即時提出變化情況做為動態設計；對于識別到的斷層巖溶空洞等異常情況及時進行專家論證和風險評估，制定專項方案等；做好超前鉆孔的布設與施工，及時排除隧道內的承壓水或滯水，做好炮孔的專項設計。

2.2.1 災害超前勘探與預報

1)超前地質鉆探的指導作用

突泥突水常發生于開挖和清淤兩個過程，超前地質鉆探可以在開挖之前提前直觀的判斷前方圍巖的地質情況，同時在富水地區，適當的地質鉆孔可以達到排水的作用，有利于承壓水和滯水層的泄壓和排出；一般超前地質鉆孔水平深度可達到80～150 m，根據鉆機型號和圍巖情況，一般鉆進速率約12～15 m/h，沿掌子面平面方向布置三至五個鉆孔可基本探明掌子面前方圍巖狀況。

2)電磁波超前地質預報

采用地質雷達長短結合的方法，形成地質素描圖進行預報，此種預報方法受儀器的先進性、預報人員的經驗制約，往往只能在短距離預報較為準確，一般預測距離約為20～40 m，但不能對隧道的超前排水施工起輔助作用。

因此，加強地質超前預報和勘探工作，能及時發現隧道掘進前方不良地質，如空洞、富水、斷層、破碎帶等，做好地質預報工作也能及時發現險情，可提前增加施工措施和減少人員傷亡和降低資源損失。

2.2.2 突泥突水的災害搶險程序

在發生突泥突水險情后，必須在確保安全的情況下將人員設備等撤離，并組織相關專家對隧道進行安全風險評估，結合隧道特點制定切實安全可行的突泥突水處治方案。在緊急情況下搶險救災非常重要，但清淤和救援的目的是在防止次生和二次災害的基礎上安全救災，必須對突泥淤積的安全性進行評估，并采取相應措施救災。

1)加固與排水先行

在突泥突水發生后，由于隧道潰口上方情況不明，加之受地下水影響較大，突泥體流速較快，還可能發生再次突泥，從正面直接處治潰口危險性較大，先對潰口裸露巖土體進行加固處理，同時增加泄水通道。

2)清擋結合、合理清淤

采取拉渣或土袋及噴砼回填土等方式進行封閉，回填縱向長度3 m左右，以保證潰口注漿的效果；同時回填處應設置足夠數量的排水管，保證潰口及塌腔內不積水，并預埋一定數量的注漿管，在右洞反向加固潰口的效果不理想時進行補充注漿。

突泥突水發生后，清淤工作困難而又危險，很可能在清淤過程中發生二次突泥事故，所以在清淤過程中應采用小斷面，并設置觀測標識，隨時做好撤離。待清淤達到處治部位時設置止漿墻，清淤至一定距離后做好安全評價后在適當位置做好封擋，為后續處治做好準備工作。

2.2.3 突水突泥過程及應急處理

1) 水的處理

某隧道屬反坡施工，均采取分級排水措施。在突泥治理過程中根據地層條件，采取鉆孔排水降壓法。

在處治過程中采用超前鉆孔排水使潰口及突泥等不穩定體內滯水排出，使得處治時注漿質量更容易保證，同時也起到排除隧道開挖過程中承壓水的風險。對反壓回填體打孔并埋設打孔波紋管，波紋管需做好防堵塞措施,做好積水坑及時抽排；在適當位置向塌腔內打泄水孔，保證塌腔內不集水。一般泄水區域為縱向范圍潰口左右各10 m外，鉆孔直徑為10～15 cm。分左右洞施工時，在地質條件復雜、難以在突泥潰口處鉆設泄水孔時可利用雙導坑優勢從另外一洞橫向鉆孔泄水，設置為向洞頂不少于3%的坡度以利于排水，具體如圖1和圖2所示。

2) 突泥潰口加固

對于潰口掌子面適當位置采取止漿墻封堵，并預留泄水孔和注漿孔。一般采用100 cm厚C30混凝土止漿墻，鋼筋網采用φ12@20 cm雙層；對掌子面注漿加固，漿液水灰比1∶1，如圖3所示。

3) 超前預支護

(1)可施做旋噴加固工作室、旋噴加固：在隧道縱向靠近掌子面潰口約8 m范圍內擴挖工作室，在隧道拱部180°范圍內向突泥體內施工φ600超前水平旋噴樁，環向間距40 cm,旋噴樁咬合不小于20 cm。此種方案適應于圍巖破碎且突泥段含水較大時。

(2)在隧道縱向靠近掌子面潰口約6 m范圍內采用鋼架作為套拱，在隧道拱部180°范圍內向突泥體內施工φ108超前大管棚，環向間距30 cm，開挖時采用雙層超前小導管對突泥段進行超前支護。

4)處治措施

(1)正面處治

①在超前預支護完成后開挖反壓回填體及下臺階：采用中壁法(Center Diaphragm)開挖。在開挖突泥段時，埋設3根φ108鋼花管至塌腔作為泵管，對拱頂空洞泵送C20混凝土；對泵送混凝土以上空洞進行吹砂填充,泵孔孔徑為108 mm，開孔孔徑150 mm，采用φ25固定鋼筋與孔口管、工字鋼焊接,焊縫長度不小于5d?；靥铐鸥叨葹樾龂姌痘蚬芘镆陨? m。應注意分次回填，避免一次加荷載較大破壞既有初期支護，并保持排氣管暢通，兼做排水管使用。埋設2根φ108鋼花管作為預留泵管。加密環向排水管間距至2m/道，環向排水管直接引入排水溝，保證塌腔不集水。

②結合現場施工情況和超前地質預報調整支護參數，加厚二襯襯砌和配筋率。

(2)迂回加固處治

由于隧道為雙線同時施工，左洞超前右洞突泥地點約65 m，左右洞凈距25 m，可采用迂回反向加固處治突泥。可在圍巖相對較好段落從左洞施做車行橫洞兼做施工橫通道，進入右洞，在右洞形成兩個新的工作面，其中往進口方向作為新的主洞正常施工掌子面，往出口方向掌子面施工反向加固處治突泥潰口，具體加固方案見圖4。

①采用反壓回填對突泥的涌出口進行封堵。回填體頂寬3.0 m，坡面1∶1。為提高坡面的穩定向，坡面采用袋裝土回填。

②施工橫洞進入右洞后，正向朝進口方向可開辟新工作面正常施工。反向朝出口突泥段施工右洞，處治突泥。反向上臺階施工至一定長度后施工大管棚工作室，向出口方向在拱部180°范圍施工36 m長φ108大管棚，在大管棚中間增加鋼筋籠以增加剛度，大管棚環向間距30 cm，對突泥頂部進行初步注漿加固。同時，大管棚間穿插設置超前小導管作為超前支護。

3 結 論

突泥突水的發生必然會造成財產的損失和工期的延誤，甚至還可能造成人員傷亡，因此在隧道施工中安全是首要責任，采取合理的超前預報和鉆孔措施，做好風險評估是施工前的必備工作。通過二階段的突泥突水的防范措施研究得出如下結論：

a.在設計階段加強設計風險的識別、評估與控制，在地勘階段應采用多種手段，盡可能查明地質、水文狀況(降雨量、涌水量等)，劃分隧道的風險等級，制定技術措施；對存在風險的隧道進行超前預報、超前預支護以及超前鉆孔的專項設計，并納入工序管理。

b.在施工階段加強施工階段的預報與工藝控制，在施工過程中施工人員需對揭露的地質狀況以及水量情況與設計作對比，即時提出變化情況做出動態設計；對于識別到的斷層巖溶空洞等異常情況及時進行專家論證和風險評估，制定專項方案等；做好超前鉆孔的布設與施工，及時排除隧道內的承壓水或滯水，做好炮孔的專項設計。

c.雖然從兩個階段采取合理的方式進行預防能給隧道施工提供一定的預判和指導，但解決突泥突水的根本途徑還是要提高生產管理能力和確保技術措施的實施，確保各項工作落到實處，避免和減少突泥突水災害的發生。