映臥公路南華隧道穿越泥石流堆積體綜合處治技術

韋遠飛 田志宇

【摘要】文章介紹了映臥公路南華隧道施工過程中揭露泥石流溝堆積體的情況，根據泥石流堆積體的地質特征，結合隧道的施工需求，制定了隔水墻方案保證影響段以外區域的正常施工，采用了大剛度超前支護保證開挖安全，采用了結構周邊注漿堵水、墻背分區防水、限壓排水等措施確保結構防排水的有效性，采用了抗水壓襯砌保證高水頭條件下的結構安全，這些綜合處治技術的應用使得隧道安全順利地穿越了泥石流溝段。

【關鍵詞】隧道; 泥石流堆積體; 綜合處治技術

【中國分類號】U455.49【文獻標志碼】A

泥石流是指在山區或者溝谷深壑地區，由暴雨、融雪或其他自然災害引發的攜帶有大量泥沙和石塊的特殊洪流。泥石流堆積體一般由細粒物質和粗粒物質兩種成分組成。泥石流堆積體的性質不同，其細、粗顆粒的空間排列狀態也不同。泥石流堆積體可以分為前進前積式、后退上疊式與溝谷側積式3種。

G350映秀至臥龍段公路是九環線映秀至四姑娘山旅游公路的重要組成部分，項目起于四川阿壩州汶川縣映秀鎮，經耿達，止于臥龍，向西延伸穿越巴朗山，可至四姑娘山和千碉之國丹巴。路線沿岷江支流漁子溪布設，為典型高山峽谷地形，河谷深切，谷坡陡峻，相對高差1 000 m左右，坡度一般為50～70 °，均為V形河谷。公路位于“5·12”汶川大地震的極重災區，映秀至耿達段（長約20 km）距離震中3～7 km，該段約90 %的道路被嚴重掩埋或損毀，原路基本無法利用。地震引發了泥石流、崩塌及滑坡等一系列次生災害，根據前期開展的地災評估報告的結論，在本路段約20 km的范圍內，分布了大小崩塌35處，泥石流39處。由于沿線地災幾乎連片發育，規模龐大，造成了地形的巨大變遷。

1 南華隧道施工揭露泥石流溝堆積體情況

南華隧道位于映臥公路地質災害最嚴重的段落，隧道長4 977 m，為傍山隧道，平面大致沿漁子溪走向布置。隧道下穿了瓦斯溝、肖家溝、蟹子溝等7條大中型泥石流溝，其中可能對隧道方案造成重大影響的首推肖家溝。該溝主溝長3.46 km，平均縱坡降426 ‰，溝內有5條較大的支溝發育，呈“V”字形溝谷，流域平均寬度2.1 km，流域面積約7 km2，兩側出露巖層為花崗巖，溝內水流量大。該溝位于漁子溪左岸，為一老泥石流溝，活動期次在三期以上，屬特大型泥石流溝。在震后的一次暴雨中，肖家溝爆發的泥石流扇體前緣寬度達到350 m，扇體長度150 m，平均厚度15 m左右，河床抬高近31 m形成堰塞湖，堆積方量約35×104 m3，后緣堆積體厚度約50～80 m。經測算，溝內仍還有約357×104 m3地震堆積物。

隧道下穿肖家溝段最小埋深約86 m，勘察階段在溝內布置了一個鉆孔，由于溝內泥石流堆積體多為堅硬的大塊石，架空現象嚴重，且工作區飛石頻發，施工風險極高，鉆孔深至36 m便無法繼續實施。根據地質調查成果，推測溝心處堆積體厚度約60 m。

隧道縱坡為單向坡，在距肖家溝約500 m的高側設置了逃生通道兼作施工通道，下坡掘進至主洞后分別向上下游同時施工主洞。下游掌子面開挖至肖家溝范圍后拱頂揭露泥石流堆積體，主要為漂、塊石夾泥，地下水呈細股狀流出，后續開挖發現掌子面堆積體范圍迅速擴大，很快引發坍方以至冒頂（圖1、圖2）。

2 泥石流堆積體處治方案

2.1 補充地質勘察

為了摸清泥石流堆積體的發育范圍，在掌子面上、下臺階各布置了一個水平鉆孔，由于孔周為崩積、洪積及泥石流混合堆積的塊、碎石夾少量卵石，鉆具反復多次無法鉆至孔底，套管也沒法跟進，鉆進難度極大，僅鉆進了約30 m。鉆孔初步查明掌子面前方整個隧道斷面均為堆積體，結合TSP超前地質預報資料，預計長度約70 m。

2.2 開挖支護措施

地層以塊、碎石為主，架空嚴重，且受地下水長期沖刷，所以隧道開挖的難點在于保證拱部和掌子面巖土體的臨時穩定性。

經技術方案比選，確定采用三臺階預留核心土法施工，既能實現短臺階，快封閉的目標，也能利用核心土保證掌子面的穩定。由于核心土為松散塊石，自穩性極差，不利于施工操作，故表面采用噴C20混凝土封閉。

超前支護是保障拱部巖土體穩定的關鍵措施。由于泥石流堆積體成孔困難，松散壓力大，需要超前支護能打得進去，還能撐得起來。設計選用了單層76 mm自進式錨桿+單層42 mm小導管的組合形式。76 mm自進式錨桿每循環長度10 m，搭接2 m，環向間距40 cm，其自帶鉆頭，施作方便，剛度夠大，能抵御大塊石的巨大壓力;42 mm小導管每循環長度4.5 m，環向間距40 cm，搭接1.5 m，在自進式錨桿的間隙施作，注漿固結后可防范細碎顆粒的漏失，保證拱背巖土體的原始級配，利于土拱的形成。

隧道冒頂后，洞頂地層原始結構破壞，洞周松散壓力大增;地表泥石流溝常年流水，雨季水量暴漲，泥石流堆積體內架空現象普遍，地表水下滲形成深部潛流。為了抵抗松散地層和地下水共同作用產生的巨大壓力，設計通過計算擬定了抗水壓襯砌參數。計算荷載取為80 m土壓力+水壓力，其中水壓力折減系數選定為0.7。結構采用雙層初支+鋼筋混凝土二襯的組合形式，具體參數見表1。

為了改良洞周土體，促進土拱的形成，同時適當封堵地下水的滲流路徑，現場在穿越堆積體段實施了開挖后注漿措施，加固圈為開挖輪廓線外6 m，注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿（占比60 %）和純水泥漿（占比40 %）組合，先壓注快速凝固的水泥、水玻璃雙液漿封堵較大的空洞，再壓注純水泥漿填充微小空隙。

2.3 防排水措施

由于雨季溝內水量暴增，水壓迅速上升，若采用常規的以排為主的策略，洞內排水系統可能難以承受。另外，長期大量排泄堆積體內的地下水，也容易造成細顆粒的大量漏失，進而引發上方地層失穩。故下穿泥石流溝段的防排水總體設計原則為“以堵為主，堵排結合，綜合防治”。具體措施為：

（1）開挖后注漿堵水（見本文2.2節）。

（2）分區防水：在下穿泥石流溝段起止點各設一環型厚止水橡膠墊（寬1 m，厚2 cm，設于初支與二襯之間），阻隔高壓地下水向上、下游襯砌內滲流。

（3）全包防水：下穿泥石流溝段二襯背后設置全封閉柔性防水層，為了防范高壓水從薄弱點滲入后在二襯背后串流，在防水層內加密設置縱、橫向盲溝排水管，可將滲入的地下水引入中央水溝。

（4）三縫防水：施工縫是防滲漏的關鍵環節，由于二襯厚度較大，采用了外貼式橡膠止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶+止水條組合而成的三重防水措施。

（5）為了避免極端情況下襯砌背后的地下水壓力超過設計容許值，對結構造成破壞，結構左右側各預埋了兩根83 mm無縫鋼管，一端伸至結構外緣，一端接引至中央水溝檢查井中，并在出口設置安全閥泄水裝置。安全閥開啟的壓力設定值為0.5 MPa，一旦結構周圍水壓超過該值，安全閥就會自動開啟，排泄地下水以降低水壓（圖3）。

3 施工工藝

由于掌子面為松散塊石土，穩定性極差，故采用三臺階法施工工藝（預留核心土）。該工藝要求短臺階，各工序迅速輪轉，初支快速封閉。現場各工序的銜接磨合完善后，能保證在距離掌子面約20 m處完成初支封閉。核心土受地下水的影響，表面濕滑，自穩差，表面采用噴C20混凝土封閉，既能提供一定的臨時穩定性，也利于工人的現場施工操作。

4 臨時擋水墻工程

南華隧道下穿肖家溝泥石流堆積體段長約100 m，至4月初開挖接近半程，此時工地現場進入雨季，受山上融雪及降雨影響，肖家溝內水量持續增大，洞內涌水量預估涌達1 070 m3/h，遠大于抽水能力，導致下游掌子面停工。洞內積水水位持續增加，淹沒了下游掌子面，并不斷向上游蔓延。下游掌子面與施工橫洞處高差約17 m，橫洞洞口又高于主洞，隨著后期降水的持續增加，橫洞面臨被淹沒風險，進而導致上游掌子面也停工。若大量增加抽排水設備，并持續抽排洞內積水以保證上游掌子面繼續施工，代價高昂。為此，現場決定在掌子面附近設置擋水墻封閉隧道下游段。

擋水墻設計考慮的因素包括：①擋水墻應設置在靠近掌子面，且地質情況相對較好的段落;②掌子面涌水量大，排水成本高;③由于雨季臨近，擋水墻應盡快實施;④擋水墻為臨時設施，應易于施作，且便于拆除。綜合考慮了以上因素后，確定在K5+270處實施擋水墻，采用厚1.5 m C25素混凝土，分別在左右側1/3洞跨處設置一條豎向梯形肋，寬1.5 m，頂厚1.5 m，底厚2.6 m。根據驗算，該墻可抵抗約35 m水頭壓力。K5+270處與橫洞口標高差值約為28 m，擋水墻實施時，在其下部預埋3根110 mm鋼管，并接引至橫洞洞口外標高低于洞口約10 m處，當墻背水壓達到0.3 MPa左右時，管內水流將漫過管道最高點，形成虹吸效應，自動排泄墻背地下水泄壓。

臨時擋水墻修筑完成后，下游來水被截斷，雨季期間上游掌子面實現了正常施工。10月底雨季結束后，臨時擋水墻的使命順利完成，被爆破拆除。按照既定的處治方案，隧道剩余段落在冬季枯水期得以安全實施。

5 結束語

映臥公路南華隧道施工期間遭遇的泥石流堆積體埋深大、結構松散、地下水豐富，處治難度極高。綜合采用大剛度超前支護、周邊注漿堵水、墻背分區防水、限壓排水、抗水壓襯砌及臨時擋水墻等措施后，隧道安全順利地穿越了泥石流溝段。近幾年的運營狀態顯示，該段隧道結構穩定，防排水系統運轉有效，綜合處治措施效果非常理想。

參考文獻

[1] 張宇，萬曉燕，陳禮偉.圓梁山隧道溶洞地段抗水壓襯砌結構試驗分析[J].中國鐵道科學，2006，27（4）：62-67.

[2] 陳五二.基于有限單元法的隧道抗水壓襯砌結構設計[J].鐵道工程學報，2007，106（7）：67-75.

[3] 和萬春.徑向和帷幕注漿與抗水壓襯砌綜合技術在老東山隧道中應用[J].鐵道建筑技術， 2010（1）：93-98.

[4] 李天斌，劉梁，陳國慶，隧道穿越泥石流堆積體的數值模擬及優化處治[J].工程地質學報，2015，23（4）：712-718.