麗香鐵路花椒坡隧道斷層破碎帶突泥涌水處治技術

林 克

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

隨著我國西部大開發戰略的深入推進，云南省鐵路建設也得到了快速發展，由于地處我國大陸現今地殼構造運動最為強烈的地區，區域內不良地質頻發，其中斷層段突泥涌水是常見的問題之一[1]。

突泥涌水以其影響范圍廣、技術難度大、處置周期長、安全風險高等特點，成為困擾建設者的重大難題之一。突涌發生后，不僅造成突涌體在隧道內堆積達幾十至幾百米，還會導致已完成的初期支護和二次襯砌遭到破壞，一般需采取一環或多環掌子面超前帷幕注漿[2]、隧道徑向注漿以及超前大管棚等多重措施方可實現安全施工，處理周期短則月余，長則甚至超過半年時間，造成嚴重的工期延誤[3]。如處理措施制定不合理，還會產生重大的財產損失與人員傷亡，對項目和個人造成難以承受的嚴重后果，因此，采取合理可靠的安全技術措施，是處理突泥涌水的關鍵。

1 工程概況

新建麗江至香格里拉鐵路是我國中長期鐵路規劃中滇藏鐵路的重要組成部分，為時速120 km國鐵I級單線電氣化鐵路。線路位于云南省西北部，歐亞板塊和印度洋板塊相互碰撞匯聚形成的青藏高原東南緣之川滇菱形斷塊的西部邊界斷裂帶(金沙江-中甸斷裂帶)內，屬我國著名的南北向地震帶南段之滇西地震帶，地質構造復雜，新構造運動強烈。

花椒坡隧道位于花椒坡站-萬拉木站區間,起訖里程D1K76+435-D1K83+965，全長7 530 m，全隧共發育有花椒坡1#斷層、冷都斷層、花椒坡2#斷層以及沖江河逆斷裂等多處不良地質，屬Ⅰ級高風險隧道。其中花椒坡2#斷層及其影響帶里程為D1K78+865—D1K79+000，長135 m，斷層角礫系炭質板巖、灰巖受擠壓破碎而成，巖質軟硬不均，多呈角礫狀或碎塊狀，受斷層影響，擠壓揉皺發育、板巖變形嚴重，完整性差，沿斷層破碎帶有泉眼分布，工程地質條件極差。斷層段掌子面圍巖情況如圖1所示。

圖1 斷層段掌子面圍巖情況

2 突泥涌水情況及其原因分析

2.1 突泥涌水情況

花椒坡隧道突涌水險情出現前掌子面里程D1K78+933、仰拱里程D1K78+913、二襯里程D1K78+904，掌子面處隧道埋深約348 m。采用大變形I型復合式襯砌，全環設I18型鋼鋼架，間距0.6 m/榀；拱部設置?42 mm小導管超前支護，環向間距0.4 m，縱向間距1.8 m，每根長3.5 m，每環23根；邊墻系統錨桿采用預應力樹脂錨桿，間距1.0 m×1.0 m(環向×縱向)，梅花型布置，錨桿長度4.0 m/根，桿體采用等強螺紋鋼式樹脂錨桿金屬桿體，公稱直徑?20 mm，錨固劑長1.0 m，錨桿預緊力為90 kN(對應錨固力矩為700 N·m)。

2020年5月14日早6時突涌發生前，掌子面線路左、右兩側邊墻出現開裂，拱頂局部有掉塊現象，拱肩部位鋼架單元連接板處拱架出現扭曲，拱腳部位鋼架單元接頭部位崩開錯位嚴重，鋼架有明顯的內折情況，左側最大水平累計收斂達950 mm，掌子面出水量約25～30 m3/min，夾雜有大量泥沙。現場立即停止施工并撤離人員、機械，根據隧道內監控視頻顯示，早7時許掌子面左側起拱線位置水量進一步加大，發生突涌，夾雜有大量深灰黑色炭質板巖碎片,多為斷層泥。至5月16日，掌子面突涌基本停止，經現場初步估計，突涌體平均厚度約3.5 m，長度約300 m，突涌體約5 250 m3。

突涌穩定后開始清理洞內淤泥，此期間大氣降水豐富。至6月1日上午9時許，洞內淤泥已清理至D1K78+904處，此時掌子面水量再次加大，進而發生第2次突涌，水與泥砂混合物量約為80～166 L/s，涌出體呈半流動體狀態，水質呈黑色并伴有大量細顆粒及泥土，粒徑多為5～20 mm，大于20 mm顆粒約占10%，顆粒較均勻；D1K78+904—+933段已基本被涌突物封堵，拱頂約有1 m高空隙；洞內涌突物有向外繼續滑動趨勢，涌突物呈深灰色炭質板巖碎片及顆粒狀，大多為斷層泥及斷層角礫混合體。突涌情況如圖2所示。

圖2 突涌情況

2.2 突泥涌水原因分析

(1)該段隧道位于花椒坡2#斷層核心區，地層巖性為板巖夾炭質板巖，巖體破碎～極破碎。受斷層影響，巖體擠壓變形強烈，產狀紊亂，層間結合差，并夾有多層軟弱夾層，圍巖遇水極易軟化崩解。

(2)該段隧道距線路右側水電站平面距離最近約700 m，隧道標高低于水電站水位約100 m，花椒坡2#斷層穿越該段隧道及線路右側水電站，此段隧道鄰近斷層分界面，界面水較為發育。

(3)當地已進入季節性降雨期，降水量大，對隧道內地下水補給作用強，為突涌發生提供了必要條件。

(4)隧道開挖打破了原始地應力平衡和地下水的穩定，圍巖的蠕變松動，地下水向自由面滲透，圍巖飽和狀態下的抗剪強度降低，自承載力急劇下降，初期支護受到的圍巖壓力增大，破壞嚴重。

3 突泥涌水處理技術

由于突涌體涌出距離長且二襯至掌子面段已基本完全堵塞，無法準確判斷前方具體情況，因此處理方案按照“以排為主、排堵結合、超前加固、措施加強、確保安全”的原則[4]，根據現場情況分階段制定處理措施。施工前應做好突涌的風險識別與評估[5]，整個處理過程中派專職安全員和技術員全程旁站，隨時觀察突涌體穩定性、出水量和水壓的變化情況以及水質情況：出現突涌體滑動、出水量增加或水壓增大、水質變渾濁等異常情況時，所有人員應立即停止施工并撤離至隧道外，確保人員安全。

為保證突涌體處治過程的安全，采用分階段處理方法，共分為6個階段，如圖3所示。

圖3 突涌體分階段處治

3.1 第一階段處理措施

暫停隧道內所有工序施工，撤離人員和施工機械設備，洞口設置隔離圍擋，防止人員誤入。安排專職技術人員在隧道口處定時測量隧道出水量，以便為后續施工提供依據，待出水量明顯降低后(小于40 L/s)進行第二階段處理。

3.2 第二階段處理措施

清理隧道內淤泥[6]至二襯端頭前方約2 m(D1K78+906)處，預留出D1K78+904—+906段止漿墻位置。采用透水性良好、遇水不軟化的硬質塊石對突涌體進行反壓回填，反壓體坡度以1∶1.5～1∶2為宜，表面噴10 cm厚C25混凝土封閉[7]，防止突涌體坍塌，噴射混凝土表面按1.0 m間距，梅花形交錯布置預留?150 mm泄水孔，以便地下水排出；突涌體坡腳采用砂袋反壓，防止突涌體滑移導致再次突涌。二襯端頭前方突涌體如圖4所示。

圖4 二襯端頭前方突涌體情況

待突涌體穩固后，采用C6鉆機在突涌體面起拱線位置施作3個超前水平鉆孔，角度10°向上，長度50 m，及時引排掌子面拱頂積水，防止再次突涌。

3.3 第三階段處理措施

在D1K78+904—+906段施作2 m厚的C20混凝土止漿墻[8]，初支拱墻部位和仰拱填充面植筋加固，間距30 cm并按梅花形交錯布置，植筋采用?22 mm螺紋鋼，每根長80 cm，植入初支、仰拱填充50 cm，另外30 cm深入混凝土止漿墻。整個止漿墻與已施工的二襯端頭間通過強化植筋和施工縫處理，使其連接為整體，提高止漿墻的承載能力，避免前方淤泥遇水滑移導致再次突涌，并為施工人員提供安全保障。

在止漿墻上部預留高度0.3～0.5 m觀察孔，墻身預留不少于8個?150 mm泄水孔，上方布置3個，下方布置5個，及時引排前方淤泥積水，遇個別泄水孔不出水時，增設新泄水孔。止漿墻設置如圖5所示。

圖5 止漿墻設置

止漿墻上打設?76 mm自進式水平超前注漿管(壁厚5 mm)，注漿管出水時留作泄水孔，并適當調整位置重新鉆孔。注漿管長40 m/根，間距1.0 m×1.0 m，梅花形交錯布置，共計布設32根超前注漿管，在注漿管前端D1K78+914—+944段30 m范圍內留設溢漿孔，溢漿孔間距20 cm×20 cm，孔徑控制在10～15 mm為宜。注漿管施工完成后，采用后退式注漿法[9]，對D1K78+914—+944段注漿形成30 m厚的止漿巖盤。注漿液采用純水泥漿，水灰比控制在0.4～0.5∶1之間，注漿壓力控制在1.5～2.0 MPa[10]。為了增加水泥漿和易性，在滿足水泥水化凝結用水的前提下，可采用添加約5‰減水劑的方法降低水的用量。

3.4 第四階段處理措施

待注漿完成后靜置3～5 d，采用鉆探法取巖芯，確定前方突涌體注漿效果，達到預期效果后，從拱頂向下將止漿墻上部拆除，止漿墻下部預留3 m暫不拆除，作為突涌體的護腳墻。利用已拋填的塊石作為作業平臺，逐榀開挖D1K78+904—+918段淤泥體，開挖后邊墻采用?42 mm小導管徑向注漿加固，管長4.5 m/根，間距1.0 m(環)×1.0 m(縱)并呈梅花形交錯布置，注漿水灰比0.5∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

3.5 第五階段處理措施

待突涌體開挖至D1K78+918時暫停掘進，預留15 m加固后的突涌體作為止漿巖盤[11]，拱部施作一環?108 mm(壁厚8 mm)大管棚[12]。由于淤泥段成孔困難，現場采用跟管法施工大管棚，環向間距0.4 m/根，管長30 m/根，每環施作23根，角度1～3°向上，管棚注水泥漿，注漿水灰比0.5∶1，注漿壓力0.5～1.0 MPa。待管棚注漿完成并靜置2～3 d后，逐榀清理D1K78+918—+933段淤泥體，清理后及時采用?42 mm小導管徑向注漿加固圍巖，施工參數同前段徑向小導管加固施工參數。

3.6 第六階段處理措施

淤泥體清理至D1K78+933時，對前方圍巖采用TSP、地質雷達、30 m深超前水平探孔以及瞬變電磁法探測[13-15]，確定前方圍巖及地下水情況，無異常情況時開始逐榀掘進。由于突泥涌水的擾動，初期支護加強為全環I25b型鋼鋼架，間距0.6 m/榀，邊墻增設?42 mm小導管徑向注漿加固圍巖，施工參數同前段徑向小導管加固施工參數。

掌子面掘進至D1K78+943時(大管棚剩余5 m)，重新施作一環?108 mm(壁厚8 mm)大管棚，施工參數同前段?108 mm大管棚，管棚施工后開始掘進掌子面。

至此，突涌段處治已基本完成，但后續斷層破碎帶及其影響帶仍剩余約50 m，仍存在較大的風險。為保證施工安全，防止再次發生突涌，在設計給定的綜合超前地質預報前提下，增加瞬變電磁法，并增加對隧道內水質、水量的相關監測，如情況異常時及時采取措施。

4 處理效果

花椒坡隧道2#斷層于2020年5月14日和6月1日接連發生兩次突涌，推測是歷經了兩次地下水的匯集。6月5日基本穩定后開始處理，至8月17日基本處理完成，突涌處理共歷時73 d。期間通過設置止漿墻、超前預加固突涌體、逐榀開挖突涌體后徑向注漿加固、兩環超前大管棚以及加強初期支護強度和剛度等一系列措施，實現了隧道突涌段快速、安全施工，未影響總工期,未造成財產損失和人員傷亡，實現了預期目標。

5 結束語

隧道突泥涌水成因復雜、破壞性強、安全風險高，應做好施工前的風險識別與評估，施工中加強超前地質預報工作，發現異常情況時及時采取措施、規避風險，做到防患于未然。同時加強對全體參建人員的培訓，使所有人都具備識別突泥涌水的常識，施工過程中，研判地下水來源，多方向引排地下水，避免在同一個方向和區域匯集，遇異常情況時及時撤離，避免造成不可挽回的損失。