中老鐵路玉磨段復雜隧道施工過程難點問題探討

文琚國全高級工程師，中鐵二院工程集團有限責任公司玉磨鐵路配合施工項目部副經理

中老鐵路玉磨段位處云南省南部，隧線比大，隧道地質構造復雜。隧道施工過程中各種地質災害頻發，尤其以前震旦系富水砂巖、板巖涌突問題最為突出。本文旨在對中老鐵路新平隧道施工過程中的涌突問題進行探討，歸類總結了造成砂板巖隧道涌突的五種地質環境、三種機理及影響因素。通過采取合理的超前預加固措施及施工工藝，在玉磨鐵路工程建設中突水突泥災害得到成功預防，為今后類似項目的建設提供參考與借鑒。

In the Yuxi-Mohan section of China-Laos Railway, located in the south of Yunnan Province,the combined length of the tunnels, featuring complex geological structure, accounts for a large proportion. Various geological disasters, especially the inrush of pre-Sinian water-rich sandstone and slate, occur frequently during tunnel construction. This paper discusses the challenge of inrush in building Xinping Tunnel of China-Laos Railway, and summarizes five geological environments,three mechanisms and influencing factors that cause the inrush of sandstone and slate in the tunnel.Reasonable advance reinforcement measures and construction technology have been successfully applied to prevent water and mud inrush disasters in the construction of Yuxi-Mohan Railway project, which can provide reference for similar projects in the future.

一、引言

玉磨鐵路為中老鐵路國內段，北起昆玉鐵路玉溪站，經玉溪市、普洱市、西雙版納傣族自治州，至中老邊境磨憨站，設計行車速度160km/h，正線全長508.53km。玉磨鐵路在中老邊境的磨憨口岸出境后，與中老鐵路磨萬段相接，經老撾的瑯勃拉邦省，到老撾首都萬象。遠期規劃通過萬象-曼谷鐵路連接泰國鐵路網，與馬來西亞、新加坡相通，形成擬議泛亞鐵路中通道。玉磨鐵路是服務“一帶一路”倡議的重大基礎設施項目。同時，玉磨鐵路能夠促進云南省經濟社會發展和沿邊少數民族地區開發開放。2019 年，習近平總書記批示“要把中老鐵路建成‘一帶一路’、中老友誼的標志性工程”。

中老鐵路玉磨段位于橫斷山區哀牢山縱谷地帶，地形起伏大，長大隧道多，隧線比大，隧道總長395.2km，占比77.7%。本線地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近，屬中國著名滇西南地震帶，地震烈度高，深大活動斷裂發育，水熱活動強烈，地質構造極為復雜。玉溪至元江長約100km線路與揚武-青龍廠斷裂帶伴行，元江至磨憨段穿越哀牢山、無量山、瀾滄江斷裂帶，受多期次強烈構造作用影響，隧道圍巖破碎疏松。近幾年隧道建設中，尤其是西南地區鐵路建設，砂板巖地層隧道突水突泥事件時有發生，對工程建設帶來了巨大的損失，嚴重制約了工程建設的進度。玉磨鐵路玉溪至元江段穿越前震旦系砂板巖地層，施工過程中，和樂隧道、萬和隧道、新平隧道、立新隧道、甘莊隧道等多次發生突水突泥事件，造成混凝土濕噴機械手被埋，二襯臺車被沖毀及人員受傷等。

中老鐵路玉磨段新平隧道突水突泥災害現場Scene of water and mud inrush disasters in Xinping Tunnel of Yuxi-Mohan Section of China-Laos Railway

二、新平隧道地質特征及常見問題

新平隧道位于云南“山”字型構造前弧部位，為“昆明系山字型”東翼之開遠“山”字型構造與南北向構造小江斷裂帶的復合部位及南嶺緯向構造體系的西延部分，區域構造極其復雜。隧道位于石屏-建水斷裂（JSF6）和揚武-青龍廠大斷裂間，洞身大段落與揚武-青龍廠早～中更新世活動斷裂相伴而行，大型活動斷裂的分支斷裂及形成的褶皺構造極為龐雜。隧道主要地層巖性為前震旦系砂巖、板巖地層。元古界前震旦系昆陽群砂巖、板巖，形成于距今8 億年以前，先后歷經前震旦系運動旋回、前震旦系加里東運動旋回、華力西印支運動旋回、燕山運動旋回、喜馬拉雅運動旋回及新構造運動，形成區內強烈發育的斷裂與褶皺，斷裂活動與巖漿活動具有明顯多旋回性。古老的巖層在眾多構造運動作用下普遍疏松扭曲、破碎。

新平隧道3 號橫洞小里程D1K54+982涌突前圍巖及涌突后照對比圖Comparison of the surrounding rock before and after the inrush of the end-to-start direction D1K54+982 in Transverse Gallery No. 3 of Xinping Tunnel

三、砂板巖地層隧道突涌分類及特征

（一）新平隧道突水突泥統計

玉磨鐵路玉溪至元江段多次發生涌突，其中對新平隧道穿越前震旦系砂板巖復合地層段共25 次涌突，總方量約4.0 萬方。

新平隧道最大一次涌突發生在3 號橫洞正洞小里程方向。該次涌突發生前，掌子面揭示為薄層狀泥質板巖；巖層近水平、橫向緩傾線路右側，縱向傾小里程方向；節理裂隙發育，節理面多被泥化層充填。2017 年11 月6 日，D1K54+996 掌子面拱部曾發生溜坍，溜坍方量約280m。2017 年12 月8 日， D1K54+982 掌子面拱頂右側出現突砂（泥）涌水，瞬時涌水量約150L/s，至12 月9 日突砂量約4000m。2017 年12 月22 日，在清淤過程中D1K54+982 掌子面拱頂右側再次出現突砂、石（泥）涌水，瞬時涌水量約330L/s，兩次涌突累計突砂量約10000 m。突出物以灰黃色砂巖為主，粒徑0.2m ～0.8m 的突出物約占70%，其余為中粗砂、角礫。D1K55+002 及D1K55+011 里程處初期支護出現環向貫通裂縫，裂縫寬約1cm。

3 號橫洞D1K54+982 掌子面發生涌突根據開挖揭示的巖層及產狀分析來看，泥質板巖透水性差，巖質軟弱，形成相對的隔水巖層，阻止地下水下滲；砂巖節理裂隙發育，巖體破碎，為地下水的賦存提供了儲存空間，形成了富水帶。開挖揭示的圍巖以泥質板巖為主，地下水不發育，超前鉆孔及大管棚均未揭穿拱上部富水砂巖。當板巖厚度不足以承載拱頂上方破碎富水破碎砂巖時，從拱頂上方發生涌突。

（二）砂板巖地層突水突泥特征

新平隧道發生涌突，涌突物母體主要為受構造及風化作用形成的砂巖及板巖破碎體，主要具有以下特征：

1.規模相對較小，持續時間短。砂板巖隧道發生的突水突泥主要表現為夾層或囊狀富水破碎體（帶），影響范圍較小。突涌規模較可溶巖小，持續相對較短時間即可穩定。

2.砂巖、板巖巖性變化頻繁，突涌無規律。由于砂巖、板巖隧道巖體受構造影響，巖性變化頻繁，隱伏的富水破碎體無規律可循。采用傳統的超前地質預報手段很難準確探明突涌體位置、規模等，涌突發生無規律可循，突水通道的形態和滲流狀態很難準確探查。

3.受三臺階法開挖施工影響，涌突多發生在掌子面拱部及以上部位，尤其近乎水平緩傾巖層在存在富水破碎體時發生突水突泥可能性較高。

4.具有明顯的“馬桶效應”。在同一位置第一次突泥或溜坍方量較小，第一次突泥或溜坍后滲流通道及空腔被涌突物堵塞，隨著能量聚集，后續在施工擾動的情況下引發第二次涌突，且涌突規模明顯增加。

（三）砂板巖地層突水突泥分類

根據對新平隧道涌突發生的破壞形式分類，砂板巖地層隧道發生突水突泥可分為下述三種情況：1.隧道臨空面至涌突體之間的隔水巖盤不足以支撐涌突體的穩定，發生剪切破壞，導致突水突泥；現場表現為圍巖完整的掌子面突然從掌子面前方或者拱頂發生破壞造成涌突。2.當地下水隨著隔水巖盤的節理裂隙滲透至由隧道開挖形成的臨空面，隔水層的強度逐漸降低，當不足以維持涌突體的穩定狀態，發生塑性破壞，引發突水突泥?，F場表現為掌子面圍巖由干燥轉為潮濕、滲水；圍巖破碎，掌子面局部發生失穩或溜坍，繼而發生涌突。3.隧道施工時，隔水巖盤被直接擊穿引發突涌。

（四）突水突泥地質前兆特征

破碎的巖體和豐富的地下水是砂板巖隧道發生突水突泥災害的必要條件。在隧道施工中，當開挖接近或擊穿富存地下水的破碎圍巖段時，通常在施工中孕育著發生災害的前兆特征。根據玉磨鐵路新平隧道多次突水突泥發生的特點，前震旦系富水砂板巖段突涌一般具有下述前兆特征：

1.在發生大規模涌突前掌子面一般會伴隨發生局部溜坍現象。新平隧道2 號、3 號橫洞，立新隧道橫洞都是在處理掌子面溜坍過程中發生較大規模涌突。

2.在施工過程中，開挖面地層由干燥逐漸轉為潮濕、滲水，水質逐漸渾濁；掌子面后方初期支護出現變形開裂現象。前方破碎巖體地下水通過巖體節理、裂隙逐漸向開挖面滲流，巖體強度隨時間增長呈現急劇衰減趨勢，當開挖面巖體強度不足以支撐富水破碎體的壓力時便有可能發生突水突泥。

3.在施工過程中，突然揭示斷層破碎帶，褶曲向斜處，裂隙密集帶等不良地質，開挖面圍巖變潮濕，可聽到巖體內部水流聲。新平隧道出口施工臨近阿不都逆斷層時，掌子面附近發生小規模涌突，現場踏勘時可聽到開挖面后方水流聲。

4.根據物探解釋結果，對物探異常段進行超前鉆探時，鉆機鉆進速率突然增加，鉆孔開始出現股狀水，且呈現渾濁狀態。

四、突水突泥影響因素分析

隧道涌突是復雜地質環境下發生的能量被動釋放。導致發生涌突的影響因素很多，下文主要從地層巖性及地質構造、地表降雨及地下水、巖層產狀及節理裂隙、施工工藝四個因素進行分析。

（一）地層巖性及地質構造

玉磨鐵路玉溪至元江段圍巖以前震旦系砂巖、板巖地層為主。該地層距今8 億年，加之受多期次構造運動影響，巖體古老疏松、破碎，部分風化帶呈角礫狀、砂狀，為發生涌突提供了物質基礎。這其中以新平隧道最具代表性。新平隧道主要穿越前震旦系黑山頭組（Pt1hs）板巖夾砂巖，局部段落穿越前震旦系大龍口組（Pt1d）灰巖、白云巖夾板巖，富良棚組（Pt1f）凝灰巖、板巖夾砂巖，三疊系上統干海子組（T3g）頁巖、炭質頁巖、砂巖夾煤層。隧道位處石屏～建水區域性全新世活動斷裂與揚武-青龍廠區域性早～中更新世活動斷裂夾持帶內，洞身大段落平行揚武-青龍廠大斷裂而行，距斷裂0.4km ～1km。洞身開挖揭示以變質砂巖、砂質板巖及泥質板巖為主，巖層扭曲嚴重，部分緩傾，傾角約10°～20°，以中、薄層狀V 級圍巖為主。巖體受地質構造影響嚴重，破碎，為突水突泥提供了豐富的物質來源。新平隧道多次發生涌突主要集中在受構造影響嚴重的前震旦系黑山頭組板巖夾砂巖段（2 號橫洞工區～出口）。

（二）地表降雨及地下水

新平隧道洞身段埋深一般在100m～300m，局部穿越溝谷段落埋深在50m～100m，隧道埋深普遍較深；加之新平隧道地質以砂巖與板巖護層為主，泥質、炭質板巖相對隔水，雨季地表降雨未能及時滲流至隧道掌子面。因此當季地表降雨對隧道內地下水的發育程度影響相對較小，具有一定的滯后效應。

炭質、泥質板巖透水性較差，作為相對隔水層，當節理裂隙為密閉或被泥化層充填賦存地下水較少；砂巖、砂質板巖較破碎～極破碎，節理裂隙發育，有利于地下水富集，形成富水帶。當隧道穿越泥質板巖段落時地下水不發育；當隧道穿越砂巖、砂質板巖時地下水較發育。隧道發生涌突的來源為富水破碎砂巖，其規模主要受地下水靜儲量及破碎體的影響，與地表降雨相對影響較小，這與可溶巖發生涌突的季節性有區別。新平隧道在雨季與旱季均發生過涌突，且最大規模涌突發生在2017 年12 月，也驗證了砂板巖隧道涌突這一特點。

（三）巖層產狀及節理裂隙

新平隧道主要穿越前震旦系黑山頭組板巖夾砂巖，兩種巖性護層作用明顯。受巖層厚度影響，隧道掌子面揭示可能為砂巖或板巖其中一種巖性，或者兩種巖層互層。當掌子面揭示為板巖、拱頂上方存在富水破碎砂巖時，極易發生涌突現象。

隧道節理裂隙發育，利于地下水滲透，隨著地下水對圍巖的軟化和淘蝕作用，圍巖強度降低，整體性減弱，隧道洞周圍巖出現變形，局部出現松動、垮塌現象，并伴有少量股狀涌水。隧道圍巖的變形以該出水點為突破口，地層顆粒逐漸隨水流走，形成臨空面，在富水松散破碎地層的作用下，發生突水突泥。因此，富水節理裂隙發育段發生突水突泥的概率顯著增高。

（四）施工工藝

隧道開挖前，圍巖處于天然穩定平衡狀態。伴隨隧道開挖出現臨空面及放炮振動影響等因素，隧道初期支護逐漸變形增大，洞周塑性區逐漸擴展，圍巖強度逐漸降低，在富水破碎環境下當隔水巖盤不足以承受涌突產生的附加荷載時，容易出現涌突。因此施工過程中，改進施工工藝，減小對圍巖的擾動，初期支護快速封閉成環，控制初期支護沉降變形對控制涌突具有積極意義。新平隧道對軟弱圍巖段采用挖機配置銑挖頭銑挖法施工，三臺階帶仰拱一次開挖，減小了對圍巖的擾動，降低了初期支護封閉成環的時間，對初期支護變形及洞周塑性區的發展起到了積極控制作用，在一定程度上降低了涌突發生的概率。

五、突水突泥預防措施

對于砂板巖隧道預防涌突發生應以超前地質預報為基礎，探明掌子面前方、上方地下水及圍巖情況，重點對突水突泥、掌子面失穩進行防范。豐富的地下水及破碎巖體是造成不良地質突水突泥的根本原因，對預防涌突發生采取“排水泄能減壓、注漿圍巖改良、強支弱爆通過”的綜合處置原則，提前采取有效措施，減小涌突發生的概率。

（一）超前地質預報

由于富水砂巖、板巖發生涌突的復雜性和無規律性，對前震旦系昆陽群砂巖、板巖互層隧道超前地質預報采取了以地質調查法為基礎，鉆探法、物探相結合的綜合超前地質預報方法。用宏觀預報指導微觀預報、長距離預報指導中短距離預報；微觀預報驗證宏觀預報、中短距離預報驗證長距離預報、鉆孔驗證物探的工作思路，開展隧道防突水突泥超前地質預報專項工作。主要采用的超前地質預報方法有：地質調查法、地震波反射法、地質雷達探測、瞬變電磁法、超前鉆探法。

前震旦系砂板巖隧道超前地質預報方法分類表

（二）排水泄能減壓

對于砂板巖隧道，造成涌突的地下水主要為靜儲量基巖裂隙水。通過設置超前長鉆孔、超前導坑或者通過迂回導坑內增設斜向正洞的超前排水鉆孔，擊穿隔水板巖地層，將飽含在砂巖地層中的地下水提前引排，減小發生涌突的外動力，可以有效減小發生涌突的概率及涌突規模。

（三）超前改良圍巖

對多次涌突總結發現，涌突物母巖為砂巖，現場基本以中粗砂、角礫為主。根據超前地質預報結果，對存在涌突風險段落通過超前（注漿）加固措施。一方面可以提高隔水巖盤的強度和厚度，另一方面可以對涌突物來源進行加固，減少涌突物來源規模。超前加固一般包括密布超前管棚，超前局部、超前周邊、超前帷幕注漿加固等。加固范圍一般為隧道開挖輪廓線外2m～8m，并對掌子面前方土體進行穩定性加固。

（四）強支弱爆通過

施工過程中，為減小對可能涌突段落圍巖爆破振動影響，對軟弱破碎圍巖可采用機械開挖代替爆破開挖，可有效減小對洞周圍巖的擾動，控制塑性區的發展，避免隔水巖盤的強度快速弱化誘發涌突。如玉磨鐵路新平隧道采用挖機配置銑挖頭法開挖，對富水破碎段采用邊銑挖邊噴設混凝土施工工藝，有效減少了對圍巖的擾動，控制了圍巖變形及減小了涌突頻率。

由于可能涌突段落附加荷載的不確定性，為控制施工過程中初期支護變形風險及保障運營階段隧道安全，對可能發生涌突的段落采用加密鋼架、提高鋼架型號、加強二次襯砌措施。新平隧道對涌突段及可能存在涌突段，采用I20b 或I22b 工字鋼間距加密至0.6m/榀，加厚二次襯砌等措施。

六、總結與思考

砂巖、板巖復合地層隧道涌突可分為剪切破壞、塑性破壞、施工直接擊穿誘發涌突三種類型。由于砂板巖隧道突水突泥的復雜性、無規律性，采用多種超前地質預報手段相結合，探明掌子面前方涌突體位置、規模對預防突水突泥發生至關重要。

豐富的靜儲量基巖裂隙水是造成砂巖、板巖復合地層隧道突水突泥的能量來源，受構造及風化作用形成的砂巖及板巖破碎體是突水突泥的物質基礎。提前減排圍巖內基巖裂隙水對放置涌突具有積極作用。