砂化白云巖隧道突泥涌水處治技術

1 引言

在我國西南部修建隧道的過程中， 經常遇到白云巖砂化問題。 白云巖在地下水的作用下，發生溶蝕直至“砂化”，導致圍巖強度降低，甚至發生拱頂掉塊、突泥涌水等災害[1-2]。 有相當比例的公路隧道建設于富水巖溶地區[3]，白云巖砂化嚴重影響隧道施工和運營安全。

針對隧道中白云巖砂化及巖溶問題，目前已有較多研究，張良喜[4]對白云巖砂化做了詳盡的研究，包括砂化原因、砂化過程、砂化后的物理力學性質；丁榮春[5]簡要論述了吉新隧道施工中遇到的問題，并對開挖方法和超前支護手段提出建議。王宏超[6]簡要分析了吉新隧道突水涌砂的原因。 白玉[7]等針對營爾嶺隧道穿越溶腔段，對溶腔整治提供了施工建議。 陳曉軍[8]等依托西成鐵路房家灣隧道， 分析了掌子面災變原因并闡述了治理措施，包括補充勘查、打泄水洞/ 孔等。 石少帥[9]分析了充填型構造突涌水機理，宋詩文[10]分析了楊林隧道的巖溶涌水成因并提出了處治方案。

本文通過增設170.5 m 的迂回導坑、 巖溶段超前加固、襯砌及支護結構、隧底巖溶處理及其他措施，解決了隧道中的巖溶及突泥涌水等問題，最終隧道安全通過大型溶洞，為后續相關工程提供了經驗，為今后相關工程問題提供參考。

2 工程概況及地質條件

營盤山隧道全長8 352 m。 隧道為單面下坡， 最大坡度22.3‰，最大埋深約560 m。 車站布置進入隧道進口端152 m，其余地段為設計時速為140 km 的單線電氣化隧道。 隧道為單面下坡，最大坡度22.3‰，最大埋深約560 m。

隧區屬低中山剝蝕地貌，溝谷縱橫，地形起伏大，自然坡度25°~55°，局部為陡壁。隧區內基巖大多裸露，第四系全新統地層零星覆蓋，一般厚0~3 m，局部較厚。 隧道地處怒江南北向構造帶，核部地層主要有三疊系、侏羅系。 受怒江南北向構造帶影響，線路附近地層產狀紊亂，節理發育、裂隙寬張、巖體較破碎。 隧區內溝水、河水發育，主要有濫棗河及老白河，老白河泥石流內為伏流，地下水以土層孔隙水和基巖裂隙水、巖溶水為主。 另外，隧道洞身橫穿多條由東向西山間溪溝，溪溝內有季節性流水。 預測全隧道洞身段正常涌水量約為4.9×104m3/d，雨季最大涌水量約7.35×104m3/d。

3 巖溶揭示情況

隧道開挖及地質勘探、 超前地質預報揭示： 在D2K169+023～D2K169+160 段發育4 處溶洞， 溶洞呈不規則分布，向隧底以下延伸大于35.4 m，為全充填溶洞，物質成分為紫紅色密實狀全風化泥巖質碎石土，夾強風化，呈硬塑黏土狀。地下水較發育，圍巖遇水易軟化，整體穩定性差。迂回導坑段為白云巖與泥質充填物接觸帶，上部為白云巖，呈灰白、灰黃色，全～強風化；下部巖溶發育，形成一個全充填型溶洞，充填物質呈紫紅色，黏土狀，結構較致密，如圖1 所示。 地下水主要由右側白云巖地層中流出， 溶洞充填物為密實-中密碎石土，基本不含水。 段內地下水為巖溶裂隙水和巖溶管道水，開挖揭示主要巖溶管道水由D2K169+042 拱頂部位向D2K169+034 拱頂延伸的裂隙中，水量127.54~241.77 m3/h。圖1 為巖溶段地質平面圖。

圖1 巖溶段地質平面圖

4 巖溶處理方案

4.1 總體方案

本次施工為D2K169+023~D2K169+195 段172 m 大型全充填溶洞巖溶處理， 為巖溶探測創造條件， 查明巖溶分布范圍，加強巖溶水引排，降低突涌風險，為后續正洞巖溶處理創造有利條件為超前泄水降壓和探測溶洞發育規模， 于線路右側增設170.5 m 迂回導坑。 對巖溶段進行不同程度的超前加固，對襯砌及支護結構進行加強調整，對巖溶段的防排水措施加強治理，再分別對初支變形、邊墻溜坍、掌子面突涌水等問題采用超前加固、超前泄水、超前帷幕注漿等處理措施。

4.2 充填溶洞處理方案

在隧道施工中， 當超前地質預測預報表明前方存在大型充填粉塊石土型溶洞時應立即停止施工封閉掌子面。 然后采用超前預注漿加固塊石土采取超前大管棚支護采用臺階法進行安全開挖，采取加密鋼架支撐及鋼筋混凝土二次襯砌[11]。 主要處理措施如下。

1）全斷面超前預注漿：加固范圍為開挖輪廓線外5~8 m。注漿材料采用普通水泥單液漿和普通水泥-水玻璃雙液漿，以普通水泥單液漿為主。 注漿采取分段前進式注漿，分段長度為5 m，注漿壓力為3~4 MPa。

2）超前大管棚支護：在超前預注漿結束經檢查符合要求后必須采取超前大管棚支護， 大管棚直徑為108~150 mm 外插角1°~3°。管棚布設完成后，對管棚進行全孔一次性注漿，注漿材料采用水泥砂漿。

4.3 巖溶水治理方案

1）加密排水盲道：φ50 mm 環向盲管設置間距加密為4 m/ 道或3 m/ 道。

2）增設泄水孔：該段均為襯砌邊墻處設置泄水孔，在仰拱及矮邊墻施作前預埋φ110 mm 的PVC 管， 管口高于側溝底30 cm，坡度為10%，沿線路縱向的設置間距為2 m，鉆孔至入圍巖不小于0.5 m。

5 巖溶處理施工技術

D2K169+025~D2K169+195 段溶洞巖溶處理技術措施按照“泄水降壓、注漿加固、管棚超前”的原則進行處理，主要為增設迂回導坑、巖溶段超前加固、襯砌及支護結構、隧底巖溶處理等處理措施。

5.1 增設迂回導坑

迂回導坑位于正洞D2K169+051~D2K169+181.65 段線路前進方向右側，與正洞線間距為30 m，總長170.5 m。

迂回導坑與正洞交叉口段為無軌雙車道斷面， 斷面凈空為8.5 m（寬）×6.0 m（高），其余段采用無軌雙車道斷面，斷面凈空為7.5 m（寬）×6.0 m（高）。迂回導坑V 級圍巖采用臺階法開挖。根據開挖揭示，迂回導坑YHK0+000~+170.5 段170.5 m均為V 級圍巖。

5.2 超前加固、襯砌及支護

開挖及補勘揭示白云巖巖溶強烈發育，局部存在砂化現象，巖溶水發育，為確保巖溶段施工安全，進行了不同程度的超前加固處理，并對襯砌及支護結構進行了加強調整，具體如下。

5.2.1 超前加固及支護

D2K169+025~D2K169+055 段采用臺階法開挖，設置全環I18 型鋼鋼架加強支護；D2K169+049~D2K169+055 段設置拱部一環φ60 mm 中管棚超前支護，φ60 mm 中管棚環向間距0.4 m，共20 根，單根長9 m。

D2K169+055~D2K169+069 段采用拱部φ108 mm 大管棚配合φ60 mm 中管棚超前加固，φ108 mm 大管棚外插角12°~15°，環向間距均為0.2 m，壁厚10 mm，長度均為30 m，φ60 mm 中管棚環向間距0.4 m，每環20 根，單根長9 m。 設置全環I18 型鋼鋼架加強支護，鋼架間距為0.8 m/ 榀。

5.2.2 襯砌結構加強

D2K169+025~D2K169+055 段拱墻范圍系統錨桿調整為φ42 mm 徑向注漿錨管，間距1.2 m×1.0 m，長4.0 m；D2K169+055~D2K169+110 段取消拱部大管棚設置范圍系統錨桿，邊墻系統錨桿調整為φ42 mm 徑向注漿錨管，間距1.2 m×1.0 m，長4.0 m；D2K169+110~D2K169+125 段取消拱部系統錨桿，邊墻系統錨桿調整為φ42 mm 徑向注漿錨管，間距1.2 m×1.0 m，長4.0 m。鑒于巖溶裂隙水發育且帶壓，注漿試驗表明水泥漿凝結速度慢、漿液流失嚴重、注漿效果差，故注漿以1∶0.6~1∶1 水泥-水玻璃雙液漿為主，注漿壓力約為1 MPa。

5.3 隧底巖溶處理

為避免運營期間基底充填物遇水軟化影響隧道運營安全，對隧底巖溶進行處理，具體如下。

1）隧道D2K169+023~D2K169+028 段和D2K169+032~D2K169+034 段7 m 范圍內巖溶隧底填充物厚度較小， 采用C25 混凝土換填， 換填深度按嵌入灰巖溶蝕破碎帶不小于0.5 m 控制。

2）隧道D2K169+034~D2K169+160 段126 m 范圍巖溶隧底填充物厚度大， 為確?；滋幚硇Ч?， 將隧底處理措施為φ89 mm 鋼管樁注漿加固。 注漿加固范圍為D2K169+034~D2K169+160 段， 基底注漿深度按基底以下15 m 控制。 隧道D2K169+034~D2K169+160 段123 m 隧底范圍按間距1.0 m（線路縱向）×1.0 m（橫斷面方向）交錯布孔。

5.4 初支變形處理

D2K169+025~D2K169+055 段初期支護發生變形、D2K169+028~D2K169+034 段右側邊墻初支背后受巖溶水沖刷形成空腔，為保證施工及運營安全，D2K169+025~D2K169+048 段增設24 榀拱墻I18 型鋼臨時套拱加強支護， 間距按1 m/ 榀。 D2K169+028~D2K169+034 段拱墻位置初期支護背后受地下水沖刷影響形成空腔， 采用C20 混凝土將該空腔回填密實。

5.5 邊墻溜坍處理

D2K169+D2K169041 左側邊墻泥質充填物受巖溶裂隙水軟化影響，發生失穩溜坍，主要抽排坍體附近積水，清除涌出巖溶充填物，并反壓回填坍體范圍，防止滑坍范圍及塌腔繼續擴大。D2K169+041~D2K169+045 段增設I18 型鋼鋼架橫向及豎向支撐， 每榀鋼架橫撐設置1 道， 豎向支撐設置2 道。 于D2K169+041 拱頂右側施作φ130 mm 泄水孔， 并預埋6 m 長φ108 mm 鋼花管作為泄水通道。 對塌腔采用C25 噴混凝土封閉，厚度10 cm；封閉完成后對D2K169+041~D2K169+043 段左側突泥突水空腔口進行初期支護封閉。 D2K169+041~D2K169+045 段左側邊墻預埋2 根φ200 mm 泵送管， 對塌腔泵送C25 混凝土回填。 D2K169+040~D2K169+050 左側拱墻設置φ60 mm 中管棚超前注漿加固，中管棚長9 m/ 根，縱向間距1.0 m，環向間距0.4 m，每環15 根，注漿采用0.6∶1~1∶1 水泥漿，注漿壓力不小于0.5 MPa。

5.6 掌子面突涌處理

根據突涌段地質條件及突涌情況，采取了以超前加固、超前探測、超前泄水為原則的分階段處理方案，超前加固、襯砌結構、排水等已闡明，其余突涌處理措施內容如下。

5.6.1 淺層分段清淤

突涌體的清理以“分段固結，分段清理”的原則進行（見圖2），于D2K169+000 處坡腳采用砂袋碼砌穩定突涌體坡腳，碼砌尺寸為1 m（高）×1.5 m（寬），抽排積水后前期分4 次組織清理突涌體，對坡面及頂面采用C25 噴射混凝土封閉突涌體，厚度25 cm。對坡面采用φ60 mm 鋼花管對突涌堆積體進行分段注漿固結。

圖2 淺層分段清淤設計圖

5.6.2 穩固洞內突涌體

泵送C25 混凝土封閉洞內突涌體，坡面封閉厚度為1 m，D2K169+067 至掌子面范圍突涌體上方空間用C25 混凝土泵送回填密實。 封閉混凝土用φ22 mm 砂漿錨桿與初期支護拱墻連接，錨桿縱向間距1 m，伸入初支及封閉混凝土各1 m。對洞內突涌體注漿加固，加固深度為30 m，注漿孔間距1 m×1 m，梅花形布置，注漿孔直徑120 mm，分段注漿長度為3~5 m。 為穩固堆積體坡腳，D2K169+055~D2K169+077 段根據現場施工條件在突涌體頂面向隧底施作兩排豎向φ108 mm 鋼花管注漿加固，鋼花管壁厚10 mm，伸入隧底3 m，間距1 m×1 m，梅花形布置。

6 結論

巖溶是巖溶發育地區隧道施工過程中的常見不良地質現象，巖溶處理過程中應因地制宜、綜合治理，對隧道基底巖溶需考慮巖溶規模、大小、充填物情況進行處理。