近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害處理措施分析

龍杰 LONG Jie；武松 WU Song；趙靜任 ZHAO Jing-ren；張洋 ZHANG Yang；曾晨陽(yáng) ZENG Chen-yang；陳帆 CHEN Fan

（①云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000；②長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；③河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454003）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)道路交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)大山嶺隧道也不斷增多，與此同時(shí)隧道施工所面臨的水文地質(zhì)條件也越來(lái)越復(fù)雜。錢七虎[1]曾指出突水突泥災(zāi)害將給重大地下工程的安全建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隧道突泥涌水現(xiàn)象由于其瞬時(shí)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，不僅會(huì)造成隧址區(qū)地下水位下降，甚至?xí)斐扇藛T傷亡、經(jīng)濟(jì)損失，給施工帶來(lái)嚴(yán)重影響[2]。尤其是在西部地質(zhì)、地形錯(cuò)綜復(fù)雜的富水地區(qū)，施工還面臨著強(qiáng)富水和高地應(yīng)力的施工環(huán)境[3]。隧洞在通過(guò)這些富水?dāng)鄬訒r(shí)極易產(chǎn)生突泥涌水事故，嚴(yán)重威脅施工人員的生命安全和影響施工進(jìn)度[4]。因此做好近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害的處理便成為隧道工程關(guān)鍵控制點(diǎn)。

針對(duì)近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害處理措施的選擇，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究。呂斌[5]針對(duì)富水軟弱破碎帶等不良地質(zhì)條件引發(fā)的施工災(zāi)害問(wèn)題，采用綜合超前預(yù)報(bào)方法并制定相應(yīng)的施工預(yù)案等多種施工處置措施進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)治理，有效降低了施工災(zāi)害的影響。申志軍[6]通過(guò)研究野三關(guān)等5 座隧道的斷層施工處理措施得出：對(duì)高壓富水?dāng)鄬右瞬扇∨哦陆Y(jié)合、信息化跟蹤注漿工藝、加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌等施工工藝。李守剛[7]針對(duì)六盤山隧道穿越富水?dāng)鄬映霈F(xiàn)突泥涌水災(zāi)害，提出了“泄水降壓、排堵結(jié)合、超前支護(hù)、帷幕注漿、長(zhǎng)期量測(cè)、確保安全”的處理原則。由上述可見，隧洞應(yīng)對(duì)突泥涌水災(zāi)害的處置措施仍以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和排堵結(jié)合為主，這是合理且必要的。

本文梳理了近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害成因和常見災(zāi)害處理措施，結(jié)合香爐山隧洞5#支洞具體的工程實(shí)例，對(duì)近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害處理措施進(jìn)行了探討，為以后此類災(zāi)害處理提供一定參考。

1 近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害成因

在長(zhǎng)期的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，形成了大量的褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造。并在外界水源的補(bǔ)給下，最終形成了富水?dāng)鄬訕?gòu)造。一方面是沿地表沖溝或溪流在地面聚集，并沿落水洞、裂隙、斷層等滲流通道直接滲入巖層深部；另一方面是大氣降水經(jīng)斷層帶兩側(cè)的裂隙帶直接滲入至斷層當(dāng)中，如圖1 所示。

圖1 富水?dāng)鄬佑克聻?zāi)構(gòu)造示意[8]

隧洞在開挖過(guò)程中打破了地下水原有的平衡狀態(tài)，造成斷層帶導(dǎo)水性能的巨大變化，使斷層破碎帶成為隧洞與地表水系之間的涌水通道，導(dǎo)致大量地表水涌入隧洞。從力學(xué)角度來(lái)分析，斷層破碎帶內(nèi)巖體破碎，累積構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)較小，易形成塌落拱結(jié)構(gòu)。隧洞開挖后，在卸荷與地下水的沖刷作用下，斷層破碎帶內(nèi)松散塌坍塌，造成了富水?dāng)鄬油荒嘤克疄?zāi)害事故的發(fā)生。

2 近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害處理措施

通過(guò)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大風(fēng)埡口隧道[9]、甘泉隧道[10]、連霍高速烏鞘嶺隧道[11]、龍?zhí)端淼繹12]、大瑞鐵路大柱山隧道[13]及相關(guān)交通隧道[14]、水工隧洞[15]的大量文獻(xiàn)資料，總結(jié)軟弱圍巖和近接富水?dāng)鄬铀矶疵媾R突泥涌水災(zāi)害威脅時(shí)的處理方法。首先，要合理安排超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前支護(hù)等工序，堅(jiān)持“先護(hù)后挖”的原則，達(dá)到“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、早成環(huán)”的目的。同時(shí)，依據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的反饋判斷是否需要進(jìn)行全斷面模筑襯砌工作。其次，必須嚴(yán)格根據(jù)施工設(shè)計(jì)方案開展監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)、布點(diǎn)和監(jiān)測(cè)工作。對(duì)于獲取得到的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)集市進(jìn)行分析、處理、反饋，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案、施工方案的修正。最后，在施工過(guò)程中需要安裝不同類型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取處理多元多層次數(shù)據(jù)。從而可以最大程度地降低突泥涌水災(zāi)害造成的人員經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠探明隧洞掌子面前方突泥涌水災(zāi)害可能發(fā)生的位置，預(yù)測(cè)災(zāi)害規(guī)模以及災(zāi)害性質(zhì)。綜合采用物探如彈射波反射法、地質(zhì)雷達(dá)、地震波反射法、激發(fā)極化法等方法，并結(jié)合鉆探如超前水平鉆孔、鉆孔取芯、鉆孔聲波等方法能夠較為清晰得到隧洞開挖面前方的地質(zhì)信息，再結(jié)合地質(zhì)勘探報(bào)告可以對(duì)前方地質(zhì)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可以制定、修改施工方案，進(jìn)而避免突泥涌水災(zāi)害的發(fā)生。

2.2 洞身大管棚施工

采用洞身大管棚作為超前支護(hù)，通過(guò)合理設(shè)置管棚室、施工導(dǎo)向墻、導(dǎo)向管和鉆孔注漿等施工工藝，既可加固為巖土體又可以抑制圍巖松動(dòng)和垮塌，降低了災(zāi)害發(fā)生的概率。

2.3 帷幕注漿

帷幕注漿不僅可以加固圍巖還可以堵塞滲流通道起到止水的目的。當(dāng)隧洞近接富水?dāng)鄬忧椰F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求不能進(jìn)行泄水降壓或泄水降壓不能保證安全施工時(shí)，可以采用帷幕注漿。同時(shí)當(dāng)斷層破碎帶含水巨大，掌子面在開挖過(guò)后較為穩(wěn)定，也可采用周邊帷幕注漿措施增加地層強(qiáng)度，此時(shí)加固圈厚度一般為3～5m。

2.4 超前排水泄水降壓

超前排水泄水降壓分為迂回導(dǎo)坑超前排水泄水和超前鉆孔排水泄壓兩類。當(dāng)斷層破碎帶內(nèi)水量豐富，水壓較高，且斷層內(nèi)部物質(zhì)松散時(shí)，隧道近接斷層的過(guò)程中極易發(fā)生突泥涌水災(zāi)害時(shí)，宜選擇迂回導(dǎo)坑超前泄水，進(jìn)而降低突泥涌水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，為正洞穿越斷層破碎帶創(chuàng)造條件。一般是指在掌子面前方鉆孔超前排水，鉆孔長(zhǎng)度一般為30～50m，直徑為89～120mm。特別是當(dāng)隧道設(shè)置為雙洞單線時(shí)，可利用左（右）洞超前對(duì)右（左）洞進(jìn)行鉆孔排水降壓。

3 案例分析

3.1 工程背景

香爐山隧洞5#施工支洞交主洞于樁號(hào)DLI28+0522處，以斜井方式布置于汝南河槽谷左岸（東側(cè)）山體內(nèi)，進(jìn)口高程2508m，與主洞相交高程2014m，高差494m，洞長(zhǎng)1245.9m，縱向坡度24.71°凈斷面尺寸6.5m×6.0m（寬×高），支洞最大埋深585m。如圖2 所示。

圖2 香爐山隧洞5# 施工支洞地理位置示意

5#施工支洞口緊鄰清水江右岸，屬清水江～劍川巖溶水系統(tǒng)范圍，匯水面積約138km2。樁號(hào)K0+476～K0+526洞段圍巖主要為第三系淺灰綠色安山質(zhì)玄武巖，在構(gòu)造擠壓作用以及風(fēng)化的影響下，掌子面-左壁圍巖較為破碎，巖面較新鮮，巖質(zhì)較堅(jiān)硬；右壁圍巖巖體破碎，以散體結(jié)構(gòu)為主，巖質(zhì)總體較疏松，局部泥化，性狀差～極差（K0+517～K0+526）。巖體內(nèi)部存有大量裂隙，裂隙發(fā)育整體可分為2組：①組產(chǎn)狀：45°～120°∠50°～68°；②組產(chǎn)狀：309°～321°∠12°～37°；出露長(zhǎng)度為3～5m，裂面相對(duì)平直、粗糙，呈閉合狀，裂隙之間無(wú)充填泥質(zhì)或充填有厚度僅為2～5mm 的泥質(zhì)，整體性狀較差；巖體濕潤(rùn)，周圍環(huán)境地下水較為豐富。圍巖受地下水浸泡軟化及滲透壓力影響，巖體自穩(wěn)能力極差，易發(fā)生掉塊、塌方及涌水突泥，綜合評(píng)判為V 類圍巖（富水洞段）。

3.2 突泥涌水災(zāi)害

2020 年8 月至2020 年11 月，在5#支洞樁號(hào)K0+526及附近洞段，累計(jì)發(fā)生了4 次較大涌水。其中2020 年8 月21 日，支洞開挖至K0+522.8 樁號(hào)時(shí)，K0+514.0～K0+519.9段右側(cè)邊墻混凝土表面出現(xiàn)開裂（最大寬度5mm），K0+519.9～K0+522.0 段右側(cè)拱頂鋼支撐出現(xiàn)大變形（最大沉降量30cm），掌子面頂部突發(fā)涌水，最大涌水量約350m3/h，涌水?dāng)y帶出大量角礫巖及碎粉巖，造成掌子面淹沒(méi)，見圖3（a）。后經(jīng)測(cè)量K0+521.0～K0+522.0 段鋼支撐最大侵限33cm。2020 年9 月6 日，K0+522～K0+526 段右側(cè)起拱線鋼支撐變形嚴(yán)重，并在K0+522.5 樁號(hào)右側(cè)拱頂處出現(xiàn)涌水，存在較大安全隱患，見圖3（b）。

圖3 5# 支洞K0+526 及附近突水突泥情況

3.3 災(zāi)害處理措施

香爐山5#施工支洞樁號(hào)K0+545 周圍圍巖屬于V 類圍巖。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)隧洞掌子面安全厚度在5.5m 左右，因此在施工過(guò)程中要預(yù)留6～8m 的巖體。施工過(guò)程嚴(yán)格按照“弱開挖、短進(jìn)尺、快支護(hù)、勤監(jiān)測(cè)”的原則施工。施工過(guò)程中積極、連續(xù)開展施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)特別是超前地質(zhì)鉆孔驗(yàn)證，充分揭示前方斷層規(guī)模和富水程度，做好超前堵水、預(yù)加固措施，對(duì)洞身松動(dòng)巖塊及時(shí)、全面清撬或采取其它有效方式進(jìn)行排險(xiǎn)處理，開挖洞段及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)強(qiáng)支護(hù)，并做好上、下臺(tái)階鋼拱架的銜接、鎖腰鎖腳錨桿（管）施作，必要時(shí)增加底板橫撐形成閉環(huán)，緊跟二次襯砌，以降低圍巖變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，保障施工安全。

在工程地質(zhì)和物理力學(xué)特性方面，富水?dāng)鄬悠扑閹чg的隔水層與軟塑狀黏土極為相似。注漿困難，失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)與發(fā)生大變形幾率高，易對(duì)初支結(jié)構(gòu)造成破壞，隧道侵限風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。于是，需要以超前小導(dǎo)管或管棚或密排管棚等方法對(duì)巖體進(jìn)行超前支護(hù)，并且待隧道開挖掘進(jìn)通過(guò)斷層破碎帶后，要及時(shí)進(jìn)行徑向系統(tǒng)錨桿加固措施。及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)體系的完善工作與開展二次襯砌的施工，以達(dá)到理想的防突治理效果，保證隧洞施工安全。

堅(jiān)持采用“四超前”圍巖穩(wěn)定阻水加固控制技術(shù)，持續(xù)實(shí)施超前探測(cè)、超前注漿、超前支護(hù)和超前泄壓、分級(jí)截引排等措施，降低地下水對(duì)圍巖產(chǎn)生的滲透破壞以及對(duì)施工開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌，并進(jìn)行固結(jié)灌漿和重點(diǎn)部位的防滲灌漿和系統(tǒng)排水減壓孔施作。

由于開挖洞室位于紅麥盆地地下水位、清水江水位以下超百米，圍巖裂隙網(wǎng)絡(luò)中地下水補(bǔ)給、賦存條件較好，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)洞室抽排水量觀測(cè)并詳細(xì)記錄，尤其掌子面附近出水量的觀測(cè)臺(tái)賬，并配置足夠的抽排水能力，做好應(yīng)急預(yù)案，防止涌、滲水量增大時(shí)影響施工安全。此外在施工過(guò)程中，還應(yīng)加強(qiáng)安全巡視，注意施工安全，同時(shí)密切監(jiān)測(cè)圍巖性狀變化、變形過(guò)程和滲涌水變化情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理應(yīng)對(duì)異常情況。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)近接富水?dāng)鄬铀矶赐荒嘤克疄?zāi)害成因和處理措施進(jìn)行分析，并結(jié)合香爐山隧洞5#施工支洞突泥涌水災(zāi)害處理措施的實(shí)施，主要有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

①在隧洞掘進(jìn)的同時(shí)要輔以地質(zhì)素描工作加強(qiáng)對(duì)掌子面巖體的認(rèn)知。當(dāng)遭遇地質(zhì)條件較為復(fù)雜區(qū)域時(shí)，還需要結(jié)合鉆探與物探工作，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)而避免或減少災(zāi)害的發(fā)生。②高度重視隧道防排水施工的質(zhì)量把控，完善排水困難地段抽排水設(shè)施建設(shè)，嚴(yán)格根據(jù)多級(jí)泵站設(shè)置原則建設(shè)隧洞防排水設(shè)施。③按照“弱開挖、短進(jìn)尺、快支護(hù)、勤監(jiān)測(cè)”的原則施工，香爐山隧洞5#支洞在施工過(guò)程中持續(xù)實(shí)施超前探測(cè)、超前注漿、超前支護(hù)和超前泄壓、分級(jí)截引排等措施，降低地下水滲透壓力對(duì)圍巖產(chǎn)生的滲透破壞以及對(duì)施工開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響，確保隧道施工安全及結(jié)構(gòu)的可靠性。