全 斐，趙 宇，趙春杰，高明成

(中鐵十局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，隧道及地下工程發(fā)展迅猛，隨之而來的涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害問題日漸突出[1-5]。采取必要的措施應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害，對隧道安全、快速掘進(jìn)以及正常使用至關(guān)重要[6～10]。正在修建的大臨鐵路紅豆山隧道穿越花崗巖地層，施工中突發(fā)大規(guī)模涌水、突泥，而目前國內(nèi)花崗巖地層形成蝕變、溶蝕裂隙管道地下水的案例比較少見，且滇西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)極少。筆者總結(jié)了紅豆山隧道處理突發(fā)大規(guī)模涌水、突泥的主要特點(diǎn)，綜合地質(zhì)勘探及超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，對迂回導(dǎo)坑試探性繞行施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

大臨鐵路位于云南省西南部地區(qū)，北起廣大線大理站，經(jīng)大理州巍山縣，跨越瀾滄江后進(jìn)入臨滄市。紅豆山隧道位于瀾滄江以南，臨滄市鳳慶縣及云縣境內(nèi)，單線鐵路隧道，起訖里程DK114+497～DK125+113，全長10 616m，最大埋深1 020m，隧道斷面凈空6.98m×7.1m(寬×高)。如圖1所示，全隧共設(shè)2座斜井+2座洞身平導(dǎo)，1號斜井平長1 799m，斜井縱坡10%；2號斜井平長1 657m，斜井縱坡10.3%；1號斜井工區(qū)平導(dǎo)長1 600m，2號斜井工區(qū)平導(dǎo)長2 210m，平導(dǎo)中線與線路中線距離30m。設(shè)計預(yù)測正洞最大涌水量42 994m3/d，1號斜井最大涌水量Qmax=7 234m3/d，2號斜井最大涌水量Qmax=7 216m3/d。

圖1 紅豆山隧道示意

隧道穿越地層主要為印支期黑云花崗巖。隧道地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶，隧道穿越龔家斷層、星源斷層、關(guān)口平移斷層、冬瓜村斷層、學(xué)房斷層、老茶房斷層、小溫崩斷層等7個斷層，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。地下水的賦存與分布主要受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖性及氣候等因素的控制，隧道區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水類型較多，主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、斷層裂隙水。

2 涌水突泥情況

2018年8月17日14時40分，紅豆山隧道2號斜井平導(dǎo)施工至PDK121+661，掌子面無水，爆破后準(zhǔn)備出碴時左側(cè)拱頂出現(xiàn)掉塊，約20min后突發(fā)涌水，瞬間淹至距掌子面80m處，至8月20日16時，水位上升至斜井X2DK0+470，已經(jīng)開挖的平導(dǎo)、正洞全部淹沒，如圖2所示。

圖2 2018年8月17日2號平導(dǎo)涌水

2018年11月14日對掌子面PDK121+661涌水塌方處后方加固處理，14時58分，PDK121+671.5～+668.6段上臺階套拱立架完成準(zhǔn)備施作鎖腳錨管時，拱頂左側(cè)接近拱頂位置出現(xiàn)掉塊并有響聲，且頻率較高，此時水量增大，水質(zhì)變渾，現(xiàn)場立即撤離作業(yè)人員，至15時2分，發(fā)生涌水突泥現(xiàn)象，水質(zhì)渾濁，流速較快，瞬間沖至PDK121+700處，堆積物為塊、碎石及泥沙，如圖3所示，塌體中含大量方解石，塌體將PDK121+661處拱部塌口掩埋，渣體為緩坡，估算總塌方量為800m3，塌體處出水量約14 160m3/d(即590m3/h)。

圖3 2018年11月14日2號平導(dǎo)突泥

3 地質(zhì)條件研究

3.1 地質(zhì)及水文探測

紅豆山隧道2號斜井平導(dǎo)發(fā)生涌水突泥后，對該段進(jìn)行了大量的補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查。平導(dǎo)涌水處揭示巖性為印支期黑云母花崗巖：為淺灰、灰白色，夾黑色斑點(diǎn)，塊狀構(gòu)造，中～粗粒結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化。隧道DK121+000～DK122+600段線路右側(cè)發(fā)育一常年流水溝谷，距離線路0～500m，與線路交于DK122+520，為分析流水溝谷地表水與洞內(nèi)涌水的關(guān)聯(lián)性，在紅豆山2號斜井進(jìn)口集中排水口溝谷上游20m～50m范圍內(nèi)和下游20m～50m范圍內(nèi)布設(shè)共計2個簡易流量觀測點(diǎn)，計算溝谷水流量變化。同時對PDK121+200～PDK122+200段線路左右各500m范圍內(nèi)地表泉眼、水井、池塘、水田及溝渠水流量進(jìn)行觀測，核實(shí)是否出現(xiàn)地表失水現(xiàn)象。

根據(jù)洞內(nèi)涌水監(jiān)測情況及洞外簡易流量觀測點(diǎn)統(tǒng)計，2018年8月17日～9月18日每天涌水量在19 076m3/d～43 702m3/d，累計抽水量約110萬m3。根據(jù)抽排水記錄分析除8月19日出現(xiàn)涌水峰值84 000m3/d (3 500m3/h，持續(xù)38min)以外，其余時間涌水量為795m3/h～1 821m3/h。對PDK121+200～PDK122+200段線路左右各500m范圍內(nèi)地表變形、泉點(diǎn)、水井、池塘、水田及溝渠水流量進(jìn)行觀測，未發(fā)現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。分析結(jié)果表明，隧道內(nèi)涌水與地表水沒有直接的補(bǔ)給關(guān)系。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報

涌水發(fā)生后，采用拉碴反壓回填、堆碼沙袋形成作業(yè)平臺，出水點(diǎn)預(yù)留排水管引至邊墻，掌子面采用8cm厚噴射混凝土封閉，在原超前地質(zhì)預(yù)報基礎(chǔ)上，采用“物探+鉆探”綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法對涌水段落及周邊進(jìn)行補(bǔ)充預(yù)報。

3.2.1 物探。在PDK121+661掌子面附近先后兩次補(bǔ)充實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁[11]，瞬變電磁測點(diǎn)布置見表1，從預(yù)報的數(shù)據(jù)資料分析，前后兩次瞬變電磁結(jié)果基本吻合，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高；地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施過程受涌水及坍塌體不平整等影響，掌子面前方無法探測。結(jié)合瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)周邊探測和原有TSP資料分析，掌子面前方及隧道周邊圍巖強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，水量大。受掌子面涌水等不可移除的干擾因素影響，物探結(jié)果需采用鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 瞬變電磁工作測線布置方式

3.2.2 鉆探。為查明涌水段隧道前方及周邊一定范圍內(nèi)相對低阻異常帶的花崗巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、蝕變及地下水發(fā)育程度。采用ZML160鉆機(jī)，在PDK121+677斷面左、右側(cè)及PDK121+679斷面拱頂布置5個Φ108mm鉆孔，見表2。探孔布置及探測結(jié)果見圖4。

表2 PDK121+677、PDK121+679斷面鉆孔統(tǒng)計表

圖4 地質(zhì)預(yù)報探測結(jié)果示意

從圖4中可以看出，涌水段落存在物探相對低阻異常區(qū)域范圍較大，結(jié)合鉆探資料分析，富水區(qū)域存在于隧道掘進(jìn)方向左側(cè)、拱頂及掌子面前方，且涌水掌子面(PDK121+661)左前方、前方存在約3m寬空腔，空腔內(nèi)局部泥沙充填。

綜合物探、鉆探判釋結(jié)果說明花崗巖巖體存在囊狀富水體，結(jié)合掌子面揭示巖性分析為花崗巖中局部分布可溶巖俘虜體，在地下水淘蝕作用下形成溶蝕管道、裂隙，基巖裂隙水沿溶蝕管道排泄，富水體補(bǔ)給源豐富，施工中揭示溶蝕管道，形成涌水。

4 試探性迂回繞行方案

4.1 方案比選

4.1.1 方案一。超前大管棚支護(hù)，爆破防水。由于掌子面水量大，前方存在約3m寬空腔，空腔貫通性好，且目前無法準(zhǔn)確探明空腔高度，空腔內(nèi)局部充填泥沙，再次開挖可能造成大面積涌水、突泥，施工危險系數(shù)高，且超前大管棚支護(hù)、初期支護(hù)無法完全保證后期施工通道安全。

4.1.2 方案二。帷幕注漿。帷幕注漿堵水工程造價高，施工進(jìn)度緩慢，注漿充填空腔效果難以保證，且堵水可能造成水壓增大，不利于后期正洞施工。

4.1.3 方案三。試探性迂回繞行。綜合超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行迂回導(dǎo)坑試探性施工，原平導(dǎo)作業(yè)面作為泄水通道，泄水降壓。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮降低施工風(fēng)險、確保工期、節(jié)約投資等因素，采用迂回繞行的施工方案。

4.2 第一次迂回繞行施工

4.2.1 迂回繞行施工方案。 根據(jù)涌水段超前地質(zhì)預(yù)報綜合分析，平導(dǎo)掘進(jìn)方向右側(cè)圍巖強(qiáng)度較高、水量小，且右側(cè)繞行可有效避開正洞，減少后期對正洞施工干擾，故選擇從掘進(jìn)方向右側(cè)設(shè)置迂回導(dǎo)坑，平行段與平導(dǎo)中線距離25m，與平導(dǎo)中線交于PDK121+685=YPDK0+000處，交角為60°，迂回導(dǎo)坑設(shè)計長度107.74m，如圖5所示。迂回導(dǎo)坑斷面形式、坡度與原平導(dǎo)一致。

圖5 迂回繞行示意

迂回導(dǎo)坑超前地質(zhì)預(yù)報采用瞬變電磁+3孔超前鉆孔兼排水孔+5孔加深炮孔+掌子面地質(zhì)素描方式開展，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報綜合分析成果實(shí)時調(diào)整圍巖級別、支護(hù)參數(shù)及開挖工法。

4.2.2 迂回繞行遇到的問題。迂回導(dǎo)坑掌子面施工至YPDK0+036揭示為弱風(fēng)化黑云花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，3個超前鉆孔內(nèi)均有股狀水流出，總水量約200m3/h，迂回平導(dǎo)鉆孔內(nèi)出水后，原平導(dǎo)掌子面總出水量減少約200m3/h。掌子面施工至YPDK0+044，3個超前鉆孔內(nèi)涌水量增加至320m3/h，結(jié)合綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，采用φ108mm大管棚超前支護(hù)，大管棚間斜插φ42mm小導(dǎo)管，并在邊墻、拱頂施作泄水孔泄水降壓。掌子面施工至YPDK0+048，上臺階立架完成準(zhǔn)備施作加密超前小導(dǎo)管時，拱頂左側(cè)接近拱腰位置出現(xiàn)掉塊，本循環(huán)封閉后暫停施工，次日頻繁出現(xiàn)掉塊聲響，現(xiàn)場拉碴反壓回填，過程中有股狀水流出，水質(zhì)較渾，并伴有泥沙流出，且水量注漿增大，水質(zhì)渾濁，現(xiàn)場撤離作業(yè)人員，約1h后發(fā)生涌水突石(泥)現(xiàn)象，成分為泥夾碎石塊砂，方量約200m3，塌口位于拱頂～左拱腰，已被塊、碎石封堵。塌口出水量約260m3/h。

4.2.3 涌水突泥原因分析。 瞬變電磁判釋YPDK0+051～+091段相對電阻率較前段降低，含水量較前段增大，其中YPDK0+067～+091為相對低阻異常帶，水量較大。鉆探數(shù)據(jù)顯示YPDK0+046～+076段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，蝕變較嚴(yán)重，自穩(wěn)性差，地下水發(fā)育，如圖6所示。

圖6 YPDK0+031～+091段瞬變電磁電阻率剖面

分別在YPDK0+036、YPDK0+044兩個斷面施作共9個超前鉆孔，兩次鉆孔揭示地質(zhì)條件與物探結(jié)果基本吻合。

根據(jù)物探、鉆探結(jié)果分析，YPDK0+048掌子面左側(cè)、拱頂前方富水，且掌子面附近存在較大空腔，局部巖體蝕變嚴(yán)重，右側(cè)巖體較為破碎，分布較多軟弱夾層，地下水較不發(fā)育。結(jié)合原平導(dǎo)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果判斷，原平導(dǎo)與迂回導(dǎo)坑之間可能存在貫通裂隙、管道，富水。為擴(kuò)大探測范圍，在迂回導(dǎo)坑YPDK0+030、+041右側(cè)與坑道線路60°夾角補(bǔ)充60m深鉆孔，YPDK0+030右側(cè)邊墻鉆孔鉆進(jìn)速度0.38m/min～0.75m/min，巖質(zhì)軟硬不均，鉆孔內(nèi)無水，無卡鉆現(xiàn)象。YPDK0+041右側(cè)邊墻鉆孔，鉆進(jìn)速度0.375m/h～0.5m/h，巖質(zhì)較硬，鉆孔內(nèi)無水，無卡鉆現(xiàn)象。綜合以上數(shù)據(jù)分析，迂回導(dǎo)坑右側(cè)巖體強(qiáng)度較高，圍巖完整性較好，孔內(nèi)無水。

4.3 第二次迂回繞行施工及結(jié)果

4.3.1 迂回繞行方案。在迂回導(dǎo)坑前進(jìn)方向右側(cè)設(shè)置2號迂回導(dǎo)坑，2號迂回導(dǎo)坑平行段與迂回導(dǎo)坑中線平距為30m，與原平導(dǎo)中線平距為55m，沿原1號迂回導(dǎo)坑斜邊延伸施工，進(jìn)入平行段后設(shè)不小于50m的平行直線段，待通過富水區(qū)域段后再回到原設(shè)計平導(dǎo)中線，如圖7所示。

圖7 2號迂回繞行示意

4.3.2 繞行效果及修正。第二次繞行順利完成，迂回導(dǎo)坑順利轉(zhuǎn)入原平導(dǎo)線路施工，平導(dǎo)順利通過了涌水突泥段落，平導(dǎo)富水段落平均月進(jìn)尺達(dá)到90m以上，原平導(dǎo)作為泄水通道，在原平導(dǎo)內(nèi)向正洞方向施作長距離探孔泄水降壓，為正洞的施工創(chuàng)造有利條件，目前正洞已順利穿過涌水段落。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)紅豆山隧道工程實(shí)際，綜合地質(zhì)勘探及超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，采用迂回導(dǎo)坑試探性繞行避讓和深孔泄水的方案，順利通過了涌水段。主要結(jié)論及建議如下：①紅豆山隧道涌水為滇西花崗巖地層蝕變、溶蝕裂隙、管道地下水，具有水量大、涌水連續(xù)、貫通性好、補(bǔ)給水頭穩(wěn)定等特點(diǎn)，通過試探性迂回繞行，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果動態(tài)調(diào)整迂回導(dǎo)坑線路，可成功通過涌水突泥段落，保障施工安全。②采用“瞬變電磁+超前鉆探”地質(zhì)預(yù)報組合方式，在紅豆山隧道涌水突泥處理中取得了較好的效果，能夠較清楚的探測到隧道掌子面及周邊富水區(qū)域、空腔等異常地質(zhì)，但受地質(zhì)條件的復(fù)雜性和地質(zhì)預(yù)報實(shí)施過程中不可排除的影響因素的影響，超前地質(zhì)預(yù)報方法對花崗巖蝕變、溶蝕裂隙的預(yù)報在一定范圍內(nèi)仍存在局限性，這也是造成第一次迂回繞行未成功的主要原因。③滇西花崗巖地層蝕變、溶蝕裂隙、管道地下水情況極為復(fù)雜，蝕變巖體受地下水侵蝕影響，強(qiáng)度降低明顯，且差異性大，對該類地質(zhì)條件下隧道施工的安全巖盤厚度應(yīng)適當(dāng)加大。