胡 強(qiáng) 劉 韜

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

云南省區(qū)域面積較大，地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，其中臨滄市地區(qū)花崗巖、花崗混合巖分布廣泛，其存在著風(fēng)化程度高、差異風(fēng)化明顯、節(jié)理裂隙發(fā)育等特性，加之該地區(qū)雨季降水量充沛，隧道施工難度相對較大。受開挖擾動、地下水浸泡等多方面因素的作用，隧道施工過程中常發(fā)生局部塌方、冒頂、初期支護(hù)變形等施工病害[1-3]，若相關(guān)段落處于富水狀態(tài)，則存在著突泥涌水的風(fēng)險[4]。突泥涌水發(fā)生迅猛，破壞性極大，對施工人員安全、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及設(shè)備財產(chǎn)都構(gòu)成了極大的威脅。

目前，針對風(fēng)化花崗巖地層隧道突泥涌水災(zāi)害的研究已經(jīng)開展了較多的工作。?？〉萚5]總結(jié)廣西均昌隧道施工過程中發(fā)生的突水突泥災(zāi)害的處治實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了富水全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水突泥災(zāi)害機(jī)制及帷幕注漿技術(shù)；袁敬強(qiáng)等[6]結(jié)合廣西山心隧道施工過程中出現(xiàn)的災(zāi)害，通過總結(jié)現(xiàn)場災(zāi)害處治經(jīng)驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)等手段，對全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖隧道突水災(zāi)害機(jī)制、特征及防治措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究；陳佳正[7]以楚大高速九頂山隧道為工程依托，對隧道涌水突泥段采用多種物探手段進(jìn)行融合分析，總結(jié)歸納結(jié)構(gòu)突水涌泥災(zāi)變機(jī)理；郝勇[8]以福建省龍津溪引水隧洞工程為研究對象，采用多種研究方式，綜合分析了花崗巖斷層帶的物理力學(xué)特性、水理化特性及隧洞涌水突泥的原因。

可以看出，現(xiàn)階段針對風(fēng)化花崗巖地層隧道突泥涌水災(zāi)害的研究已有一些成果，但具體到花崗混合巖的研究則相對缺乏?；◢徎旌蠋r是指通過混合巖化過程形成的由角閃巖相或麻粒巖相變質(zhì)巖基體與花崗質(zhì)脈體組合形成的混合巖，其具有介于變質(zhì)巖和巖漿巖之間的巖石特性。與正常巖漿成因的花崗巖相比，花崗混合巖的成巖過程與礦物組成更為復(fù)雜，且具有巖性不均勻，結(jié)構(gòu)變化大等特點(diǎn)。針對上述情況，本文結(jié)合本項(xiàng)目隧道風(fēng)化花崗混合巖富水段的圍巖特性，在對突泥涌水災(zāi)害成因及發(fā)展過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出“半斷面帷幕注漿+超前管棚”的災(zāi)害處治方案。

1 工程概況

云南省臨滄市某隧道地處云貴高原之西南邊緣，橫斷山脈南段，為怒江和瀾滄江河間地塊，地勢總體上北高南低，高差起伏大。隧道場區(qū)位于滇西經(jīng)向構(gòu)造帶(即三江經(jīng)向構(gòu)造帶)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，位于瀾滄江斷裂-南汀河斷裂之間區(qū)域。場區(qū)下伏基巖為元古界(Pt)花崗混合巖、三疊系侵入(γ51)花崗巖。受區(qū)域構(gòu)造影響，場區(qū)巖體節(jié)理發(fā)育，巖體極破碎，施工過程中塌方、冒頂、突泥涌水、初期支護(hù)變形侵限等事故頻發(fā)，施工難度較大。

該隧道為分離式特長隧道，左幅隧道起訖樁號為ZK11+090-ZK16+290，全長5 200 m，最大埋深約291 m，右幅隧道起訖樁號為YK11+073-YK16+320，全長5 247 m，最大埋深約297 m。上、下行線隧道總長10 447 m，是該高速公路項(xiàng)目的控制線工程。

2 災(zāi)害概況及成因分析

2.1 突泥涌水概況

該隧道進(jìn)口端圍巖為花崗混合巖，長石、云母含量高，隱晶質(zhì)-細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較軟，巖體較破碎。2020年7月2日19：35，當(dāng)掌子面開挖至ZK11+866時，掌子面拱部突然出現(xiàn)小股狀出水，并引發(fā)隧道拱部塌方，形成環(huán)向長約8 m，縱向約3 m的塌口。五方代表當(dāng)即確定先用洞渣回填掌子面，以防止塌方規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，并施作不少于3個排水孔引排地下水。期間，地下水沿節(jié)理滲出，將節(jié)理裂隙內(nèi)砂礫掏蝕，拱部塌口處掉塊現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致臨空面進(jìn)一步增大，進(jìn)而于2020年7月3日04:28分發(fā)生突泥涌水災(zāi)害，坍塌涌出物約1 500 m3，基本淹沒ZK11+817-ZK11+866上半斷面，現(xiàn)場具體情況見圖1。2020年7月3日09:15時，在ZK11+870左右隧道正上方地表發(fā)現(xiàn)一個直徑約15 m、深度約10 m的漏斗形塌坑。該位置隧道埋深約110 m。

圖1 隧道突泥涌水后現(xiàn)場情況

經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，本次突泥涌水災(zāi)害導(dǎo)致ZK11+854-ZK11+866已施工初期支護(hù)出現(xiàn)不同程度的開裂變形，其中ZK11+860-ZK11+866段已變形侵限，ZK11+854-ZK11+860段初期支護(hù)尚未侵入限界，整體結(jié)構(gòu)尚處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 突水涌泥成因分析

結(jié)合該隧道的地質(zhì)、水文條件，對此次突泥涌水災(zāi)害進(jìn)行分析，認(rèn)為發(fā)生事故的原因包括如下幾個方面：

1) 季節(jié)性降水。臨滄市屬于西南季風(fēng)區(qū)，其氣候的特點(diǎn)之一是全年降雨量極不均勻，其雨季(6-8月份)的降雨量占全年降雨量的55.5%，其中又以7月份前后的降雨最為集中。本次災(zāi)害發(fā)生的前一段時間，臨滄地區(qū)持續(xù)暴雨，隧道場區(qū)范圍水量劇增。

2) 溝谷匯水地形。隧道ZK11+600-ZK12+100段整體位于地表溝谷內(nèi)，且植被相當(dāng)茂盛。區(qū)域范圍內(nèi)的地表水向溝谷內(nèi)匯集，并通過花崗混合巖的節(jié)理裂隙向下滲透，源源不斷地補(bǔ)給地下水，導(dǎo)致該段隧道圍巖整體處于富水狀態(tài)。隧道的掘進(jìn)開挖，給飽水狀態(tài)的圍巖提供了一個排泄地下水的通道。大量地下水通過巖體節(jié)理裂隙向隧道開挖掌子面位置匯集，進(jìn)而導(dǎo)致施工過程中掌子面附近區(qū)域出現(xiàn)股狀出水或淋雨?duì)畛鏊F(xiàn)象。

該隧道為下坡隧道，隧道內(nèi)的積水無法自行流出，施工過程需進(jìn)行反坡排水作業(yè)。分析施工單位統(tǒng)計(jì)的反坡排水?dāng)?shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)出水量受大氣降水影響明顯。反坡排水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 反坡排水量統(tǒng)計(jì)表

3) 圍巖差異風(fēng)化及水穩(wěn)性差。隧道開挖過程中揭示圍巖為灰褐色強(qiáng)、中風(fēng)化花崗混合巖，局部含全風(fēng)化夾層。其中，隧道拱部以全、強(qiáng)風(fēng)化花崗混合巖為主，長石、云母含量高，巖質(zhì)極軟，隱晶質(zhì)-細(xì)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)合差，呈松散碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖自穩(wěn)能力差，支護(hù)不及時易產(chǎn)生坍塌。中風(fēng)化巖塊則集中出現(xiàn)在隧道中下部，其節(jié)理裂隙發(fā)育，呈張開狀，內(nèi)充填大量長石風(fēng)化產(chǎn)物及沙土。隧道進(jìn)口段高密度電法勘探地層剖面圖見圖2。

圖2 高密度電法勘探地層剖面圖

全風(fēng)化巖體、花崗巖殘積土遇水易軟化、崩解，受地下水動力及擾動影響，可能產(chǎn)生流土、管涌現(xiàn)象[9]。風(fēng)化花崗混合巖節(jié)理裂隙間的填充物在地下水的長期浸泡下也容易軟化，圍巖自穩(wěn)能力極差，支護(hù)不及時極易坍塌。總體而言，隧道圍巖的水穩(wěn)性差，遇水后圍巖自穩(wěn)能力下降明顯。

4) 拱部塌方持續(xù)發(fā)展。隧道拱部發(fā)生塌方后，雖然立即確定了用洞渣對掌子面進(jìn)行反壓回填，并增設(shè)排水孔對掌子面前方地下水進(jìn)行引排的處治方案，但因圍巖處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，施工安全隱患大，施工人員不能接近掌子面組織應(yīng)急施工，致使隧道拱部塌口未能完全封堵，給圍巖的持續(xù)坍塌留下空間。從2020年7月2日19：35-3日04：28整個時間段內(nèi)，隧道拱部掉塊現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展。

隨著塌腔范圍的不斷擴(kuò)大，地下水的平衡狀態(tài)被打破，基巖裂隙水通過塌方形成的導(dǎo)水通道向隧道內(nèi)匯集，并不斷掏蝕巖體節(jié)理裂隙內(nèi)的填充物，進(jìn)而導(dǎo)致更多的巖體失穩(wěn)崩塌。如此惡性循環(huán)，塌腔不斷發(fā)展并揭露圍巖深部的囊狀富水帶，進(jìn)而最終導(dǎo)致突泥涌水現(xiàn)象發(fā)生。

3 綜合處治方案研究

本次事故造成了地表塌坑、掌子面突泥涌水及初期支護(hù)開裂變形三方面病害，對應(yīng)處治方案應(yīng)綜合全局，在充分考慮潛在風(fēng)險的前提下，分輕重緩解，有序開展相關(guān)病害處治施工。

1) 地表塌坑處治。隧道地表坍塌范圍進(jìn)行安全警戒、警示防護(hù)，周邊設(shè)臨時排水溝，塌坑采用彩條布遮蓋，以避免地表水流入塌坑產(chǎn)生二次坍塌。待該段二襯施作完成后，利用黏土回填塌坑至距地表0.5 m高度，其后用根植土回填塌坑至地表面。

2) 洞內(nèi)排水、清淤。在右洞YK11+850(2號人行橫洞)處往左施作不少于5個排水降壓孔，如水較大按實(shí)際情況增設(shè)。其后，在保證安全的前提下，從ZK11+817初期支護(hù)背后向前方斜向打設(shè)排水孔對地下水進(jìn)行進(jìn)一步引排，孔徑108 mm、深30 m。

待左洞基本無滲水情況下，從ZK11+817附近往掌子面方向按1∶5坡比逐漸清理洞內(nèi)涌泥，直到清除涌泥至ZK11+860附近。其后，用袋裝土石回填封閉掌子面，并在ZK11+858-ZK11+860段施作2 m厚的止?jié){墻。突水涌泥災(zāi)害處治方案見圖3。

圖3 突泥涌水災(zāi)害處治方案圖

3) 洞內(nèi)初期支護(hù)加固。對ZK11+854-ZK11+858初期支護(hù)開裂變形段增設(shè)I20a工字鋼，間距60 cm/道臨時環(huán)向支撐。其后，對拱部180°范圍增設(shè)長4 m×直徑42 mm×壁厚 4 mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿加固，按間距60 cm×60 cm 梅花形布置。

4) 帷幕注漿及管棚施工。對ZK11+860-ZK11+880段進(jìn)行上半斷面帷幕注漿，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，雙液漿配比參數(shù)為:體積比C∶S=1∶(0.6～1.0)，水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，水玻璃模數(shù)2.6～2.8，水玻璃濃度39波美度；注漿壓力值為初壓0.5～1 MPa，終壓3～5 MPa。其后，在ZK11+860左右拱頂120°范圍內(nèi)進(jìn)一步增設(shè)長25 m×直徑108 mm×壁厚6 mm大管棚進(jìn)行二次補(bǔ)注漿加固，管棚環(huán)向間距40 cm，每循環(huán)共計(jì)35根，管棚內(nèi)設(shè)置由4根直徑22 mm鋼筋制作成鋼筋籠。帷幕注漿施工情況見圖4。

圖4 帷幕注漿施工現(xiàn)場情況

5) 破墻進(jìn)行開挖施工。ZK11+860-ZK11+880段采用三臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖，并將該段支護(hù)參數(shù)調(diào)整如下：初期支護(hù)鋼拱架調(diào)整為I22a，間距60 cm；C25噴射混彈簧土厚29 cm；徑向錨桿調(diào)整為直徑42 mm×壁厚4 mm注漿鋼花管，L=4 m，間距100 cm×60 cm，梅花形布置；工字鋼AB、BC單元接頭位置增設(shè)1根長6.0 m×直徑89 mm×壁厚6 mm的鎖腳，每榀共增設(shè)4根，鎖腳與工字鋼采用鋼板錨固連接；二次襯砌采用60 cm厚的C30防水鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其環(huán)向主筋采用直徑22 mm鋼筋，間距200 mm，縱向筋采用直徑16 mm鋼筋，間距200 mm，箍筋采用直徑8 mm鋼筋。具體支護(hù)參數(shù)見圖5。

圖5 隧道支護(hù)參數(shù)斷面圖(尺寸單位：cm)

4 處治效果

4.1 注漿效果分析

該段圍巖注漿采用先上半斷面帷幕注漿，其后增設(shè)超前大管棚進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，注漿的終止壓力控制在3～5 MPa。在漿液凝固并形成強(qiáng)度后，破除止?jié){墻進(jìn)行隧道開挖。觀察發(fā)現(xiàn)，巖層中漿液的分布并不均勻，其以劈裂或擠密的擴(kuò)散形式集中出現(xiàn)在巖體相對薄弱松散的區(qū)域，形成塊狀或條帶狀的注漿加固體。掌子面注漿效果見圖6。

圖6 注漿加固后開挖掌子面情況

上述注漿效果雖未達(dá)到理想的狀態(tài)，但注漿加固體可有效壓實(shí)擠密圍巖，減少圍巖內(nèi)部的間隙，可在一定程度上提高巖體的整體強(qiáng)度，并有效降低了圍巖的滲透性[10]。實(shí)際開挖過程中，掌子面的自穩(wěn)能力顯著提高，且圍巖出水情況得到顯著改善，基本無明顯的股狀出水現(xiàn)象。

4.2 監(jiān)控量測分析

隧道施工通過后，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析初期支護(hù)的受力變形情況，ZK11+870斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)情況見圖7。

圖7 初期支護(hù)收斂變形曲線圖

由圖7可知，ZK11+870斷面的拱頂下沉量最大達(dá)103 mm，周邊收斂極值為78 mm，拱腳下沉累計(jì)值為35 mm，初期支護(hù)變形量小于預(yù)留變形量，且變形在可接受時間范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，故而判斷初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠，可進(jìn)行后續(xù)作業(yè)的施工。

5 結(jié)論

在對風(fēng)化花崗混合巖富水段隧道施工突泥涌水的成因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的處治方案，并通過后期開挖及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，主要結(jié)論如下。

1) 雨季集中降水、地表匯水地形、風(fēng)化花崗混合巖差異風(fēng)化嚴(yán)重及其水穩(wěn)性差是誘發(fā)突泥涌水災(zāi)害的環(huán)境因素，隧道拱部持續(xù)掉塊是導(dǎo)致本次突泥涌水災(zāi)害的直接原因。

2) 花崗巖地區(qū)水文、地質(zhì)條件復(fù)雜、隧道施工過程中發(fā)生突泥涌水的風(fēng)險較高，且突泥涌水災(zāi)害一旦發(fā)展，應(yīng)急處治施工難以開展，實(shí)際施工要 “防范于未然”，要切實(shí)做好圍巖超前探測工作，采用多種探測手段相互印證，提前預(yù)判掌子面前方圍巖情況及富水情況。對富水軟弱圍巖段應(yīng)設(shè)置不少于3個超前探孔探測掌子面前方圍巖，必要時還應(yīng)在洞徑周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行斜向鉆探，以覆蓋隧道未開挖區(qū)域的頂部、左側(cè)及右側(cè)。

3) 突泥涌水災(zāi)害的發(fā)生對生命、財產(chǎn)的威脅極大，并極可能引發(fā)塌方冒頂、初期支護(hù)開裂變形等一系列伴生災(zāi)害，處治方案應(yīng)統(tǒng)籌全局，在充分考慮潛在安全風(fēng)險的前提下，分輕重緩急，井然有序地開展相關(guān)病害的處治施工。

4) 風(fēng)化花崗混合巖富水段的突泥涌水病害處治應(yīng)遵循“排堵結(jié)合、綜合治理”的原則，前期應(yīng)以排為主，通過增設(shè)排水孔引排淤堵的地下水，減小圍巖背后的水壓力；后期則以堵為主，通過注漿手段提高圍巖的自穩(wěn)能力，以確保施工作業(yè)安全。

5) 風(fēng)化花崗混合巖地層主要以劈裂、擠密注漿為主，漿液擴(kuò)散不均勻，注漿過程中應(yīng)適當(dāng)加大注漿壓力，并可考慮多次補(bǔ)注漿施工，以提高圍巖的整體注漿效果。