楊文國，王才高，付廷達(dá)

(中鐵五局一公司，長沙 410117)

目前全國在建的Ⅰ級高風(fēng)險隧道中，秀山隧道的難度名列前茅。秀山隧道自開工以來，以其“地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖變化頻繁、地下水極發(fā)育、涌水突砂石多、施工極其困難”而著稱，引起了相關(guān)單位的高度重視和關(guān)注。在近五年的施工中，施工單位攻堅克難，戰(zhàn)涌水、斗突砂，實現(xiàn)了安全質(zhì)量可控，沒有發(fā)生人員傷亡事故，摸索總結(jié)了一些有效經(jīng)驗，確保了工程順利、有序推進(jìn)。

1 工程概況

秀山隧道位于新建鐵路昆(明)—河(口)線玉溪—蒙自段，隧道全長10 302 m，是全線的控制性重點工程，在線路左側(cè)與正線間距30 m處設(shè)置貫通平導(dǎo)，導(dǎo)坑全長10 294 m，為單線鐵路隧道。由中鐵五局與中鐵隧道局共同承建，其中中鐵五局負(fù)責(zé)出口工區(qū)的施工任務(wù)，該工區(qū)隧道采用常規(guī)鉆爆法作業(yè)、有軌運輸、三階段通風(fēng)方式，洞內(nèi)為順坡排水。

秀山隧道地處地震強(qiáng)烈活動帶(1970年通?？h曾發(fā)生7.8級大地震)，斷裂與褶皺強(qiáng)烈發(fā)育，隧道地層巖性復(fù)雜，主要以白云巖、斷層角礫巖、礫巖、泥巖夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r為主，地質(zhì)條件差且具突變性，圍巖多為V級，風(fēng)化破碎不均勻，巖溶、層理、節(jié)理、剪漲裂隙、寬張裂縫等十分發(fā)育。

地下水非常豐富。富水帶多，地下水補(bǔ)給豐富、水量大(預(yù)測全隧道日正常涌水156 500 m3，雨季時最大涌水量 235 000 m3/d)，出口工區(qū)日均涌水量50 000 m3以上，2007年 6月 26日曾達(dá)到120 000 m3/d，正洞與平導(dǎo)都存在十三個富水區(qū)和1 500 m的全斷面或局部帷幕注漿段，五里箐向斜段最為富水(蓄水量達(dá)1.22億m3)。

施工風(fēng)險極高。由于地下水豐富，地質(zhì)突變性大，容易引發(fā)大涌水突砂(突泥)、圍巖變形、洞身坍塌、有軌運輸事故、富水段施工用電事故等高風(fēng)險。

2 涌水突砂成因分析

2.1 涌水突砂發(fā)生的機(jī)理

隧道通過區(qū)圍巖受多期構(gòu)造的影響，斷裂、褶皺、剪漲裂縫、寬張裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，斷層鏡面擦痕和各種形狀的揉皺、裂縫等隨處清晰可見，地下水補(bǔ)給豐富，徑流通道非常復(fù)雜。隧道洞身穿越斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶時，因白云巖、斷層角礫巖大多松散破碎，自穩(wěn)性極差，遇水沖刷易形成流砂，在補(bǔ)給較遠(yuǎn)的水流不斷沖掏下，松散破碎體或巖溶管道越擴(kuò)越大，最后形成空腔，地下水不斷匯集、運移大量粉砂狀巖體;累積到一定程度后具有極高勢能和壓力，在有大量、高壓水的情況下，掌子面附近開挖擾動時，水夾砂石極易從支護(hù)薄弱部位噴涌而出，形成巨大的砂石流，誘發(fā)突發(fā)性的災(zāi)害。

另外在斷裂帶核部，因構(gòu)造應(yīng)力集中，圍巖發(fā)生化學(xué)膠結(jié)或重結(jié)晶作用，膠結(jié)密實，有的形成鏡面并具一定強(qiáng)度，起相對隔水作用。在中帶和外帶部位，節(jié)理裂隙極其發(fā)育，以機(jī)械破壞為主，膠結(jié)作用在破壞過程中較少發(fā)生，其膠結(jié)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如斷層鏡面或斷裂核心部位，加之受多期構(gòu)造強(qiáng)烈影響，巖體被強(qiáng)烈搓碎，有利于地下水匯集和流通，長期進(jìn)行溶蝕作用，形成規(guī)模較大的高壓富水溶蝕破碎帶，一經(jīng)開挖揭露，極易發(fā)生大規(guī)模涌水突砂。這種涌水突砂具有比較明顯的特征，涌水具有突發(fā)性，呈間歇性噴射狀，并攜帶大量細(xì)砂狀白云巖，夾黃色黏土等，涌水量大，水頭壓力高，破壞性極強(qiáng)。

2.2 白云巖及剪漲裂縫對涌水突砂的影響

秀山隧道出口工區(qū)白云巖破碎段較長。白云巖由白云石礦物集合而成，其結(jié)構(gòu)非常松散，無紋理，極易碎裂，呈碎石角礫狀及中粗砂狀。白云巖強(qiáng)風(fēng)化～全風(fēng)化，巖體極破碎，加上段內(nèi)裂隙水發(fā)育，富水帶多，地下水補(bǔ)給豐富、水量大，對巖體穩(wěn)定性影響較大，開挖后拱墻巖體易坍塌掉塊，局部易產(chǎn)生涌砂。

剪漲裂縫為新構(gòu)造活動的產(chǎn)物，常具有良好的透水、導(dǎo)水和儲水的性能。剪漲裂縫的存在，構(gòu)成一地下集水通道，而且因其與巖層走向大角度相交，有效地匯集了補(bǔ)給方向的地下徑流。根據(jù)已施工段揭示的地質(zhì)條件預(yù)測里山背斜及五里箐向斜范圍內(nèi)，均發(fā)育規(guī)模很大的剪漲裂縫，張開達(dá)30～200 cm，將會出現(xiàn)大規(guī)模突水，對隧道施工將帶來不可預(yù)估的涌突水災(zāi)害。

3 施工配套技術(shù)措施

破碎白云巖地段施工極易發(fā)生涌水突砂，經(jīng)過近五年的摸索實踐，總結(jié)出“探地質(zhì)”、“防突涌”、“繞險處”、“調(diào)工序”十二字施工應(yīng)對經(jīng)驗。

3.1 探地質(zhì)

按“平導(dǎo)以排為主，限量排放;正洞以堵為主，堵排接合”的原則實施工程措施。采取以平導(dǎo)的施工為重點，“超前鉆孔放水保平導(dǎo)安全作業(yè)，平導(dǎo)超前放水保正洞有序掘進(jìn)”。保證平導(dǎo)超前正洞300 m以上，使其真正起到超前地質(zhì)預(yù)報、排水、通風(fēng)排煙和增開工作面等作用。

超前預(yù)測預(yù)報應(yīng)采用綜合預(yù)報手段，以水平鉆孔為主，結(jié)合物探的方法，以準(zhǔn)確探明地質(zhì)情況，尤其是涌水量、水壓力和水中的泥砂含量，并制訂相應(yīng)的施工預(yù)案，防止涌水突砂。

出口工區(qū)采取每次打設(shè)三個30 m長以上深度的超前地質(zhì)鉆孔(每隔25 m施作一次)和隨機(jī)地進(jìn)行紅外線探水來預(yù)測前方地質(zhì)情況，并且每循環(huán)在掌子面隨機(jī)打設(shè)10～20個5 m長釬探孔，再結(jié)合掌子面地質(zhì)觀察等來輔助預(yù)測。

3.2 防突涌

1)規(guī)范作業(yè)，努力施工支護(hù)到位。按“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”原則作業(yè)。采用短臺階法施工，預(yù)留3 m左右的核心土，φ42超前小導(dǎo)管注漿加固、格柵鋼架或型鋼拱架支撐、循環(huán)進(jìn)尺0.5～0.8 m，隨挖隨護(hù)，仰拱緊跟，二襯距下臺階掌子面距離60 m以內(nèi)。重視隧道底處理，應(yīng)在開挖后立即澆注混凝土，盡量縮短仰拱與開挖面的距離，使支護(hù)整體受力。做好鎖腳錨桿或鎖腳導(dǎo)管的施作質(zhì)量，以及工序銜接。

2)當(dāng)有較大規(guī)模巖溶泥和地下水很發(fā)育時，為防止發(fā)生突水涌泥事故，施工時采用上、下臺階法開挖，加密、加長拱頂超前小導(dǎo)管注漿加固。小導(dǎo)管每根長6 m，環(huán)向間距20～30 cm(軟巖處間距20 cm其它地方30 cm)。軟弱段采用風(fēng)鎬開挖，盡量不施爆，遇堅硬圍巖需要松動爆破時嚴(yán)格控制藥量，每個孔裝1/3～1/2節(jié)炸藥，減少對圍巖的擾動。巖溶泥處采用鐵鏟小心清除，拱頂掛設(shè)網(wǎng)格為10 cm×10 cm的加密鋼筋網(wǎng)片支護(hù)。通過短進(jìn)尺強(qiáng)支護(hù)、超前探測、疏水阻砂，高度警戒，確保穩(wěn)步推進(jìn)。

3)對于剪漲裂縫、寬張裂隙采用掛設(shè)加密鋼筋網(wǎng)片、砂袋封堵、噴射混凝土密閉、小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固、扇形支撐加固后泵送混凝土回填裂縫空腔等配套技術(shù)措施。為防止前方儲水過多、壓力過大形成安全隱患，在掌子面打設(shè)3～5個排水泄壓孔，排泄水流釋能減壓。每次往前掘進(jìn)時通過打設(shè)超前導(dǎo)管注漿，開挖進(jìn)尺50 cm左右，隨即架立鋼拱架，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片后噴射混凝土及時支護(hù)，施工達(dá)到一定距離后在已支護(hù)段增設(shè)導(dǎo)管注漿加固洞身等，成功地通過了數(shù)個寬張裂隙、空洞、軟弱泥夾層段。

4)堅持“安全第一、預(yù)防為主”的原則，抓好安全生產(chǎn)和施工質(zhì)量過程控制。對施工現(xiàn)場堅持進(jìn)行不定期檢查，尋找和發(fā)現(xiàn)存在問題，及時進(jìn)行整改、完善措施，把安全質(zhì)量真正落實到位。

5)富水段作業(yè)時，施工機(jī)具和線路設(shè)置漏電保護(hù)器和防水措施，加強(qiáng)施工用電檢查和管理，確保安全。

6)及時做好變更設(shè)計工作，配合現(xiàn)場作業(yè)確保施工安全。發(fā)揮專家組的技術(shù)優(yōu)勢和施工經(jīng)驗，邀請和組織專家到現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)幫助，及時解決施工中遇到的技術(shù)難題。

3.3 繞險處

在遇高壓富水巖溶破碎帶有大涌水突砂的風(fēng)險時，應(yīng)綜合分析采取針對性措施。采用大管棚超前預(yù)注漿或全斷面帷幕注漿進(jìn)行固砂止水，確保前方不會涌砂后方能往前掘進(jìn)。倘若在原位直接處理難以達(dá)到預(yù)期目的，而發(fā)生安全風(fēng)險極大時，建議采用迂回導(dǎo)坑通過。

如2009年4月24日平導(dǎo)PDK34+377掌子面遇富水巖溶破碎帶發(fā)生大涌水突砂，“水石流”瞬間淹沒坑道83 m，涌出塊石直徑最大達(dá) 1.5 m，涌砂量約780 m3，最大涌水量達(dá)22 000 m3/d。經(jīng)現(xiàn)場仔細(xì)查看分析，掌子面圍巖已被涌水突砂擠爆，前方已形成大量坍腔或危壁，原位處理已幾無可能，于是提出迂回繞行方案。設(shè)計、監(jiān)理、業(yè)主現(xiàn)場討論，考慮到以后運輸、通風(fēng)、維修搶險等因素并不贊同，要求施工單位將涌砂堆積體清除到原掌子面后再施作管棚注漿處理。但涌砂體無法開挖清除完，清理過程中有再次突涌淹沒人員和設(shè)備的風(fēng)險。最后四方核對商量先在平導(dǎo)PDK34+400線左側(cè)施作導(dǎo)流洞引排地下水，降低平導(dǎo)水壓力，根據(jù)導(dǎo)流洞引水情況再行研究下步通過方案。后打設(shè)了十多個孔引水仍達(dá)不到要求，為確保安全，四方再次會商，最后決定采用從導(dǎo)流洞掌子面方向迂回通過該不良地質(zhì)段的施工方案(即平導(dǎo)3#迂回導(dǎo)坑)。在對應(yīng)原平導(dǎo)掌子面里程附近即迂回導(dǎo)坑Y3K0+030處設(shè)置了混凝土止?jié){墻，然后采用30 m拱墻大管棚配合局部帷幕注漿加固前方巖體的方案。施工時涌水量大、水壓高、鉆孔注漿困難，進(jìn)度相對緩慢，歷時三個月才安全通過該不良地質(zhì)段。

現(xiàn)在回頭來看，原涌砂堆積體下埋設(shè)的排水管和在Y3K0+030止?jié){墻處邊墻上打設(shè)的排水孔內(nèi)，水流歷經(jīng)一年多仍未減小，說明該處富水破碎帶寬度特長、水量極大，若采用其它方案可能施工難度更大，造價更高;表明采用迂回導(dǎo)坑通過并用管棚配合局部帷幕注漿固砂止水方案是成功的。

3.4 調(diào)工序

風(fēng)險隧道施工中，遇到特殊情況時應(yīng)根據(jù)實際需要及時進(jìn)行工序調(diào)整。

1)若長釬探孔發(fā)現(xiàn)前方圍巖極其松散破碎，滲涌水不斷增大，或超前探孔內(nèi)有渾濁水流出時，應(yīng)馬上停止掌子面掘進(jìn)，及時掛網(wǎng)噴射混凝土封閉掌子面，保證有足夠的穩(wěn)定巖盤(5 m以上);然后采取有效措施疏水阻砂，防止掌子面圍巖被擠爆跨塌，確保人員及機(jī)械設(shè)備安全。

2)在遇有剪漲裂縫、溶洞、溶槽時，應(yīng)將仰拱施工跟上，及早封閉成環(huán)，并在附近初支上增設(shè)鎖腳導(dǎo)管注漿，改善受力條件。

3)嚴(yán)禁帶水施工仰拱，有涌水時必須采用抽水機(jī)排干仰拱部位積水或注漿封堵隧底涌水后方可施作仰拱。

4)爆破后，觀察掌子面的圍巖及涌水情況，決定是先采取預(yù)防措施或是先行出渣。出渣時注意對涌水的引排，加強(qiáng)運輸軌道的清理。復(fù)噴混凝土前，采用軟管或防水板對集中涌水進(jìn)行引排。

5)型鋼鋼架應(yīng)盡量頂攏掌子面，如出現(xiàn)一側(cè)掌子面溜坍，則鋼筋網(wǎng)片也必須掛至掌子面，同時采用噴混凝土封閉，嚴(yán)防掌子面溜坍。對型鋼腳若發(fā)現(xiàn)涌砂掩埋，應(yīng)及時清理，組織復(fù)噴密實。

6)由于洞內(nèi)施工時散水、股狀水較大，猶如水簾洞，在這樣的環(huán)境下施工，注漿堵水易產(chǎn)生隱患，實施排水又排不完，同時考慮工期等原因，不得不經(jīng)常實施帶水作業(yè)。在同時滿足①超前地質(zhì)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)涌砂、水流渾濁;②預(yù)測前方松散破碎帶寬度＞4 m;③掌子面總涌水量＞50 L/s(4 320 m3/d)三個條件的情況下必須采取帷幕注漿、大管棚注漿等必要措施以確保安全。當(dāng)平導(dǎo)圍巖破碎，松散破碎帶寬＜4 m，掌子面涌水總量＜50 L/s，且沒有涌砂跡象時，根據(jù)實際開挖和探測情況，在確保圍巖穩(wěn)定的前提下，應(yīng)采用加強(qiáng)初支、帶水作業(yè)施工方案。對正洞由于斷面大，發(fā)生涌水突砂后的風(fēng)險和危害較大，一般不贊同帶水作業(yè)。

4 施工效果

通過努力，秀山隧道出口工區(qū)在安全、質(zhì)量、文明施工等方面取得了一定的成績。總結(jié)的破碎白云巖段帶水作業(yè)施工的一些經(jīng)驗，順利應(yīng)對和處理通過80余處不良地質(zhì)段，防止了8次涌水突砂風(fēng)險的擴(kuò)大。所運用的防涌水突砂施工配套技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，實現(xiàn)了工程施工安全無事故，質(zhì)量好、形象佳。受到了各級領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)單位的一致認(rèn)可和好評。

5 結(jié)語

從前期施工效果來看，超前地質(zhì)預(yù)報是確保隧道施工安全和順利渡過不良地質(zhì)段的一個最重要的施工技術(shù)手段;防涌水突砂施工配套技術(shù)的有機(jī)結(jié)合利用，是工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵和保障。研究總結(jié)出的配套措施雖針對秀山隧道的特殊地質(zhì)情況，對類似工程仍有參考價值。對于地質(zhì)最困難、風(fēng)險最大的五里箐向斜段作業(yè)亦較為適用。本文提出的配套技術(shù)可為類似工程提供一些參考。當(dāng)然，隧道施工防涌水突砂是一個系統(tǒng)工程，水文地質(zhì)的復(fù)雜性和突變性決定了應(yīng)對措施的多樣性，除了以上配套技術(shù)外，其他配套的管理措施或?qū)⒏佑行А?/p>

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