李霄凱

（中國鐵路總公司 工程管理中心，北京 100844）

1 工程概述

玉磨鐵路作為泛亞鐵路中線我國云南境內部分，北起玉溪，南至邊境磨憨口岸，與在建中老鐵路老撾段相連。線路全長507 km，隧道總長398 km，設計時速160 km，預計2022年建成，將成為國家“一帶一路”建設標志性工程之一。

我國運營和在建鐵路隧道總里程突破23 000 km，鐵路工程建設中隧道施工安全風險最高，隧道坍塌、突涌安全事故具有突發(fā)性強、預見性差、社會影響面廣、后果嚴重的特征，隧道施工中風險最突出。

玉磨鐵路沿線山高谷深，起伏劇烈，工程地質條件極其復雜，具有高地熱、高地應力、高地震烈度和“四活躍”（活躍的新構造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質條件、活躍的岸坡淺表改造過程）的特征。各種構造發(fā)育，巖層節(jié)理發(fā)育，擠壓破碎，整體性差。施工中地質災害控制難度大，可能導致重大經濟損失、工期延誤甚至人員傷亡[1-2]，隧道建設過程中應將災害控制問題放在首位。以新平隧道為背景展開災害發(fā)生與處置手段的研究。

新平隧道全長14 835 m，是玉磨鐵路全線控制性工程之一，雙線隧道設8個輔助坑道（6座橫洞+1座斜井，2號橫洞內設2號平導），土建工期為40個月。洞身最大埋深578 m，穿越5條斷層，1個向斜、1個背斜。隧址區(qū)位于石屏～建水斷裂（JSF6）和揚武～青龍廠大斷裂之間，斷裂、斷層和褶皺發(fā)育，隧道圍巖巖性為變質砂巖、板巖、千枚巖、片巖夾結晶灰?guī)r、變質火山巖和綠泥片巖等，構成一系列大小不等的構造透鏡體[3-4]。隧址區(qū)屬紅河水系，區(qū)內地形陡峻，地表水系發(fā)育較差；地表水主要為大開門河水，匯入紅河；洞身段內地表水不發(fā)育，地下水特別是巖溶及斷裂地下水發(fā)育，軟弱圍巖高地應力，富存囊狀水團等并存[5]。

2 隧道地質災害表現(xiàn)

新平隧道是Ⅰ級高風險隧道，所經之處巖體破碎、突泥涌水頻發(fā)。多次出現(xiàn)涌水、流砂、溜坍、沉降、地表開裂等災害，對隧道施工和作業(yè)人身安全構成極大威脅，是全線施工難度最大的隧道之一。

2.1 涌泥涌砂

2016年6月開工至2018年9月，新平隧道發(fā)生涌水、突泥突砂17次，突泥（砂）量約30 000 m3，單次最大涌突量7 000 m3，涌水量約219 m3/h。突泥涌水情況見圖1。

圖1 典型突泥涌水情況

2.2 溜坍、漏砂

因圍巖破碎、松散，開挖施工過程中極易因存在臨空面失穩(wěn)造成溜坍、漏砂等情況。新平隧道0#橫洞、1#橫洞、2#橫洞、3#橫洞、5#橫洞、6#橫洞、1#斜井及出口施工過程中都發(fā)生不同程度的溜坍、漏砂現(xiàn)象（見圖2）。

圖2 典型溜坍現(xiàn)象

2.3 支護體系變形

新平隧道軟巖變形明顯，軟弱圍巖與原始地應力形成低強度應力比；設計施作支護剛度不足抵御圍巖應力。導致工作面在初期支護完成后，支護系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度沉降和收斂（見圖3），在2年的施工期表現(xiàn)為：變形周期長、數(shù)量大，最大沉降1 000 mm，最大收斂650 mm。

圖3 初期支護體系變形

2.4 典型突泥突砂情況

2.4.1 新平隧道3#橫洞正洞大里程方向

施工圖設計、超前地質預報（地質雷達法）及超前水平鉆揭示：掌子面前方圍巖破碎～局部極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育～局部很發(fā)育，滲水～含水，局部裂隙水量較大，其中D1K55+117—+126和D1K55+130—+135段圍巖極破碎，巖體強風化，存在軟弱夾層，裂隙水量上升。

2017年9月7日上臺階掌子面施工至D1K55+122，左側溜坍，現(xiàn)場對溜坍體進行反壓回填并噴混凝土封閉。2017年9月11日于D1K55+122位置施工φ89 mm管棚注漿，共施工47根15 m長大管棚。

突砂（泥）涌水情況：2017年10月6日，在銑挖D1K55+126時，流砂量突然增大，發(fā)生第1次涌突，涌突體涌至仰拱端頭（見圖4）；16：15再次大量涌突，涌突體已涌至二襯臺車下方，涌突體突出距離約60 m，涌突量約600 m3。7日4：47時，洞內突然發(fā)出轟隆巨響，發(fā)生第3次涌突，水量約210 m3/h，水質異常渾濁；8：30時涌突體涌至橫洞內H3DK0+114位置，橫洞內泥沙平均厚度達100 cm，突泥量達5 000 m3，防水板臺架被沖垮，二襯模板臺車被沖出20 m至三岔口處（見圖5）。

圖4 D1K55+126第1次涌突情況

2.4.2 新平隧道3#橫洞正洞小里程方向

施工圖設計、超前地質預報（地質雷達法）、超前水平鉆揭示：D1K54+993前方圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育～極發(fā)育，存在較多軟弱夾層。鉆探顯示本段為板巖夾砂巖，強風化，巖體極破碎，鉆進速度正常，在D1K54+972位置開始出水，水量為2.52 m3/h。

該段圍巖變更為Ⅴ級。2017年12月8日上臺階掌子面D1K54+982頂右側圍巖松散，有鼓出現(xiàn)象，伴隨股狀水流出。

圖5 D1K55+126第3次突泥情況

突砂（泥）涌水情況：2017年12月8日發(fā)生第1次涌突，涌突位置為掌子面拱頂右側（見圖6），涌突量約300 m3。次日發(fā)生第2次大規(guī)模涌突，大量泥沙伴隨涌水呈巨浪式涌出，仰拱棧橋向后沖移30 m。累計涌突量約3 000 m3，最大涌水量約141 m3/h。12月22日8：00，新平隧道3#橫洞小里程端D1K54+982掌子面拱頂右側再次出現(xiàn)突砂、石（泥）涌水（見圖7），涌水量219 m3/h，涌突量約7 000 m3，突出物以灰黃色砂巖為主，粒徑0.2～0.8 m的突出物約占50%，最大塊徑約1.5 m，其余為中粗砂、角礫。

3 地質災害原因分析

3.1 突泥涌水

（1）隧道穿越向斜、背斜和斷層等構造區(qū)域，穿過的巖層存在弱透水層和破碎帶，隧道開挖后，形成地下水的人工排泄邊界，隧道附近水力梯度加大，對結構面的潛蝕作用變強，最后導致裂隙張開度增大，巖體強度減弱，變形加劇，并形成新的裂隙[6]。

圖6 D1K54+993第1次涌突情況

圖7 D1K54+993第3次涌突情況

造成掌子面突泥涌水有2個因素：一為隧道一側存在與隧道走向平行或小角度相交的次生斷裂構造，由于構造應力的作用，掌子面破碎巖體失穩(wěn)；二是圍巖擾動造成構造附近地下水涌出，造成松散破碎巖體在地下水作用下失穩(wěn)并形成流體涌出，兩者共同作用的可能性極大（見圖8）。

圖8 突泥涌水成因分析

原始地質條件下的壓性斷裂是隔水斷裂，但由于施工擾動的影響，其壓性斷裂的力學狀態(tài)可以發(fā)生變化而導水。在施工爆破和開挖卸載的強烈影響下，斷裂帶在一定范圍內往往出現(xiàn)較強烈的附加切向應力和圍壓變化，從而導致斷裂帶松弛、原有裂隙發(fā)展及新生裂隙產生與張開。由于壓性斷裂上盤往往富水，這些張性結構面溝通了與上盤的水力聯(lián)系，在高水壓作用下斷裂活化，強度降低，形成地下水的排泄通道，從而產生斷裂活化型涌突水[7]。

（2）涌突均位于開挖輪廓線以外，涌突前雖進行了相應的物探和鉆探驗證，但涌突位置位于掌子面前上方，物探掃描區(qū)域和鉆探區(qū)域呈線狀或點狀布置，不足以充分反映隧道周邊圍巖真實狀況，存在片面性及探測盲區(qū)。

（3）TSP法對于巖體強度的判斷較準確，但對地下水體的預報準確性不是很高。地質雷達法對巖體的破碎探測效果較好，但受種種因素影響對地下水的探測不理想。但對于巖體被完全破壞的區(qū)域，地質雷達或TSP預測方法無法判識出破碎巖體差異。瞬變電磁法對地下水具有較好的敏感性，對巖體強度、巖體破碎程度、干溶洞等不易判斷。但受地質復雜影響，各種地質預報解讀、分析的準確度受到干擾，無法全面、準確預判真實的圍巖情況。超前水平鉆施作均有特定的指向性，只能反映特定方向及局部范圍內的圍巖情況。水平鉆終孔位置為設計輪廓線外5 m，但水平鉆長度一般為30 m，搭接5 m，無法準確預測設計輪廓線外的圍巖破碎、富水情況。

（4）因圍巖破碎、松散，施工過程中極易發(fā)生溜坍，造成該處巖體圈厚度變薄不足以抵御隧道周邊可能存在的富水囊狀構造水壓力，發(fā)生涌突。且同一位置第1次突泥方量較小，第1次涌突后可能被涌突物堵塞空腔，地下水排泄通道堵塞，導致后續(xù)施工中，在地下水不斷侵蝕、施工不斷擾動的情況引發(fā)第2次突泥，且突泥規(guī)模明顯比第1次猛烈。

以上說明在此段區(qū)域地質條件下，無法準確預判山體中的不可預見性構造和富水囊狀構造，大大增加隧道施工中發(fā)生涌突的風險。

3.2 變形、溜坍

（1）軟弱圍巖強度低，隧道開挖后圍巖應力釋放、地下裂隙貫通、地下水導通，地應力發(fā)生重布，圍巖在水的作用下自承能力下降，在隧道施工中圍巖和支護易發(fā)生變形[8-9]。

（2）初期支護剛度不足。圍巖支護完成后，受前方繼續(xù)施工的影響，圍巖持續(xù)受到擾動，自承能力持續(xù)下降，靜止土壓力轉變?yōu)閯油翂毫?，圍巖節(jié)理、裂隙水發(fā)育加速圍巖蠕變速度，作用在鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合的初期支護體系上，在受力過程中錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土支護體系給型鋼拱架的力是面力與點力的關系，圍巖蠕變過程中，圍巖自穩(wěn)能力與初期支護不能形成一個平衡體系，加快支護體系薄弱點的塑性變形，導致初期支護長時間的持續(xù)變形，且變形量大。

（3）在施工中大多溜坍從掌子面拱部開始，且溜坍大多發(fā)生在開挖或初噴封閉過程，每次鋼架安裝施工時，為確保與下榀鋼架鋼筋網(wǎng)片搭接，鋼架與掌子面間留有一定距離，未能形成有效封閉。受施工工法、臺階高度、長度等影響，以及機械手噴混凝土作業(yè)操作角度問題，鋼架端頭與掌子面間噴漿封閉不密實、不飽滿。

（4）因圍巖破碎、松散，下循環(huán)開挖施工過程中導致圍巖松動圈持續(xù)擴大到1～2 m。開挖過程圍巖風化、松弛程度加快，圍巖間粘接性、自穩(wěn)性急劇下降，形成掉塊。圍巖破碎、結理裂隙發(fā)育，以薄層狀為主，層間結合性差，受施工及地下水影響，圍巖逐層剝落、掉塊，范圍擴大后形成溜坍。

3.3 綜合分析

經過對新平隧道施工過程中溜坍、涌突災害多次研究總結，得出如下結論：每次涌突均發(fā)生在溜坍后2 h以內，但溜坍不一定會造成涌突。是否發(fā)生涌突主要由地下水的發(fā)育程度、隔水層厚度決定，為此解決涌突首先要解決溜坍問題。而溜坍大多從掌子面拱圈開始，主要原因是為確保鋼筋網(wǎng)片搭接長度，鋼架與掌子面間留有一定距離未能形成有效封閉，由于機械手作業(yè)角度問題噴漿封閉不密實。在下一循環(huán)開挖時該處松動圈早已擴大到1～2 m，未施工時有核心土及周邊圍巖相互作用形成臨時平衡，一旦開挖擾動逐層剝落形成溜坍，如地下水較發(fā)育逐步沖洗形成通道破碎飽和水巖體沖出造成涌突。鋼架緊貼掌子面在多數(shù)情況下可有效控制溜坍發(fā)生概率，通過預報情況鉆設泄水孔及時引排地下水進而控制涌突情況的發(fā)生。

4 應對措施

4.1 強化機械化配套

為應對突泥突砂、溜坍掉塊、圍巖變形，保證作業(yè)人員安全，新平隧道采用高度機械化配套施工。在泥化嚴重、軟硬不均地段，借鑒兩水隧道、瀏陽河隧道等，采用對圍巖擾動小的銑挖機進行銑挖法開挖，取代鉆爆作業(yè)。銑挖法開挖具有開挖控制精確、減少爆破對軟弱圍巖的擾動、效率高等優(yōu)點，控制圍巖變形量、保障施工安全，是長大軟弱圍巖隧道開挖工法、機械化配套的突破與嘗試。針對開挖、支護過程易發(fā)生掉塊、溜坍采用機械手噴混凝土，作業(yè)人員遠離高風險區(qū)域，保證安全。同時配置鑿巖臺車、多功能鉆機、錨桿鉆機、自行式移動棧橋、拱架安裝機等設備，加快初期支護封閉成環(huán)及仰拱、二襯緊跟施工。各作業(yè)面具體配置情況見表1。

作業(yè)面機械化配套提升后，圍巖擾動小，施工工效、抗突泥涌水效果明顯提升，以新平隧道1#斜井為例，由原來月平均進度不足10 m提升至月平均進度45 m，隧道施工進度、安全得到有效保障。

4.2 強化超前預報、注漿

強化超前預報工作。由地質專業(yè)工程師及專業(yè)人員組成預報組，配備C6鉆機、水平鉆機和瞬變電磁儀進行超前地質預報。預報組綜合加深炮孔、地質素描、地質雷達、TSP、瞬變電磁等多種預報結果，定期進行地質預報綜合分析，及時對前方圍巖進行研判。超前地質預報重點工作是探明掌子面拱部兩側、拱頂上方和前方一定范圍內巖性情況及是否存在富水情況。在預報結果揭示前方圍巖存在異常時，精確找到囊狀水[10]，及時發(fā)出預警，為制定應對措施提供依據(jù)，預防溜坍、涌突、變形等不良地質災害的發(fā)生。為動態(tài)設計措施制定提供重要支撐。

針對新平隧道，超前預注漿作為預防涌突的主要手段，保障注漿效果，以最快效率達到最好的注漿效果，提升工效，降低涌突風險[11]。（1）在設計和預報風險評估中突泥涌水高風險地段、超前地質預測預報為突泥涌水風險段、設計為超前預加固（全斷面、局部帷幕注漿加固）區(qū)段，設止?jié){墻進行超前帷幕注漿或超前周邊注漿，注漿材料采用硫氯酸鹽水泥、超細水泥、自流平水泥、水泥～水玻璃雙液漿；（2）超前支護采用中管棚加超前小導管，注漿材料采用硫氯酸鹽水泥、超細水泥、水泥～水玻璃雙液漿；（3）開挖后進行局部徑向補注漿，注漿材料采用硫氯酸鹽水泥、超細水泥、水泥～水玻璃雙液漿。

表1 新平隧道機械化配置情況

發(fā)揮信息化優(yōu)勢，利用好隧道圍巖監(jiān)控量測。加強安全風險源頭控制，實現(xiàn)圍巖監(jiān)控量測信息化，對隧道圍巖變形進行風險預警，確保隧道施工安全，由專業(yè)人員配備專用量測設備進行監(jiān)控量測工作。根據(jù)沉降收斂情況調整量測頻率，進行動態(tài)量測作業(yè)，實行黃色/紅色預警管理，實時將量測數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡平臺，并將信息發(fā)送至相關人員。變形出現(xiàn)異常時，現(xiàn)場快速采取應對措施，并為類似圍巖段動態(tài)設計提供參考依據(jù)。

4.3 實施動態(tài)設計

根據(jù)玉磨鐵路隧道特點，2018年3月起建設方對包括新平隧道在內的14座高風險隧道實行動態(tài)設計，及時將超前地質預報、監(jiān)控量測、現(xiàn)場地質揭示情況、試驗成果及分析結論等納入動態(tài)設計管理中，根據(jù)圍巖預判結果第一時間調整施工措施或開挖工法，制定針對性施工方案；保證施工安全與進度，最終實現(xiàn)提高工效指標目的。定期對發(fā)生動態(tài)設計的情況與動態(tài)設計組進行核對，每月統(tǒng)計動態(tài)設計管理臺賬，季度動態(tài)設計計價。截至2018年底，新平隧道施工長度9 422 m變更了6 691 m，圍巖變更率71.01%。實施動態(tài)設計有效縮短變更設計反應時效，是鐵路建設項目管理模式的新嘗試，今后在變更時效性、投資管理等方面有待進一步總結、完善。

4.4 針對性工程措施

為應對頻繁遭遇涌突、溜坍、變形等不良地質災害和施工效率低的問題，在超前地質預報揭示前方圍巖存在異常時，采取如下措施：將掌子面封閉、徑向注漿、長大管棚超前支護、大鎖腳錨管、超前注漿預加固形成加固圈等作為預防不良地質災害發(fā)生的常規(guī)和實踐中的有效手段，極大減少災害發(fā)生頻次。施工工法統(tǒng)一采用三臺階（預留核心土）帶仰拱一次銑挖開挖工法，Ⅳ級圍巖設計無仰拱鋼架地段每隔4 m設置兩榀仰拱鋼架成環(huán)，確保初期支護及時封閉成環(huán)，控制變形。施工過程做到仰拱初期支護緊跟至下臺階，在施工靠后下臺階時和仰拱一起開挖、一起封閉，避免兩側下臺階同時懸空造成安全隱患，減少仰拱單獨開挖的工序銜接時間，快速封閉成環(huán)，確保支護盡早整體受力，使擾動的圍巖及早趨于穩(wěn)定。重視加深炮孔的施作，外插角適當加大至30°左右，確保探測至開挖輪廓線外不少于2 m的要求。初期支護鋼架盡量緊跟掌子面，減少拱部臨空面，嚴防掌子面拱部土體發(fā)生溜坍。各施工工序及施工過程真正做到“防突、控變、防塌方”。

5 結束語

針對泛亞鐵路通道玉磨鐵路尤其是新平隧道的復雜地質，通過采取加強機械化配套、動態(tài)設計、超前地質預報、預注漿加固、監(jiān)控量測、提升專業(yè)化施工隊伍等措施，保證高風險隧道施工安全、高效、順利進行。

銑挖法開挖在長大軟弱圍巖隧道全面展開是機械化配套的新嘗試；動態(tài)設計有效提高了變更設計時效，建議在復雜圍巖隧道推廣，并進一步總結完善。

有效控制突泥涌水，預防、避免災害性傷亡事故發(fā)生，保障國家“一帶一路”建設項目順利推進，也為后續(xù)同類型突泥涌水隧道提供建設管理及施工經驗。