近接富水断层隧洞突泥涌水灾害处理措施分析

龙杰 LONG Jie；武松 WU Song；赵静任 ZHAO Jing-ren；张洋 ZHANG Yang；曾晨阳 ZENG Chen-yang；陈帆 CHEN Fan

（①云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000；②长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；③河南理工大学土木工程学院，焦作 454003）

0 引言

随着我国社会经济的不断发展，我国道路交通建设规模不断扩大，长大山岭隧道也不断增多，与此同时隧道施工所面临的水文地质条件也越来越复杂。钱七虎[1]曾指出突水突泥灾害将给重大地下工程的安全建设带来严峻挑战。隧道突泥涌水现象由于其瞬时性、随机性等特点，不仅会造成隧址区地下水位下降，甚至会造成人员伤亡、经济损失，给施工带来严重影响[2]。尤其是在西部地质、地形错综复杂的富水地区，施工还面临着强富水和高地应力的施工环境[3]。隧洞在通过这些富水断层时极易产生突泥涌水事故，严重威胁施工人员的生命安全和影响施工进度[4]。因此做好近接富水断层隧洞突泥涌水灾害的处理便成为隧道工程关键控制点。

针对近接富水断层隧洞突泥涌水灾害处理措施的选择，国内学者开展了大量的研究。吕斌[5]针对富水软弱破碎带等不良地质条件引发的施工灾害问题，采用综合超前预报方法并制定相应的施工预案等多种施工处置措施进行了现场治理，有效降低了施工灾害的影响。申志军[6]通过研究野三关等5 座隧道的断层施工处理措施得出：对高压富水断层宜采取排堵结合、信息化跟踪注浆工艺、加强初期支护和二次衬砌等施工工艺。李守刚[7]针对六盘山隧道穿越富水断层出现突泥涌水灾害，提出了“泄水降压、排堵结合、超前支护、帷幕注浆、长期量测、确保安全”的处理原则。由上述可见，隧洞应对突泥涌水灾害的处置措施仍以超前地质预报和排堵结合为主，这是合理且必要的。

本文梳理了近接富水断层隧洞突泥涌水灾害成因和常见灾害处理措施，结合香炉山隧洞5#支洞具体的工程实例，对近接富水断层隧洞突泥涌水灾害处理措施进行了探讨，为以后此类灾害处理提供一定参考。

1 近接富水断层隧洞突泥涌水灾害成因

在长期的地质运动过程中，形成了大量的褶皱、断层等地质构造。并在外界水源的补给下，最终形成了富水断层构造。一方面是沿地表冲沟或溪流在地面聚集，并沿落水洞、裂隙、断层等渗流通道直接渗入岩层深部；另一方面是大气降水经断层带两侧的裂隙带直接渗入至断层当中，如图1 所示。

图1 富水断层涌水致灾构造示意[8]

隧洞在开挖过程中打破了地下水原有的平衡状态，造成断层带导水性能的巨大变化，使断层破碎带成为隧洞与地表水系之间的涌水通道，导致大量地表水涌入隧洞。从力学角度来分析，断层破碎带内岩体破碎，累积构造应力相对较小，易形成塌落拱结构。隧洞开挖后，在卸荷与地下水的冲刷作用下，断层破碎带内松散塌坍塌，造成了富水断层突泥涌水灾害事故的发生。

2 近接富水断层隧洞突泥涌水灾害处理措施

通过统计国内学者针对大风垭口隧道[9]、甘泉隧道[10]、连霍高速乌鞘岭隧道[11]、龙潭隧道[12]、大瑞铁路大柱山隧道[13]及相关交通隧道[14]、水工隧洞[15]的大量文献资料，总结软弱围岩和近接富水断层隧洞面临突泥涌水灾害威胁时的处理方法。首先，要合理安排超前地质预报和超前支护等工序，坚持“先护后挖”的原则，达到“短进尺、强支护、早封闭、早成环”的目的。同时，依据监控量测数据的反馈判断是否需要进行全断面模筑衬砌工作。其次，必须严格根据施工设计方案开展监控量测设计、布点和监测工作。对于获取得到的监控量测数据集市进行分析、处理、反馈，进而指导设计方案、施工方案的修正。最后，在施工过程中需要安装不同类型的监测系统获取处理多元多层次数据。从而可以最大程度地降低突泥涌水灾害造成的人员经济损失。

2.1 超前地质预报

采用超前地质预报能够探明隧洞掌子面前方突泥涌水灾害可能发生的位置，预测灾害规模以及灾害性质。综合采用物探如弹射波反射法、地质雷达、地震波反射法、激发极化法等方法，并结合钻探如超前水平钻孔、钻孔取芯、钻孔声波等方法能够较为清晰得到隧洞开挖面前方的地质信息，再结合地质勘探报告可以对前方地质进行安全性评价，根据评价结果可以制定、修改施工方案，进而避免突泥涌水灾害的发生。

2.2 洞身大管棚施工

采用洞身大管棚作为超前支护，通过合理设置管棚室、施工导向墙、导向管和钻孔注浆等施工工艺，既可加固为岩土体又可以抑制围岩松动和垮塌，降低了灾害发生的概率。

2.3 帷幕注浆

帷幕注浆不仅可以加固围岩还可以堵塞渗流通道起到止水的目的。当隧洞近接富水断层且现场环境要求不能进行泄水降压或泄水降压不能保证安全施工时，可以采用帷幕注浆。同时当断层破碎带含水巨大，掌子面在开挖过后较为稳定，也可采用周边帷幕注浆措施增加地层强度，此时加固圈厚度一般为3～5m。

2.4 超前排水泄水降压

超前排水泄水降压分为迂回导坑超前排水泄水和超前钻孔排水泄压两类。当断层破碎带内水量丰富，水压较高，且断层内部物质松散时，隧道近接断层的过程中极易发生突泥涌水灾害时，宜选择迂回导坑超前泄水，进而降低突泥涌水灾害风险，为正洞穿越断层破碎带创造条件。一般是指在掌子面前方钻孔超前排水，钻孔长度一般为30～50m，直径为89～120mm。特别是当隧道设置为双洞单线时，可利用左（右）洞超前对右（左）洞进行钻孔排水降压。

3 案例分析

3.1 工程背景

香炉山隧洞5#施工支洞交主洞于桩号DLI28+0522处，以斜井方式布置于汝南河槽谷左岸（东侧）山体内，进口高程2508m，与主洞相交高程2014m，高差494m，洞长1245.9m，纵向坡度24.71°净断面尺寸6.5m×6.0m（宽×高），支洞最大埋深585m。如图2 所示。

图2 香炉山隧洞5# 施工支洞地理位置示意

5#施工支洞口紧邻清水江右岸，属清水江～剑川岩溶水系统范围，汇水面积约138km2。桩号K0+476～K0+526洞段围岩主要为第三系浅灰绿色安山质玄武岩，在构造挤压作用以及风化的影响下，掌子面-左壁围岩较为破碎，岩面较新鲜，岩质较坚硬；右壁围岩岩体破碎，以散体结构为主，岩质总体较疏松，局部泥化，性状差～极差（K0+517～K0+526）。岩体内部存有大量裂隙，裂隙发育整体可分为2组：①组产状：45°～120°∠50°～68°；②组产状：309°～321°∠12°～37°；出露长度为3～5m，裂面相对平直、粗糙，呈闭合状，裂隙之间无充填泥质或充填有厚度仅为2～5mm 的泥质，整体性状较差；岩体湿润，周围环境地下水较为丰富。围岩受地下水浸泡软化及渗透压力影响，岩体自稳能力极差，易发生掉块、塌方及涌水突泥，综合评判为V 类围岩（富水洞段）。

3.2 突泥涌水灾害

2020 年8 月至2020 年11 月，在5#支洞桩号K0+526及附近洞段，累计发生了4 次较大涌水。其中2020 年8 月21 日，支洞开挖至K0+522.8 桩号时，K0+514.0～K0+519.9段右侧边墙混凝土表面出现开裂（最大宽度5mm），K0+519.9～K0+522.0 段右侧拱顶钢支撑出现大变形（最大沉降量30cm），掌子面顶部突发涌水，最大涌水量约350m3/h，涌水携带出大量角砾岩及碎粉岩，造成掌子面淹没，见图3（a）。后经测量K0+521.0～K0+522.0 段钢支撑最大侵限33cm。2020 年9 月6 日，K0+522～K0+526 段右侧起拱线钢支撑变形严重，并在K0+522.5 桩号右侧拱顶处出现涌水，存在较大安全隐患，见图3（b）。

图3 5# 支洞K0+526 及附近突水突泥情况

3.3 灾害处理措施

香炉山5#施工支洞桩号K0+545 周围围岩属于V 类围岩。根据施工经验预计隧洞掌子面安全厚度在5.5m 左右，因此在施工过程中要预留6～8m 的岩体。施工过程严格按照“弱开挖、短进尺、快支护、勤监测”的原则施工。施工过程中积极、连续开展施工超前地质预报特别是超前地质钻孔验证，充分揭示前方断层规模和富水程度，做好超前堵水、预加固措施，对洞身松动岩块及时、全面清撬或采取其它有效方式进行排险处理，开挖洞段及时进行系统强支护，并做好上、下台阶钢拱架的衔接、锁腰锁脚锚杆（管）施作，必要时增加底板横撑形成闭环，紧跟二次衬砌，以降低围岩变形失稳风险，保障施工安全。

在工程地质和物理力学特性方面，富水断层破碎带间的隔水层与软塑状黏土极为相似。注浆困难，失稳风险与发生大变形几率高，易对初支结构造成破坏，隧道侵限风险相对较高。于是，需要以超前小导管或管棚或密排管棚等方法对岩体进行超前支护，并且待隧道开挖掘进通过断层破碎带后，要及时进行径向系统锚杆加固措施。及时进行初期支护体系的完善工作与开展二次衬砌的施工，以达到理想的防突治理效果，保证隧洞施工安全。

坚持采用“四超前”围岩稳定阻水加固控制技术，持续实施超前探测、超前注浆、超前支护和超前泄压、分级截引排等措施，降低地下水对围岩产生的渗透破坏以及对施工开挖与支护结构的不利影响，同时及时跟进二次衬砌，并进行固结灌浆和重点部位的防渗灌浆和系统排水减压孔施作。

由于开挖洞室位于红麦盆地地下水位、清水江水位以下超百米，围岩裂隙网络中地下水补给、赋存条件较好，同时还应加强洞室抽排水量观测并详细记录，尤其掌子面附近出水量的观测台账，并配置足够的抽排水能力，做好应急预案，防止涌、渗水量增大时影响施工安全。此外在施工过程中，还应加强安全巡视，注意施工安全，同时密切监测围岩性状变化、变形过程和渗涌水变化情况，便于及时发现、处理应对异常情况。

4 结论

通过对近接富水断层隧洞突泥涌水灾害成因和处理措施进行分析，并结合香炉山隧洞5#施工支洞突泥涌水灾害处理措施的实施，主要有以下几点体会：

①在隧洞掘进的同时要辅以地质素描工作加强对掌子面岩体的认知。当遭遇地质条件较为复杂区域时，还需要结合钻探与物探工作，做好超前地质预报，进而避免或减少灾害的发生。②高度重视隧道防排水施工的质量把控，完善排水困难地段抽排水设施建设，严格根据多级泵站设置原则建设隧洞防排水设施。③按照“弱开挖、短进尺、快支护、勤监测”的原则施工，香炉山隧洞5#支洞在施工过程中持续实施超前探测、超前注浆、超前支护和超前泄压、分级截引排等措施，降低地下水渗透压力对围岩产生的渗透破坏以及对施工开挖与支护结构的不利影响，确保隧道施工安全及结构的可靠性。