隧道穿越高壓富水破碎帶盾構(gòu)法施工可行性研究

王宏超

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

隨著國民經(jīng)濟的全面發(fā)展與工程技術(shù)水平的不斷提高，鐵路隧道建設(shè)迎來前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路隧道普遍面臨著大埋深、高水壓、地質(zhì)復(fù)雜多變、不良地質(zhì)發(fā)育等難題。突水涌砂因其發(fā)生過程突然、發(fā)生部位不易確定，以致成為山嶺隧道最為常見和危害性最大的地質(zhì)災(zāi)害之一，且往往造成嚴重損失。在隧道修建過程中，如何保證隧道施工安全、快速、順利的穿越不良地質(zhì)地段是設(shè)計和施工技術(shù)人員必須研究和解決的重大課題。

治理礦山法施工隧道突水涌砂問題，已有較多成功的工程實例。渝懷鐵路圓梁山隧道高壓富水區(qū)采取超前帷幕注漿和徑向注漿等堵水方案[1-3]；廈深鐵路梁山隧道深埋富水陡傾軟弱帶采用長距離水平旋噴樁預(yù)加固通過[4]；玉蒙鐵路秀山隧道高壓富水極破碎可溶巖地段采取了注漿堵水、超前大管棚與小導管注漿、排水降壓等多種措施順利通過[5-6]。本文以改建成昆鐵路吉新隧道為工程背景，討論盾構(gòu)法施工山嶺隧道高壓富水軟弱破碎帶的可行性。

1 工程概況

吉新隧道位于四川省涼山彝族自治州越西縣，隧道全長17 599.647 m，最大埋深1 200 m，為改建成昆鐵路重要控制工程。隧道DK303+900～309+788段穿越震旦系上統(tǒng)燈影組(Zbd)白云巖地層，隧址區(qū)斷裂和褶皺發(fā)育強烈，主要穿越普雄-尼日河活動斷裂，該斷裂主要由構(gòu)造角礫巖、糜棱巖等組成，顯示明顯的壓性特征。受此影響，斷裂周邊存在大量的次生斷裂和褶皺構(gòu)造，導致白云巖裂隙十分發(fā)育、巖體破碎。吉新隧道地下水豐富,主要為巖溶管道水和基巖裂隙水，該段正常日涌水量為1.9×104m3/d,最大日涌水量為3.4×104m3/d。

2 施工過程及原因分析

吉新隧道在施工過程中發(fā)生了多次突水涌砂災(zāi)害，嚴重影響了施工安全與工程進度。

(1)2017年9月16日，二號橫洞掌子面H2DK0+225處發(fā)生突水涌砂并夾雜少量塊石，瞬時突水約9 m3/s，涌砂至H2DK0+725位置，方量約10 000 m3，突水涌砂造成洞口邊坡局部溜坍，方量約100 m3，洞口場地有大量突泥積沙(圖1)。

(2)2017年11月4日，一號橫洞掌子面H1DK0+810處出水隨后拱頂?shù)魤K嚴重發(fā)生突涌，突涌泥石約1 800 m3，出水量約4 800 m3/d。處治過程中先后發(fā)生三次小規(guī)模突涌，共突涌泥石1 000 m3(圖2)。

圖1 二號橫洞突水涌砂

圖2 一號橫洞突水涌砂

根據(jù)所發(fā)生的突水涌砂及地質(zhì)情況分析,突水涌砂原因主要有以下幾方面：

2.1 構(gòu)造的影響

突水處靠近普雄-尼日河活動斷裂，該斷裂周邊可能存在大量的次生斷裂和褶皺構(gòu)造，導致白云巖裂隙十分發(fā)育、巖體破碎，為地下水的富集提供了良好的外部條件。

2.2 巖性的影響

白云巖中分散分布可溶礦物方解石和其它易溶礦物，地下水先溶解可溶和易溶礦物(白云巖砂化)，溶濾作用和白云巖砂化的循環(huán)作用使巖石孔隙不斷增多，最終生成散粒狀白云石粉，形似粉細砂，白云巖的這一特殊溶蝕現(xiàn)象稱“砂化”現(xiàn)象。

2.3 地表水下滲補給的影響。

由于巖體破碎，垂直節(jié)理十分發(fā)育，巖溶發(fā)育的特征更多表現(xiàn)為垂直溶蝕現(xiàn)象，突水涌砂發(fā)生前該地區(qū)降雨頻繁，地表水下滲補給地下水使地下水位升高，地下水壓進一步增大，隧道發(fā)生突水涌砂的風險進一步增加。

綜上所述，發(fā)生突水涌砂主要原因是在活動斷裂的影響下，震旦系上統(tǒng)燈影組的微晶白云巖產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)狀的節(jié)理裂隙；由于巖體破碎，為地下水的賦存和運移形成了良好的通道與空間。同時地下水的溶濾作用和白云巖砂化的循環(huán)作用，產(chǎn)生特殊的溶蝕“砂化”現(xiàn)象。在地表持續(xù)降雨的影響下，使處于飽水狀態(tài)下的溶蝕破碎巖體在滲透壓力作用下產(chǎn)生了潰決，造成了突水涌砂。

3 盾構(gòu)法施工可行性分析

3.1 工法適應(yīng)性分析

采用盾構(gòu)法施工人員安全防護程度較高，可在盾構(gòu)設(shè)備的掩護下安全地進行開挖與支護，能夠最大限度降低突水涌砂風險，同時盾構(gòu)法施工受外部環(huán)境影響較小，可連續(xù)、快速施工。本隧道白云巖“砂化”嚴重地段采用盾構(gòu)法先行快速施工左洞，一方面為右洞開辟掌子面創(chuàng)造條件，另一方面左洞先行引排地下水可有效的減小右線施工突水涌砂風險。

3.2 掘進設(shè)備功能需求

吉新隧道具有大埋深、長距離、高水壓、地質(zhì)差異大、白云巖“砂化”現(xiàn)象嚴重的典型特征，傳統(tǒng)單一模式掘進機無法實現(xiàn)隧道施工安全、經(jīng)濟與效率的最佳統(tǒng)一，同時具備多種掘進模式的掘進機是有效擴大設(shè)備適用范圍、提高抗風險能力的最佳選擇。針對本隧具體情況，掘進設(shè)備需具備如下功能：

(1)白云巖未“砂化”一般地段能夠?qū)崿F(xiàn)長距離高效掘進，有效降低單位掘進里程人員進倉及換刀頻次；“砂化”、斷層破碎帶及高壓富水地段能夠?qū)崿F(xiàn)突水涌砂地段不確定和可能高水壓環(huán)境下安全掘進。

(2)密封承壓能力和高水壓下開挖性能是確保帶壓掘進模式安全的關(guān)鍵，一旦隧道內(nèi)出現(xiàn)泄漏將導致停機和復(fù)雜的維修處理，嚴重影響施工進度。本隧道可能面臨高承壓地下水和水頭壓力突變情況，必須采取高可靠的技術(shù)應(yīng)對，防止密封擊穿、螺旋機噴涌等高水壓事故發(fā)生。

(3)準確的地質(zhì)信息是保障安全施工的基礎(chǔ)。當前的隧道地質(zhì)信息主要依賴前期的地質(zhì)物探、鉆探獲得，要求掘進設(shè)備采用多種探測原理的機載超前地質(zhì)探測技術(shù)，具備在隧道掘進過程中同步實施地質(zhì)精確探測的能力。

(4)對斷層破碎帶、“砂化”地段實施超前加固和止水是防止隧道塌方、卡機和大涌水事故的有效方法。針對本隧水頭壓力高、突水涌砂風險高的顯著特點，要求掘進設(shè)備必須具備高效的超前預(yù)處理能力與良好的超前預(yù)處理效果。

(5)長期以來，卡機一直是隧道掘進機施工復(fù)雜地質(zhì)面臨的重大風險，一旦發(fā)生卡機需耗費相當大人力、物力和財力去處置，還會造成長時間停機。要求掘進設(shè)備必須具備有效防控卡機風險的技術(shù)措施及較強的機械脫困能力。

3.3 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計

襯砌是直接支承地層、保持規(guī)定的隧道凈空、防止?jié)B漏、同時又能承受施工、運營階段荷載的結(jié)構(gòu)。一般是由管片拼裝的一次襯砌和必要時在其內(nèi)部澆注混凝土二次襯砌所組成。一次襯砌是承擔荷載的主要結(jié)構(gòu)，二次襯砌主要用作一次襯砌的補強、防水、抵御侵蝕等。本隧道水壓不大于1.0 MPa地段推薦采用單層襯砌結(jié)構(gòu)；水壓大于1.0 MPa地段管片結(jié)構(gòu)不能承受全部水壓，采取排水減壓，限壓排放措施，考慮結(jié)構(gòu)加強、防水等因素推薦采用雙層襯砌，拱墻范圍內(nèi)襯采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度300 mm。

3.4 襯砌防排水設(shè)計

(1)防水設(shè)計遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則；

(2)一般地段(水壓小于1.0 MPa)以管片結(jié)構(gòu)自防水、管片接縫防水及接頭防水為主，不設(shè)置二次襯砌，左右邊墻設(shè)泄水孔，對地下水以防為主，以排為輔。

(3)高壓富水地段(不小于1.0 MPa)管片結(jié)構(gòu)防水防、排結(jié)合，設(shè)置二次襯砌，管片結(jié)構(gòu)設(shè)泄水孔，對地下水采取排水減壓，限壓排放措施，以排為主、以防為輔。

(4)管片接縫防水措施由外側(cè)海綿橡膠擋砂條、兩道彈性防水密封墊以及內(nèi)側(cè)嵌縫組成。

4 結(jié)論

(1)白云巖“砂化”是一種極為特殊的溶蝕現(xiàn)象，具有透鏡狀、離散型分布的特點，突水是涌砂的直接誘因，一旦發(fā)生便攜帶砂石從薄弱面涌出，發(fā)生突水涌砂。

(2)采用泥水盾構(gòu)施工，可有效平衡地下水壓、消除爆破對圍巖的擾動劣化，能夠最大限度降低突水涌砂風險。

(3)本隧道一般地段(水壓小于1.0 MPa)不設(shè)置二次襯砌，左右邊墻設(shè)泄水孔，對地下水以防為主，以排為輔。高壓富水地段(不小于1.0 MPa)管片結(jié)構(gòu)設(shè)置二次襯砌，管片結(jié)構(gòu)設(shè)泄水孔，對地下水采取排水減壓，限壓排放措施，以排為主、以防為輔。

(4)復(fù)雜艱險山區(qū)隧道采用盾構(gòu)法施工，應(yīng)充分考慮盾構(gòu)實施的外部條件，滿足設(shè)備運輸、用電負荷、施工場地及管片預(yù)制等要求。