映臥公路南華隧道穿越泥石流堆積體綜合處治技術(shù)

韋遠(yuǎn)飛 田志宇

【摘要】文章介紹了映臥公路南華隧道施工過程中揭露泥石流溝堆積體的情況，根據(jù)泥石流堆積體的地質(zhì)特征，結(jié)合隧道的施工需求，制定了隔水墻方案保證影響段以外區(qū)域的正常施工，采用了大剛度超前支護(hù)保證開挖安全，采用了結(jié)構(gòu)周邊注漿堵水、墻背分區(qū)防水、限壓排水等措施確保結(jié)構(gòu)防排水的有效性，采用了抗水壓襯砌保證高水頭條件下的結(jié)構(gòu)安全，這些綜合處治技術(shù)的應(yīng)用使得隧道安全順利地穿越了泥石流溝段。

【關(guān)鍵詞】隧道; 泥石流堆積體; 綜合處治技術(shù)

【中國(guó)分類號(hào)】U455.49【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

泥石流是指在山區(qū)或者溝谷深壑地區(qū)，由暴雨、融雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)的攜帶有大量泥沙和石塊的特殊洪流。泥石流堆積體一般由細(xì)粒物質(zhì)和粗粒物質(zhì)兩種成分組成。泥石流堆積體的性質(zhì)不同，其細(xì)、粗顆粒的空間排列狀態(tài)也不同。泥石流堆積體可以分為前進(jìn)前積式、后退上疊式與溝谷側(cè)積式3種。

G350映秀至臥龍段公路是九環(huán)線映秀至四姑娘山旅游公路的重要組成部分，項(xiàng)目起于四川阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)，經(jīng)耿達(dá)，止于臥龍，向西延伸穿越巴朗山，可至四姑娘山和千碉之國(guó)丹巴。路線沿岷江支流漁子溪布設(shè)，為典型高山峽谷地形，河谷深切，谷坡陡峻，相對(duì)高差1 000 m左右，坡度一般為50～70 °，均為V形河谷。公路位于“5·12”汶川大地震的極重災(zāi)區(qū)，映秀至耿達(dá)段（長(zhǎng)約20 km）距離震中3～7 km，該段約90 %的道路被嚴(yán)重掩埋或損毀，原路基本無法利用。地震引發(fā)了泥石流、崩塌及滑坡等一系列次生災(zāi)害，根據(jù)前期開展的地災(zāi)評(píng)估報(bào)告的結(jié)論，在本路段約20 km的范圍內(nèi)，分布了大小崩塌35處，泥石流39處。由于沿線地災(zāi)幾乎連片發(fā)育，規(guī)模龐大，造成了地形的巨大變遷。

1 南華隧道施工揭露泥石流溝堆積體情況

南華隧道位于映臥公路地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的段落，隧道長(zhǎng)4 977 m，為傍山隧道，平面大致沿漁子溪走向布置。隧道下穿了瓦斯溝、肖家溝、蟹子溝等7條大中型泥石流溝，其中可能對(duì)隧道方案造成重大影響的首推肖家溝。該溝主溝長(zhǎng)3.46 km，平均縱坡降426 ‰，溝內(nèi)有5條較大的支溝發(fā)育，呈“V”字形溝谷，流域平均寬度2.1 km，流域面積約7 km2，兩側(cè)出露巖層為花崗巖，溝內(nèi)水流量大。該溝位于漁子溪左岸，為一老泥石流溝，活動(dòng)期次在三期以上，屬特大型泥石流溝。在震后的一次暴雨中，肖家溝爆發(fā)的泥石流扇體前緣寬度達(dá)到350 m，扇體長(zhǎng)度150 m，平均厚度15 m左右，河床抬高近31 m形成堰塞湖，堆積方量約35×104 m3，后緣堆積體厚度約50～80 m。經(jīng)測(cè)算，溝內(nèi)仍還有約357×104 m3地震堆積物。

隧道下穿肖家溝段最小埋深約86 m，勘察階段在溝內(nèi)布置了一個(gè)鉆孔，由于溝內(nèi)泥石流堆積體多為堅(jiān)硬的大塊石，架空現(xiàn)象嚴(yán)重，且工作區(qū)飛石頻發(fā)，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，鉆孔深至36 m便無法繼續(xù)實(shí)施。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查成果，推測(cè)溝心處堆積體厚度約60 m。

隧道縱坡為單向坡，在距肖家溝約500 m的高側(cè)設(shè)置了逃生通道兼作施工通道，下坡掘進(jìn)至主洞后分別向上下游同時(shí)施工主洞。下游掌子面開挖至肖家溝范圍后拱頂揭露泥石流堆積體，主要為漂、塊石夾泥，地下水呈細(xì)股狀流出，后續(xù)開挖發(fā)現(xiàn)掌子面堆積體范圍迅速擴(kuò)大，很快引發(fā)坍方以至冒頂（圖1、圖2）。

2 泥石流堆積體處治方案

2.1 補(bǔ)充地質(zhì)勘察

為了摸清泥石流堆積體的發(fā)育范圍，在掌子面上、下臺(tái)階各布置了一個(gè)水平鉆孔，由于孔周為崩積、洪積及泥石流混合堆積的塊、碎石夾少量卵石，鉆具反復(fù)多次無法鉆至孔底，套管也沒法跟進(jìn)，鉆進(jìn)難度極大，僅鉆進(jìn)了約30 m。鉆孔初步查明掌子面前方整個(gè)隧道斷面均為堆積體，結(jié)合TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，預(yù)計(jì)長(zhǎng)度約70 m。

2.2 開挖支護(hù)措施

地層以塊、碎石為主，架空嚴(yán)重，且受地下水長(zhǎng)期沖刷，所以隧道開挖的難點(diǎn)在于保證拱部和掌子面巖土體的臨時(shí)穩(wěn)定性。

經(jīng)技術(shù)方案比選，確定采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，既能實(shí)現(xiàn)短臺(tái)階，快封閉的目標(biāo)，也能利用核心土保證掌子面的穩(wěn)定。由于核心土為松散塊石，自穩(wěn)性極差，不利于施工操作，故表面采用噴C20混凝土封閉。

超前支護(hù)是保障拱部巖土體穩(wěn)定的關(guān)鍵措施。由于泥石流堆積體成孔困難，松散壓力大，需要超前支護(hù)能打得進(jìn)去，還能撐得起來。設(shè)計(jì)選用了單層76 mm自進(jìn)式錨桿+單層42 mm小導(dǎo)管的組合形式。76 mm自進(jìn)式錨桿每循環(huán)長(zhǎng)度10 m，搭接2 m，環(huán)向間距40 cm，其自帶鉆頭，施作方便，剛度夠大，能抵御大塊石的巨大壓力;42 mm小導(dǎo)管每循環(huán)長(zhǎng)度4.5 m，環(huán)向間距40 cm，搭接1.5 m，在自進(jìn)式錨桿的間隙施作，注漿固結(jié)后可防范細(xì)碎顆粒的漏失，保證拱背巖土體的原始級(jí)配，利于土拱的形成。

隧道冒頂后，洞頂?shù)貙釉冀Y(jié)構(gòu)破壞，洞周松散壓力大增;地表泥石流溝常年流水，雨季水量暴漲，泥石流堆積體內(nèi)架空現(xiàn)象普遍，地表水下滲形成深部潛流。為了抵抗松散地層和地下水共同作用產(chǎn)生的巨大壓力，設(shè)計(jì)通過計(jì)算擬定了抗水壓襯砌參數(shù)。計(jì)算荷載取為80 m土壓力+水壓力，其中水壓力折減系數(shù)選定為0.7。結(jié)構(gòu)采用雙層初支+鋼筋混凝土二襯的組合形式，具體參數(shù)見表1。

為了改良洞周土體，促進(jìn)土拱的形成，同時(shí)適當(dāng)封堵地下水的滲流路徑，現(xiàn)場(chǎng)在穿越堆積體段實(shí)施了開挖后注漿措施，加固圈為開挖輪廓線外6 m，注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿（占比60 %）和純水泥漿（占比40 %）組合，先壓注快速凝固的水泥、水玻璃雙液漿封堵較大的空洞，再壓注純水泥漿填充微小空隙。

2.3 防排水措施

由于雨季溝內(nèi)水量暴增，水壓迅速上升，若采用常規(guī)的以排為主的策略，洞內(nèi)排水系統(tǒng)可能難以承受。另外，長(zhǎng)期大量排泄堆積體內(nèi)的地下水，也容易造成細(xì)顆粒的大量漏失，進(jìn)而引發(fā)上方地層失穩(wěn)。故下穿泥石流溝段的防排水總體設(shè)計(jì)原則為“以堵為主，堵排結(jié)合，綜合防治”。具體措施為：

（1）開挖后注漿堵水（見本文2.2節(jié)）。

（2）分區(qū)防水：在下穿泥石流溝段起止點(diǎn)各設(shè)一環(huán)型厚止水橡膠墊（寬1 m，厚2 cm，設(shè)于初支與二襯之間），阻隔高壓地下水向上、下游襯砌內(nèi)滲流。

（3）全包防水：下穿泥石流溝段二襯背后設(shè)置全封閉柔性防水層，為了防范高壓水從薄弱點(diǎn)滲入后在二襯背后串流，在防水層內(nèi)加密設(shè)置縱、橫向盲溝排水管，可將滲入的地下水引入中央水溝。

（4）三縫防水：施工縫是防滲漏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于二襯厚度較大，采用了外貼式橡膠止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶+止水條組合而成的三重防水措施。

（5）為了避免極端情況下襯砌背后的地下水壓力超過設(shè)計(jì)容許值，對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，結(jié)構(gòu)左右側(cè)各預(yù)埋了兩根83 mm無縫鋼管，一端伸至結(jié)構(gòu)外緣，一端接引至中央水溝檢查井中，并在出口設(shè)置安全閥泄水裝置。安全閥開啟的壓力設(shè)定值為0.5 MPa，一旦結(jié)構(gòu)周圍水壓超過該值，安全閥就會(huì)自動(dòng)開啟，排泄地下水以降低水壓（圖3）。

3 施工工藝

由于掌子面為松散塊石土，穩(wěn)定性極差，故采用三臺(tái)階法施工工藝（預(yù)留核心土）。該工藝要求短臺(tái)階，各工序迅速輪轉(zhuǎn)，初支快速封閉?，F(xiàn)場(chǎng)各工序的銜接磨合完善后，能保證在距離掌子面約20 m處完成初支封閉。核心土受地下水的影響，表面濕滑，自穩(wěn)差，表面采用噴C20混凝土封閉，既能提供一定的臨時(shí)穩(wěn)定性，也利于工人的現(xiàn)場(chǎng)施工操作。

4 臨時(shí)擋水墻工程

南華隧道下穿肖家溝泥石流堆積體段長(zhǎng)約100 m，至4月初開挖接近半程，此時(shí)工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入雨季，受山上融雪及降雨影響，肖家溝內(nèi)水量持續(xù)增大，洞內(nèi)涌水量預(yù)估涌達(dá)1 070 m3/h，遠(yuǎn)大于抽水能力，導(dǎo)致下游掌子面停工。洞內(nèi)積水水位持續(xù)增加，淹沒了下游掌子面，并不斷向上游蔓延。下游掌子面與施工橫洞處高差約17 m，橫洞洞口又高于主洞，隨著后期降水的持續(xù)增加，橫洞面臨被淹沒風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致上游掌子面也停工。若大量增加抽排水設(shè)備，并持續(xù)抽排洞內(nèi)積水以保證上游掌子面繼續(xù)施工，代價(jià)高昂。為此，現(xiàn)場(chǎng)決定在掌子面附近設(shè)置擋水墻封閉隧道下游段。

擋水墻設(shè)計(jì)考慮的因素包括：①擋水墻應(yīng)設(shè)置在靠近掌子面，且地質(zhì)情況相對(duì)較好的段落;②掌子面涌水量大，排水成本高;③由于雨季臨近，擋水墻應(yīng)盡快實(shí)施;④擋水墻為臨時(shí)設(shè)施，應(yīng)易于施作，且便于拆除。綜合考慮了以上因素后，確定在K5+270處實(shí)施擋水墻，采用厚1.5 m C25素混凝土，分別在左右側(cè)1/3洞跨處設(shè)置一條豎向梯形肋，寬1.5 m，頂厚1.5 m，底厚2.6 m。根據(jù)驗(yàn)算，該墻可抵抗約35 m水頭壓力。K5+270處與橫洞口標(biāo)高差值約為28 m，擋水墻實(shí)施時(shí)，在其下部預(yù)埋3根110 mm鋼管，并接引至橫洞洞口外標(biāo)高低于洞口約10 m處，當(dāng)墻背水壓達(dá)到0.3 MPa左右時(shí)，管內(nèi)水流將漫過管道最高點(diǎn)，形成虹吸效應(yīng)，自動(dòng)排泄墻背地下水泄壓。

臨時(shí)擋水墻修筑完成后，下游來水被截?cái)?，雨季期間上游掌子面實(shí)現(xiàn)了正常施工。10月底雨季結(jié)束后，臨時(shí)擋水墻的使命順利完成，被爆破拆除。按照既定的處治方案，隧道剩余段落在冬季枯水期得以安全實(shí)施。

5 結(jié)束語

映臥公路南華隧道施工期間遭遇的泥石流堆積體埋深大、結(jié)構(gòu)松散、地下水豐富，處治難度極高。綜合采用大剛度超前支護(hù)、周邊注漿堵水、墻背分區(qū)防水、限壓排水、抗水壓襯砌及臨時(shí)擋水墻等措施后，隧道安全順利地穿越了泥石流溝段。近幾年的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)顯示，該段隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防排水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)有效，綜合處治措施效果非常理想。

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