随着我国西部大开发、国家路网建设等大型战略计划的实施和推进, 出现越来越多的隧道工程, 隧道所处的地质环境条件也日趋复杂和多样。在地质条件复杂地区修建长大隧道, 易发生塌方、涌水等地质灾害, 轻则延误工期、损毁机具, 重则造成施工人员伤亡等严重后果。对于在建隧道, 施工前如何规避塌方、涌水灾害, 发生灾害后如何合理、有效进行处治, 是施工、设计人员面临的难题和挑战^[1,2]。

国内外学者对隧道塌方、涌水开展系统研究, 取得大量成果。目前, 对隧道塌方、涌水机理的研究主要侧重于地质分析, 如陈秋南等^[3]、周宗青等^[4]、龙洪等^[5]、刘钦等^[6]从地质构造、岩体结构、岩溶发育规律、水文地质条件等因素出发, 探讨隧道塌方、涌水灾害的发生机理。在塌方、涌水处治方面, 也提出大量可行方案和技术方法, 如闫瑞生等^[7]针对西安地铁隧道涌水、道路坍塌事故, 提出通过采用加强拱脚、扇形支撑、注浆加固及组合工法为技术要点的综合处理方案, 有效控制隧道变形;饶军应等^[8]针对白山隧道塌方发展过程和塌方机理, 提出基于“地表排水、围岩注浆、衬砌增强、基底防降”的塌方综合治理方案;张民庆等^[9]通过对大梁隧道突水、突泥灾害原因分析, 提出“两端夹击、注浆加固、管棚支护”的处治措施;黄雄军^[10]提出, 隧道穿越高压、富水、岩溶地层时应重视超前地质预测预报工作, 特别推荐超前水平钻孔和周边钻孔相结合的方法, 探明开挖前方工程地质、水文地质特征、溶腔边界情况;熊成宇等^[11]针对岩溶隧道大体积涌泥问题, 提出大管棚结合系统小导管注浆超前支护技术。

综上所述, 由于所处地质条件不同, 隧道发生塌方、涌水、突泥等灾害的原因也不尽相同, 首先须对实际地质条件及隧道灾害的规模、范围等进行综合分析, 在此基础上才能得出合理可行的处治方案。本文以十房高速公路通省隧道塌方、涌水为例, 分析灾害发生机理, 并探讨处治对策, 为同类工程提供参考、借鉴。

通省隧道进口位于十堰市房县土城镇五条村二组, 出口则位于土城镇塘梗村, 隧道总体走向约223°。左幅里程桩号ZK110+090—ZK116+990, 全长6 900m;右幅里程桩号YK110+084—YK119+958, 全长6 874m。隧道最大埋深约515m, 洞室纵坡为1.90%。

隧址区属构造剥蚀中山地貌区, 区内先后经历多期次、多阶段的变质作用和岩浆活动, 地质构造十分复杂。工程区地下水类型主要为基岩裂隙水, 赋存于岩体裂隙及破碎带内。

隧址区基岩主要为元古界武当群 (P_t2wd) 灰色片岩, 主要矿物成分为石英、绢云母, 鳞片变晶结构, 片状构造, 多为薄～极薄层状, 层厚一般为 1～5cm, 局部地段为中厚层状, 层厚10～20cm。片岩发育片理面, 片理整体产状为66°∠22°, 片理面波状起伏, 连续性较好, 层间错动、遇水泥化情况严重, 间距一般1～5cm, 为层状-碎裂结构 (见图1) 。

隧道左幅Ⅲ级围岩5 670m, 占82.2%;Ⅳ级围岩970m, 占14.0%;Ⅴ级围岩260m, 占3.8%。隧道右幅Ⅲ级围岩5 690m, 占82.8%;Ⅳ级围岩940m, 占13.7%;Ⅴ级围岩244m, 占3.5%。围岩物理力学参数如表1所示。

隧道净空采用三心圆曲墙断面, 拱半径5.6m, 曲墙半径8.1m, 净空断面积为64.87m², 仰拱半径15m。Ⅴ级围岩支护方案如下: 23cm厚C25混凝土初衬, 直径25cm、长350cm、间距100cm系统锚杆, HW150×150×7×10型钢、间距80cm钢支撑, C25混凝土、仰拱45cm、拱墙50cm二衬, 超前小导管辅助施工。

2014年3月, 隧道左洞ZK114+399—ZK114+377段在初期支护完成1d后拱顶开始出现纵向开裂、拱架扭曲以及混凝土脱落等现象。4月3日变形慢慢加大, 初期支护开始出现环向裂缝、型钢拱架剪断、左右两侧拱脚处拱架受力往里移动等现象, 掌子面则不断出现掉块, 且变形持续加剧。

4月3日, 掌子面ZK114+377处突然坍塌 (见图2) , 紧接着ZK114+393—ZK114+377段均发生坍塌, 坍塌碎渣将该段隧道完全封闭, ZK114+399—ZK114+393段拱架拱顶部分严重剪切变形, 且两侧拱腰均已侵入二衬净空, ZK114+399—ZK114+447段也受坍塌影响而导致初期支护拱顶纵向裂缝加大。

4月21日, 在置换坍塌渣体附近几榀拱架, 清理渣体中一块较大危石后, 渣体开始失稳, 向洞口方向流动, 出现突泥现象, 最后渣体流至二衬台车处, 部分设备被掩埋。突泥后, 渣体的推进将下导坑、仰拱处地下水挤向二衬位置。5月7日, 突泥、涌水清理至ZK114+395处, 利用右线弃渣反压回填。5月8日, 掌子面再次突泥、涌水, 涌至ZK114+510处。

7月21日, 坍塌段再次突泥, ZK114+384处3榀型钢钢架变形 (见图3) 。7月24日, ZK114+384处3榀变形钢架间加设HW175×175×7.5×11型钢钢架施工完毕, 开始处理坍塌段。

整体而言, 通省隧道塌方、涌水过程可分为围岩大变形、塌方、涌水、突泥4个阶段。处理此次塌方、涌水灾害过程中累计抽水7.4×10⁴m³, 抽排泥浆1.5×10⁴m³, 排出泥渣4 560m³。灾害未造成人员伤亡, 延误工期近9个月, 严重影响工程进度。

根据隧道塌方、涌水过程, 结合隧址区地质条件分析、隧洞内及地表地质调查、TRT探测等, 可将通省隧道塌方、涌水原因归纳为以下4个方面。

1) 隧道山体位于武当山推覆体内, 历史上经历过多次挤压、张拉作用, 断层十分发育, 不仅降低围岩完整性, 也为地下水入渗提供通道, 此次塌方、涌水灾害即因揭穿断层破碎带导致。

2) 受推覆构造影响, 隧址区褶皱、揉皱构造十分发育, 岩体呈层状-碎裂结构, 松散破碎, 稳定性差, 围岩易发生大变形;岩体裂隙发育, 地下水较丰富。

3) 隧址区武当群片岩中蒙脱石、伊利石等黏土矿物含量较高, 在地下水作用下易软化、泥化, 这是塌方后紧接着出现涌水、突泥的主要原因。

4) 断层破碎带中含有承压地下水, 一方面对围岩起到软化、泥化作用, 另一方面以静水压力形式作用于围岩和支护结构, 导致支护结构所受荷载增大, 进而发生围岩大变形、初期支护变形破坏、围岩掉落等, 最终导致塌方发生。

灾害发生后, 施工单位采取回填反压、加设型钢钢架、抽水抽泥等应急处理措施。5月13日, 高速公路建设指挥部组织有关专家进行现场踏勘, 并论证此次塌方、涌水灾害原因、提出处治方案。分析认为, 塌方、涌水的主要内因为断层破碎带、承压地下水2个方面。相应地, 处治方案重点针对2个方面:排导承压地下水、加固围岩。结合现场塌方、涌水情况制定如下处治方案。

4月3日坍塌碎渣底部开始出现突水现象, 且不断加大, 上导坑积水很快便>30cm, 并将两侧下导坑填满, 水位持续上升, 并侵至仰拱填充面上, 经现场测定涌水量约136m³/h, 现场采用高压水泵和罐车进行抽水。4月4日凌晨, 水已侵至ZK114+455。4月24日, ZK114+377—ZK114+403坍塌段再次发生突泥、涌水, 突泥、涌水至ZK114+510处, 现场采用高压水泵和罐车进行抽水 (见图4) 。

7月13日, 坍塌段处理至ZK114+384处, 涌水量达240m³/h, 涌水至ZK114+510处, 原有抽水设施无法满足要求, 现场增加出渣车及油罐抽水。7月22日, ZK114+384处3榀变形型钢钢架间加设HW175×175×7.5×11型钢钢架施工时, 坍塌段再次出现少量塌方, 涌水量增大至260m³/h, 现场采用原有抽水设施及1台出渣车加10m³油罐进行抽水。

9月19日, 上导坑清泥后, 反填通省隧道右线弃渣, 开始由ZK114+384处分3台阶处理坍塌段。至9月29日, 上台阶坍塌处理至ZK114+377处。采用原有水泵配合混凝土输送车进行抽水。

5月14日, 突泥、涌水清理至ZK114+395处, 利用右线弃渣反压回填至ZK114+401处。经现场勘察分析, 于ZK114+400处拱部打设6根 ϕ108×8泄水管, 泄水管每根长10m。

反填弃渣后, 于ZK114+395处拱部逐榀打设双层4.5m长ϕ42×3.5注浆小导管, 注浆小导管间距30cm (见图5) , 层距30cm, 采用三台阶预留核心土法进行开挖施工。

7月28日, 坍塌段处理至ZK114+380.8处, 突泥、涌水进一步加大, ZK114+383.2—ZK114+380.8处4榀型钢钢架变形坍塌, 该段型钢钢架全部压垮。抽水、清泥处理后, 采用C25喷射混凝土封闭掌子面, 于ZK114+384处打设4.5m长ϕ42×3.5超前注浆小导管后再进行坍塌处理。

8月5日, 掌子面2次突泥、涌水, 突泥、涌水至ZK114+490处。8月10日, 掌子面再次坍塌, 采取抽水、清泥。8月15日, 上导坑清泥后, 搭设脚手架, 于ZK114+384处拱部人工打入21根9m长P50钢轨以稳定围岩。8月28日, 21根钢轨全部施工完毕, 拆除脚手架, 准备坍塌处理施工。

8月29日, 坍塌段开挖50cm, 安装1榀型钢钢架, 11:00左右, 管棚及钢轨全部坍塌。准备人工打入钢轨后再进行施工。

08-31—09-17, 抽水、清泥后搭设脚手架, 于ZK114+388处架设4榀HW175×175×7.5×11型钢钢架做护拱, 人工打入31根12m长P50钢轨 (见图6) 。拆除脚手架后, 于钢轨尾端再安装3榀HW175×175×7.5×11型钢钢架, 采用喷射C25混凝土封闭7榀HW175×175×7.5×11型钢钢架护拱及钢轨尾端并沿护拱两侧拱脚处浇筑5.0m (长) ×1.0m (宽) ×70cm (高) C25混凝土做临时仰拱。

5月28日, 于ZK114+400处拱部打设46根 ϕ108×8管棚, 管棚长40m, 环向间距30cm。6月26日, 完成管棚施工, 管棚端头采用C25喷射混凝土封闭。10月29日, 上台阶施工至ZK114+363处, 线路右侧拱腰至拱脚处再次涌水, 由ZK114+365处线路右侧拱顶至拱脚处打设20根20m/根 ϕ108×8管棚。

截至11月中旬, 塌方基本处理完毕, 隧道开挖后围岩变形趋于稳定。二次衬砌施作时, 未发现初衬喷射混凝土层有明显变形, 这表明上述处理措施安全有效。

1) 涌水、突泥常见于岩溶隧道, 但非岩溶隧道也可能发生该类灾害, 施工中应加强超前地质预测预报, 防止灾害发生。

2) 通省隧道发生塌方、涌水的主要原因是, 隧道围岩为武当群片岩, 经历过多期构造运动, 节理裂隙发育, 岩体松散破碎;片岩含有黏土矿物, 遇水易软化、泥化;岩体裂隙中含有承压水, 增大围岩压力, 并导致涌水、突泥。

3) 灾害发生后, 采取清水、清渣、清淤+打设泄水孔+小导管注浆+打设钢轨+打设超前管棚等综合方案进行处治, 最终成功加固塌方段围岩。

4) 隧道塌方、涌水发生后应进行详细勘察, 并综合分析清淤风险, 避免盲目清淤导致次生灾害发生, 如在清除第1次塌方渣体时, 未查明围岩中断层破碎带、地下水的规模和分布情况, 导致清理渣体中一块较大危石后渣体失稳并向洞口方向移动, 随后出现突泥现象。