杨林隧道出口位于宜良县北古城镇海发村, 隧道为双向6车道分离式隧道, 单洞平均开挖断面约150m³, 左线里程为ZK19+740—ZK22+712, 长度为2 972m;右线里程为K19+740—K22+690, 长度为2 950m。其中, III级围岩1 460m, IV级围岩3 200m, V级围岩1 262m。除出口段右幅1 333.349m位于半径1 752.213m、左幅1 370.665m位于半径1 714.247m的曲线外, 其余均位于直线上。右幅纵坡为-1.980%, 起点K19+740设计高程为1 833.350m, 终点K22+690设计高程为1 774.500m。左幅纵坡为-1.980%, 起点ZK19+740设计高程为1 834.310m, 终点ZK22+712设计高程为1 774.48m。本工程右幅隧道最大埋深约为290m, 左幅隧道最大埋深约为299m。

本工程地质构造较为发育, 地势起伏较大, 从地貌上主要属构造侵蚀中山地貌 (岩溶发育) , 总体地层结构较为复杂, 出露地层较多。该线路内冲沟发育, 坡体上植被发育, 人类活动主要为耕种。该线路内的主要工程地质问题为隧道开挖时断裂造成的破碎垮塌和碳酸岩区的溶洞、涌水、瓦斯等问题, 另外, 应该引起注意的是该线路在K19—K21段经过草海子煤矿矿区, 采煤形成了采空区及塌陷区, 对隧道的修建有较大影响, 应进一步查明该区段的工程地质情况。

洞口段围岩主要为白云岩、泥质白云岩夹少量页岩, 风化强烈, 岩石破碎, 呈角 (砾) 碎 (石) 状散体结构。出口段地形横坡较陡, 稳定性较差, 出口左侧山坡曾因地震导致滑坡, 围岩易坍塌, 该段易冒顶或引起工程滑坡。

2016年3月19日早晨6点, 对左洞掌子面上台阶进行开挖施工, 开挖至掌子面ZK21+788处时, 掌子面掘进方向上台阶左拱脚处出现股状涌水, 出水孔径约16cm, 出水量约为75m³/h。8时30分左右, 掌子面上台阶左侧拱脚处出现4~5m³的坍塌堆积物, 水呈股状流出且夹杂泥砂, 工区安排喷浆回填处理。12时30分左右, 掌子面突然出现突水并夹杂大量泥渣呈泥石流状涌出, 将正在施工的喷浆和注浆设备掩埋。工区将洞内人员及时撤离并监控, 同时将情况及时报告上级部门。随后, 突泥、涌水持续不断, 总量约300m³。16时50分左右突然再次发生较大突泥、涌水, 总量约4 000m³。突泥涌至二衬台车后约30m, 将正在施工的二衬台车及混凝土泵车冲埋, ZK21+800—788段上台阶基本被泥砂填满。

2016年3月20日上午10时40分左右再次出现大量突泥、涌水, 泥水直接冲出洞外。涌泥量约3 000m³, 将ZK21+800—816段全部填满, 如图1所示。

2016年6月3日23时左右对左洞掌子面进行换拱, 处理至ZK21+793里程时, 进洞左侧上台阶拱脚处再次发生突泥, 此次突泥涌渣约1 200m³, 我工区及时对涌渣进行清理, 并对突泥点进行注浆加固, 向掌子面和拱顶斜上方进行超前探孔。2016年6月12日11时左右突泥点再次发生涌泥, 约240m³, 工区封闭掌子面。

杨林隧道出口左洞ZK21+788处围岩为全风化-强风化泥质白云岩、页岩、泥质夹砂岩, 呈镶嵌破碎结构, 地下水丰富, 富水性强。根据地质勘察报告杨林隧道区域构造纲要显示, 发生突泥、涌水区域有一性质不明断层。围岩主要为中风化泥质白云岩、白云岩、砂岩、粉砂岩、页岩等。薄层状~中厚层状, 产状320°∠28°, 271°∠29°, 节理裂隙较发育, 岩体较破碎。地下水较丰富, 富水性较强, 主要为基岩裂隙水, 局部可能富存岩溶水。

根据超前地质预报结果, 使用履带式地质钻机打设超前探孔, 对前方围岩及掌子面上部进行钻孔探测。特别是针对涌渣处ZK21+790—ZK21+785区段左侧存在的特殊地质体处的水体、空洞进行钻孔探测, 同时该探孔可作为下一步围岩再造时的泄压孔。因突泥涌渣后, 突泥口会被泥渣堵塞, 由于泄水不畅, 空腔会逐渐被水充满, 在三维超前探测成果中体现出来的只是空腔水体, 因此需要进一步钻孔探测确认。在钻孔确认了空腔大小位置后, 可结合三维地质超前预报进行综合分析, 以制定下一步围岩再造方案。对于空腔钻孔探测, 可以根据现场实际空间情况在任意角度进行钻孔, 需要注意的是, 此探孔以位于空腔底部3m以上位置为佳, 在围岩再造时作为泄压孔使用。在本工程中, 由于顺隧道前进方向无钻孔操作空间, 则以与隧道前进方向30°夹角向空腔打设此泄压孔。掌子面超前探孔位置如图2所示。空腔探孔也可兼作泄压孔和围岩再造孔, 如图3所示。

将再造孔打设完、ф108钢管安装后, 就可以准备围岩再造了。围岩再造分2步进行: (1) 喷射灌注干拌纤维混凝土将混凝土干喷机与108钢管通过喷射管连接好, 然后通高压风5~10min, 以吹净进入喷射管内的地下水, 此时可以观察到上部泄压孔有水气喷出, 若无水气喷出, 则需先疏通一下泄压孔, 保持其畅通。将干拌均匀的喷射纤维混凝土运至现场, 加入到干喷机中, 此混凝土可采用隧道初支C25纤维混凝土, 配合比为 (kg/m³) :水泥 (P·O42.5R) ∶砂∶细石∶聚丙烯纤维=464∶863∶863∶1。水泥采用早强水泥, 速凝剂采用粉剂, 细石最大粒径≤25mm。喷射灌注时, 在喷浆机上料口均匀加入速凝剂粉剂 (按水泥含量的8%) 。喷射干拌纤维混凝土进入空腔后经过反弹大部分落入涌泥口空腔底部, 经水浸泡混合后, 在速凝剂的作用下, 纤维混凝土会迅速凝固, 对涌水突泥口进行封堵。灌注总量应根据预报探测成果进行计算, 控制在厚度0.5~0.8m, 一般灌注2~4m³为宜, 亦可观察到掌子面涌渣堆积体有水泥浆流出, 待流出5~10min后停止灌注。 (2) 灌注水下混凝土将混凝土输送泵的泵管使用转换接头与再造孔钢管相连接, 将搅拌好的水下混凝土持续向空腔内输送。该混凝土强度采用C30, 配合比为 (kg/m³) :水泥 (P·O42.5R) ∶砂∶石∶水∶减水剂=427∶769∶1 019∶185∶4.27。待观察到泄压孔出现混凝土流出时, 结束泵送, 并关闭再造孔管接头, 防止混凝土回流泄出。此时可以观察到前方掌子面涌渣体中出水量大幅减少, 部分地下水通过泄压孔流出, 说明围岩再造成功, 空腔封堵完成, 待3d后可以继续进行处治作业。

2016年3月29日在杨林隧道左幅ZK21+813处对掌子面前方进行三维超前地质预报。检测结论为:之前表现为空腔松散区域目前呈富积水状态, 表明随时间推移, 掌子面前方地下水补给充分, 疏水通道不畅, 在清理淤塞、继续开挖掘进时可能再次发生突泥、涌水现象。

2016年5月31日完成ZK21+770—ZK21+800大管棚的施工, 开始自ZK21+800往小里程进行开挖, 并对侵限初支进行换拱处理。2016年6月3日晚处理至ZK21+793里程时, 在上台阶左拱脚处再次发生突泥, 本次突泥量约1 200m³, 工区及时撤离人员及机械设备, 封闭掌子面, 并安排稳定后对涌渣进行清理、突泥点进行注双液浆加固、设置疏导孔排水和打设3个30m长的超前探孔, 并通知隧道检测单位对隧道前方进行TSP超前地质预报。在该处突泥稳定后, 准备继续按照既定方案进行施工, 12日上午, 当挖掘机开挖此处泥渣时, 再次发生突泥。

根据钻孔速度、卡钻现象、钻孔流出浆液和钻孔后出水量进行描述: (1) 1号孔 (ZK21+793—ZK21+763) 在5~7m处 (ZK21+788—ZK21+786) 突然推进然后有卡钻现象, 初步判断有空腔或者堆积体, 其他地段钻进速度慢, 冲洗液为黄色泥浆水, 地下水发育, 探孔后有大量涌水。初步判断该段岩层为泥质白云岩和泥质夹砂岩, 围岩节理裂隙发育, 岩体松散破碎, 全风化, 整体性差;偶有泥质填充和空腔。 (2) 2号孔 (ZK21+793—ZK21+763) 钻进过程中有卡钻现象, 钻进速度慢, 冲洗液为黄色泥浆水, 地下水发育, 探孔后有大量水流出。初步判断该段岩层为泥质白云岩和泥质夹砂岩, 围岩节理裂隙发育, 岩体松散破碎, 全风化, 整体性差;偶有泥质填充。 (3) 3号孔 (ZK21+793—ZK21+763) 偶有泥质填充, 6~8m处 (ZK21+788—ZK21+786) 突然推进然后有卡钻现象, 初步判断与1号孔相同。

TSP超前地质预报P波速三维结果表明:ZK21+790—ZK21+785区段左侧存在特殊地质体———富含水的松散破碎体或空腔;ZK21+766—ZK21+755段开挖界线外左侧存在特殊地质体———富含水的极破碎体。

杨林隧道处于岩溶发育区, 通过对前几次发生突泥、涌水情况的总结, 依据三维地质探测和超前钻孔探测, 创造性地发明并使用了隧道拱顶上部空腔围岩再造技术, 节约了施工成本, 加快了施工进度。在勘察设计过程中, 为防止隧道因突泥、涌水造成重大灾害, 应做好超前地质勘察工作, 加强地质选线和综合水文地质勘察, 充分利用勘察新技术为设计提供准确的地质资料。

本文通过对隧道突泥、涌水形成的坍塌情况利用围岩再造技术, 很好地解决了富水高压状态下的突泥口封堵问题, 使涌水突泥处治减少了后续投入, 缩短了处治时间, 也为施工人员提供了安全保障。提出了针对灾害隐患地段采用三维TSP与三维地质雷达超前预报相结合的方式, 对隧道前方周边围岩同时进行探测, 有效预知开挖过程中的突发情况, 预防了地质灾害的发生, 为今后类似工程提供重要技术支撑。