Treatment Measures for Water and Mud Inrush from High-speed Railway Tunnel
张利涛 ZHANG Li-tao
（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）
（The 3rd Engineering Co.，Ltd. of China Railway 12th Bureau Group，Taiyuan 030024，China）
摘要：针对某高速铁路隧道突发性突水突泥地质灾害的处理情况，采用反压回填石碴、封闭掌子面、增设临时支撑、超前注浆及径向注浆等综合手段，安全有效地处理这一突发险情，保证了隧道施工的正常进行，对今后类似条件的地下工程施工具有一定的借鉴意义。
Abstract: In view of the handling of sudden water and mud inrush geological disasters in a high-speed railway tunnel, it is safe and effective to use back-pressure backfilling stone slabs, closed face, additional temporary support, advanced grouting and radial grouting to handle this sudden danger, ensuring the normal operation of the tunnel construction, and it will have certain reference significance for the underground construction of similar conditions in the future.
关键词：隧道；突水突泥；处理措施
Key words: tunnel；water and mud inrush；treatment measures
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0178-03
0 引言
伴随着我国经济高速发展，尤其是高速铁路建设高潮的到来，也极大促进了我国隧道施工技术的提高，一个个高风险隧道的攻克，为高速铁路大面积建设提供了技术保障，本文就以我国西南地区某高铁复杂隧道施工为例，阐述了隧道突水冒泥施工在安全应对，快速推进过程中总结的经验教训，为后期同类型隧道施工提供借鉴。
1 工程概况
西南某高铁隧道位于桂林市灵川县，隧道全长6470m，是全线重点控制性工程之一，隧道地貌为中低山地貌，海拔高程186m～476m，相对高差接近300m，自然坡度5～35°，地形起伏大，冲沟较发育，坡陡沟深，坡面一般覆土较厚。D3K426+310～D3K426+605段发育有一王家逆断层，围岩破碎，断层破碎带宽60m，影响带宽100～200m。地下水以孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水为主，在节理裂隙带或断层破碎带附近地下水量较大，可能会遇到股状涌水。隧道地质条件较为复杂，存在顺层偏压、岩溶、断层等不良地质，施工难度较大。
2 事故应对措施
2.1 应对措施及发生经过
根据超前地质预报揭示，在掌子面前方约30m范围内，有集聚大量裂隙水，存在涌水风险，项目管理人员对于涌水风险进行了评估，采取了一系列应对措施，主要包括以下几个方面：
①加强已施工段的围岩量测，确保已施工段的安全稳定，避免突水冒泥给已施工部分造成较大影响。
②停止掌子面掘进，紧跟仰拱二衬，尽可能使仰拱二衬跟进到最短距离。
③采用潜孔钻进行超前30m钻孔，进行探水和减压工作。考虑到隧道属于顺坡排水，靠水流可以自动排出，未考虑增加其他抽排措施。
④对现场作业人员进行安全教育，进行应急演练，疏通排水设施，检查漏电保护器的涉电设备，确保出现突发情况，能够及时撤离，撤离中做到及时断电，防止电路短路，造成人员伤亡。
2010年1月8日上午8：00左右，掌子面在D3K426+477上台阶开挖时，左侧拱脚部位出现突水，水质浑浊，突水量由小变大，逐渐向拱部发展，最大时达300m3/h，突水中夹杂石块、泥块，突水现象一直持续。现场观察上台阶左侧拱脚处已经出现较大的空腔。按照应急演练要求，迅速将工人及时撤离到安全地带，并对隧道收敛进行观测。上午9：00左右发现上台阶左侧拱部D3K426+468、D3K426+471、D3K426+472出现3条环向裂缝，裂缝中有浑浊水流出，裂缝表面的喷射混凝土出现局部掉块；D3K426+467～D3K426+477段初期支护发生变形，经测量初期支护结构变形侵入净空最大达到52cm。
2.2 原因分析
①从地质原因来看，该段位于王家庄逆断层区域内，围岩为断层角砾，呈饱和状夹泥。该段隧道埋深50m左右，随着地表水的不断下渗补给，在断层内形成大量的溶腔水聚集，在开挖过程中，上台阶左侧围岩为强风化砂岩，开挖呈砂砾状，透水性较好；上台阶右侧为泥质砂岩夹页岩，给突水冒泥创造了条件。
②D3K426+477上台阶施工时，左侧拱脚部位出现突水，突水量由小变大，说明该区域附近有塌腔存在和持续水源补给，当水压力达到一定程度后，水伴随泥砂涌出。
③D3K426+467～D3K426+477初期支护发生变形，说明该段支护背后岩体已经伴随突水突泥发生整体扰动。
④从地表观测分析发现，该段地表有接近5cm的沉陷，说明该处已处于不稳定状态，随时都有冒顶坍塌的危险。
3 处理方案
结合现场情况，我们对方案进行优化和比选，如果按照常规方法待水流变小后进行加固处理，有可能会造成塌方冒顶的发生，且加固过程中，也很难保证施工人员的安全，经过比选，我们确定了采用如下施工方案确保施工过程人员的安全和防止隧道塌方冒顶事故的发生：①立即停止掌子面施工。②加固稳定后方支护结构。③考虑到该隧道为顺坡排水，水流量不足以都施工人员造成危害，我们采取加快二次衬砌跟进，对可能发生变形地段进行初期支护加固，防止事态的进一步恶化，同时也为作业人员提供较为安全的作业环境。④加密监控量测频率，以监控量测数据和分析结论指导施工。⑤迅速将未封闭成环的仰拱进行封闭，以减少变形。⑥采取TSP等综合手段对前方围岩地质进行超前预报，并据此制定相应的施工技术方案，之后恢复掌子面开挖掘进。⑦根据掌子面施工情况，结合围岩量测结果，采取可靠措施对变形区段进行处理。
3.1 封闭掌子面
险情发生后立即启动应急预案，在确保沉降数据收敛趋于稳定，不会出现塌方的情况下组织抢险，抢险从外到内逐步加强的方式进行掌子面封闭，采取措施如下：从洞外倒运石碴回填反压上中下台阶初期支护，防止拱架因围岩压力过大进一步发生收敛变形，然后在上台阶左拱脚埋设2根Ф250钢管引排水，减少涌水漫流对中下台阶围岩的浸泡，最后在确保安全的情况下，采用C25喷射混凝土封闭掌子面，厚度30cm～100cm，稳住掌子面不至于发生岩体垮塌。
3.2 对变形区增设刚性临时支撑
为防止后续注浆加固工序施工过程中初期支护进一步变形失稳而导致坍塌， 掌子面封闭完成后，在D3K426+466～D3K426+472段上台阶拱脚增设9榀卡口横梁，采用9根Ф250钢管，每根13.2m（见图1）；在D3K426+458～D3K426+460段中台阶拱脚增设3榀卡口横梁和斜撑，采用I20b工字钢3根，每根22.2m（见图2）。刚性横撑与初期支护钢拱架焊接牢固，形成一个整体共同受力。
3.3 掌子面和变形区段注浆堵水加固
在D3K426+477掌子面拱部150°范围打设?准42超前小导管，环向间距0.2m，每根长6m，另外在掌子面初期支护轮廓线内1m范围往大里程方向环向增设6m长?准42超前注浆小导管，环向间距1m，计20根，对掌子面前方围岩进行预注浆加固，形成一道止浆墙，防止正面突水冒泥。
由于初期支护外岩体已经蠕动松散，对D3K426+467～D3K426+477段拱墙打设?准42径向注浆小导管，注浆加固周边岩体，小导管长6m/根，纵、环向间距1m×1m，梅花形布置。
对所有?准42注浆小导管采用水泥水玻璃双浆液进行注浆，浆液配合比为水泥：水玻璃：水=1：0.67：1.22。注浆参数如表1所示。当观察初期支护表面不渗不漏时停止注浆，钻孔检查注浆效果，钻孔深度4m，钻孔个数均布且不少于3个，当所有钻孔内无明显渗水时作为不需要补充注浆的依据。为防止围岩压力水从仰拱或别的区段涌出，注浆完成后在拱部、边墙增设泄水孔进行引排。
3.4 仰拱封闭
为保证结构稳定，当注浆完成后，对未封闭的仰拱及时进行封闭。临时仰拱每次开挖2榀，开挖后及时封闭成环，仰拱及仰拱回填施工紧跟其后，每次浇注长度控制在5m左右，直至仰拱紧跟下台阶掌子面。当仰拱封闭后，拆除刚性横撑，恢复掌子面掘进。
3.5 掌子面恢复开挖掘进
为减少开挖后围岩暴露时间，并有利于抢险作业，采用三台阶七步流水法开挖施工，上台阶循环进尺按0.6m控制，同时上台阶高度比原来减少0.5m，喷锚时增加1台喷锚机，缩短上台阶施工循环作业时间。
为确保作业安全和整体结构稳定，将原设计环向间距为40cm的Φ42超前注浆小导管减小为20cm间距，将原设计的每榀I20b钢拱架每侧2根Φ22锁脚锚杆调增为每榀I20b拱架每侧4根Φ42锁脚锚管，将原设计Φ22环向间距为100cm的纵向连接筋减小为50cm以综合提高围岩的自稳能力和支护结构的整体性。
3.6 拱架拆换施工
根据监控量测结果，初期支护结构拱顶处下沉小于0.15mm/d（收敛小于0.2mm/d）时方可进行变形段拱架拆换作业。为确保安全，将需要换拱的段落前后的二次衬砌施工完后再进行换拱作业，工字钢拆换必须采用人工配合风镐逐榀进行，严禁爆破。以减少对初期支护结构的扰动，拆换后迅速进行喷砼封闭。拆换后的工字钢在连接脚板位置增设2根Φ42锁脚锚管，锚管长4m，和工字钢焊接成整体。
3.7 监控量测
监控量测是指导施工的依据，险情发生后在D3K426+470处布设观测点进行观测，其数据如图3、图4所示。
通过对以上监测数据分析可以判明，截止2月9日该断面已趋于稳定。
4 结论
①对突发事故的处理能反映出一个施工单位的施工水平和应急处置能力，对此次突泥突水的成功处置得益于科学有效的应急预案。在不良地质隧道施工中应根据地质特点进行风险评估和风险源识别，并制定相应的应急预案，这样才能在事故发生时快速反应，减少损失降低灾害程度。
②本次突水突泥发生前并没有明显的征兆，一旦发生时其发展速度很快，所以在今后的施工过程中，一定要加强超前地质预报工作，采用多种手段综合预报，力求对前方围岩有比较准确的了解和判断，并且超前预报的范围尽可能要大，根据超前预报的结果制定相应的施工方案，谨防可能发生的地质灾害。
③对于地质变化较大的软弱围岩隧道施工，要求施工人员必须具备较高的应变协调能力，能根据地质变化情况及时调整施工方案，灵活处理，提高针对性；任何施工方法不是万能的，只有施工方案、方法及施工工艺与地质围岩情况相匹配了才能确保施工安全和质量。
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