郭海坡

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，将国内水资源丰富地区的水资源，引入贫水地区，滋润灌溉农田，以供提高国内农业产值，特别是治理沙漠等。但引水工程有太多的技术难点，砂化白云岩是一种特殊不良地质，地下水位以下的洞段极易发生坍塌、涌砂及突水涌砂突泥等不良地质问题[1-3]。

针对白云岩砂化问题，国内外学者已经进行了大量的研究。冯卫等[4]研究表明白云岩整体均匀性溶蚀特点是造成白云岩岩溶砂化的重要原因，认为其发育的主要因素涉及岩性、岩体结构、地下水及其运动特征等。罗昊等[5-6]通过计算、数值模拟和工程实践方法，研究了隧道白云岩砂化段帷幕注浆处理技术的4 种关键影响因子，即注浆压力、注浆材料、注浆厚度和注浆工艺。田文启等[7-8]研究了白云岩砂化对地下洞室和山坡稳定性的重要影响，实地查明白云岩砂化特征是针对性采取治理措施的基础。梁驽堂[9]研究表明贵阳地区泥质白云岩受水浸泡后强度迅速降低，地基承载力明显下降。王朋朋等[10]以贵州省5 座隧道为研究对象，分析了泥质白云岩砂化对隧道稳定性的影响，并提出了围岩加固方法。郭建强等[11]采用无压浸泡、干湿循环与露天放置等试验方法，研究了泥质白云岩物理力学特性变化规律。

本文以滇中引水工程小扑某隧洞工程为例，分析了工程地质情况，提出了白云岩砂化问题的解决措施和方法，为类似工程提供了可靠经验。

1 工程地质情况

小扑隧洞位于云南省昆明市晋宁区和江川区，是西南地区最大的白云岩砂化隧洞，线路跨越两市两区四镇十六村，隧洞全长32.1km，下穿或邻近下穿5 个水库、2 大暗河，穿越16 处浅埋暗挖地层，穿越砂岩、泥岩、白云岩（灰岩）、板岩4 种地层，穿越4 条富水岩组或地表水体的规模较大的断层带，4 处有毒有害气体地段，15 处软弱围岩变形段。隧洞围岩变化频繁，软强不均，白云岩剧烈砂化，成洞条件极差，易出现垮塌、冒顶。小扑隧洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位高出隧洞顶板一般都在20～100m，最高达235m，地下水对隧洞围岩稳定及施工影响较大。主洞净空断面尺寸为4.582m×4.582m，开挖为城门洞型，衬砌为马蹄型。

小扑隧洞2#支洞进主洞上游围岩为白云岩剧烈砂化段，地层岩性以震旦纪灯影组（Zbdn）白云岩、砂质白云岩为主，碎裂散体结构，洞身岩体砂化剧烈~强烈，地下水位高于隧洞顶板约92.7m，主洞埋设约160m，该段涌水点多，涌水量大，平均15L/（s·10m）。岩体透水性弱~中等。断层带、破碎白云岩等为不良地质体，极易产生涌水、涌砂和变形，约占150%，地质纵剖面如图1 所示，地质平面如图2 所示。

图1 地质纵剖面

图2 地质平面

2 白云岩砂化段的超前探测

实施“115360”统析法，第一个“1”指1km 范围内；地表情况及地质构造；第二个“1”指100mTSP 地质预报；“5”代表50m 红外线探水；“3”代表30m 超前地质钻；“6”代表6m 加深炮孔；“0”指掌子面素描。地表使用无人机航拍，对周边泉眼、池塘等水位进行监测，洞内施作综合超前地质预报，物探、红外探水、超前水平探孔、加深炮孔、掌子面素描等综合分析，提前探明地质情况，指导现场施工。根据TRT 超前地质预报成果分析报告，得出上游面YX6+775.2—YX6+745.2 段，地震反射为以负反射为主的团状反射，为强烈砂化白云岩，岩体破碎，存在坍塌变形风险，洞壁渗水，存在股状出水，存在涌水风险，隧洞围岩极不稳定，建议围岩类型为Ⅴ类；项目在得到地质预报结果后，于2020 年10 月12日在掌子面里程YX06+763.2 位置，按照设计意见，采用超前地质钻机布设30m 长3 个探测孔。当探孔钻至17.3m 时，发现该处为富水白云岩剧烈砂化断层带，立即报告监理、设计、业主单位，制定解决方案。

2.1 白云岩剧烈砂化段溜塌情况

2020 年10 月21 日，在YX06+747—YX06+745.8（上游进主洞30m 位置）段喷浆支护时发生了涌水涌砂，掌子面左侧起拱线至正拱顶被涌水冲刷，伴有细砂状岩体涌出。涌水涌砂造成左侧起拱线下方至拱顶环向长4.5m，高9m，沿隧洞轴线方向8～10m 的溜塌，该处隧洞埋深约160m。施工现场立即按照既定方案将掌子面反压封堵，防止上游掌子面涌水涌砂造成的溜塌面积随时间持续变大，确保施工安全。

2.2 溜塌空洞段原因分析

溜塌空腔位置围岩构造为震旦纪灯影组（Zbdn）厚层白云岩，软弱岩，强烈砂化~剧烈砂化；裂隙发育，地下水活动强烈，出水量约为15L/（s·10m）。岩体破碎富水，加上开挖扰动，造成隧洞掌子面YX06+747—YX06+745.8 拱部左侧突水涌砂。

2.3 注浆加固施工重难点分析

2.3.1 成孔难度大

本次加固范围为白云沙化岩层、砂质白云岩，碎裂散体结构，含水破碎带，在钻孔过程中塌孔、抱钻现象严重，地层成孔难度大。

2.3.2 地层可注性差

本段加固地层砂化严重，地层密实，裂隙细小，普通高压注浆泵（16MPa）难以注进，注浆量小，满足不了施工需求，需要采用超高压注浆泵（33MPa），对地层进行劈裂，进行高压挤密，从而稳固地层，保证注浆效果。

2.3.3 钻孔过程中遇到间歇性流沙、石

由于地层洞身岩体砂化剧烈，含水破碎带、破碎白云岩等为特殊不良地质体，极易产生涌水、涌沙及变形。

3 白云岩剧烈砂化段溜塌应急措施

根据隧道开挖揭示的工程地质和水文情况，对本段隧道施工的风险及重点进行分析。隧道地质复杂，水量丰富，且水力通道联通性好，一旦开挖打开水力通道，必将产生大量涌水涌砂，造成施工无法正常推进；此段隧道含水破碎带、可溶岩层密布，岩性有白云岩、砂质白云岩等，呈碎裂散体结构，遇水极易软化，是水力流通的主要通道，所以开挖涌水，很容易伴随着涌砂涌泥，掏空地层，危及隧道结构和掌子面的稳定和安全。因此，必须采取有效措施，切断开挖区范围内的水力通道，同时提高破碎带和可溶岩层的稳定性，降低涌泥涌砂风险。具体措施如下。

（1）选用透水性较好的洞渣并加入片块石及堆码沙袋防止突泥；在紧靠掌子面的位置堆砌成一道反压墙确保塌方体的沙土不流失，造成大面积垮塌。

（2）在堆砌的墙面采用C20 网喷混凝土封闭，喷混凝土厚20cm，φ8 钢筋网（@200×200mm）。

（3）洞内坡面防护完成后，对洞内溜塌、回填土体进行注浆加固，采用φ42 钢花管注浆，长4.5m，钢花管间距1.5m×1.5m，梅花型布置，采用水泥浆液，截至目前已回填注浆53m3，拱部回填固结高度约1.5m。

（4）当掌子面发生突水涌砂溜塌后，立即对掌子面附近布设监控量测点，监控围岩的稳定性，现场围岩基本稳定，针对险情处理过程中，提高监测频率，每天2次，密切关注并分析监测数据。

4 处理措施

4.1 回填施工

在监控量测结果数据稳定后，再对掌子面使用C30混凝土施工厚1.0m 的止浆墙，止浆墙自起拱线处施工至顶拱，待止浆墙施工完成后采用C30 混凝土对塌腔进行回填如图3 所示。

图3 止浆墙施工

4.2 固结灌浆施工

（1）止浆墙混凝土达到设计强度后，进行固结灌浆施工，潜孔钻机钻孔深20m，YT-28 型气腿式凿岩机在拱部仰角5°~10°，钻孔深5.5m，孔距1.0m×1.0m，梅花型布置，钻孔布置如图4 所示。

图4 固结灌浆孔布置图（单位：mm）

（2）采用水泥加水玻璃双液注浆，水泥浆液水灰比为1:0.5~1:1。水泥浆、水玻璃质量比为1:1，灌浆工作结束后，应及时采用M20 砂浆封堵注浆孔，防止浆液流失。

4.3 排水释压

对掌子面后20m 范围内边墙部位施作5m 深的排水孔，间距1.5m×1.5m，梅花型布置，将作业面出水引排至后方泄流，减少涌水掌子面破碎散装岩体的冲刷，减少掌子面的溜塌发生。

4.4 超前大管棚施工

（1）在拱部回填注浆达到标准要求后，对突水涌砂空腔洞段开挖轮廓线扩大0.8m 范围施作超前大管棚。

（2）超长大管棚：长度平均15m 花管，花管末端4.0m 范围内不钻溢流孔，钢管大管棚采用φ108mm，壁厚6mm 的热轧无缝钢管，节长分别为3~6m。塌腔范围内管棚间距按15cm 间距布置，扩大范围管棚间距40cm间距布置，外插角3°。水泥浆水灰比1:1，水泥浆与水玻璃体积比为1:1（或1:0.5），注浆压力大于1.5MPa。

4.5 开挖、支护施工

（1）开挖施工，经专家论证后，采用上下台阶预留核心土法开挖，台阶长度3～5m，上下台阶法开挖主要采用人工配合挖掘机、破碎锤开挖，局部完整性硬岩采用弱爆破、较软岩采用欲裂爆破，以减少爆破对作业面的扰动。且循环进尺控制为0.6m。根据隧洞监控量测数据确定，采用台阶法施工。

（2）支护施工，拱部施作φ42 注浆小导管，小导管采用φ42mm×3.5mm 热轧无缝钢管加工制成，每根长4.5m，水平搭接长度为1.5m，环向间距30cm，纵向间距为3m，每环32 根，注浆采用水泥浆液注浆，水灰比1:1～1:0.5，注浆压力为0.3MPa～0.5MPa。砂浆锚杆采用3.0m 长C25 螺纹钢，梅花形布置，环向间距2.0m，纵向间距为0.6m；采用I20 型钢钢支撑，间距0.6m/榀。

5 结语

在白云岩砂化隧洞施工中极易发生坍塌、涌沙、涌水等不良地质问题，施工中应遵循“预防为主，综合治理”的原则，严格做好超前地质预报“115360”统析法，提前探明地表及掌子面前方地质情况。开挖中加强小导管超前支护，必要时通过小导管进行补充注浆作业。中导及时跟进，避免暴露时间过长，引起地层失稳；如有局部掉块渗水有必要时进行小导管补充注浆。及时进行开挖后的初值背后回填注浆，提高地层稳定性和密实度，避免蠕变地层松驰，进而诱发裂隙出水。加强施工监测，根据监测成果及时调整工法和支护参数。针对白云岩砂化工程施工，通过采用回填施工、固结灌浆施工、排水释压、超前大管棚施工等方法达到阻止突水突泥等地质灾害发生的目的，防止施工过程事故的发生，为顺利施工提供了条件。