论文部分内容阅读
【摘要】文章介绍了映卧公路南华隧道施工过程中揭露泥石流沟堆积体的情况，根据泥石流堆积体的地质特征，结合隧道的施工需求，制定了隔水墙方案保证影响段以外区域的正常施工，采用了大刚度超前支护保证开挖安全，采用了结构周边注浆堵水、墙背分区防水、限压排水等措施确保结构防排水的有效性，采用了抗水压衬砌保证高水头条件下的结构安全，这些综合处治技术的应用使得隧道安全顺利地穿越了泥石流沟段。
【关键词】隧道; 泥石流堆积体; 综合处治技术
【中国分类号】U455.49【文献标志码】A
泥石流是指在山区或者沟谷深壑地区，由暴雨、融雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙和石块的特殊洪流。泥石流堆积体一般由细粒物质和粗粒物质两种成分组成。泥石流堆积体的性质不同，其细、粗颗粒的空间排列状态也不同。泥石流堆积体可以分为前进前积式、后退上叠式与沟谷侧积式3种。
G350映秀至卧龙段公路是九环线映秀至四姑娘山旅游公路的重要组成部分，项目起于四川阿坝州汶川县映秀镇，经耿达，止于卧龙，向西延伸穿越巴朗山，可至四姑娘山和千碉之国丹巴。路线沿岷江支流渔子溪布设，为典型高山峡谷地形，河谷深切，谷坡陡峻，相对高差1 000 m左右，坡度一般为50～70 °，均为V形河谷。公路位于“5·12”汶川大地震的极重灾区，映秀至耿达段（长约20 km）距离震中3～7 km，该段约90 %的道路被严重掩埋或损毁，原路基本无法利用。地震引发了泥石流、崩塌及滑坡等一系列次生灾害，根据前期开展的地灾评估报告的结论，在本路段约20 km的范围内，分布了大小崩塌35处，泥石流39处。由于沿线地灾几乎连片发育，规模庞大，造成了地形的巨大变迁。
1 南华隧道施工揭露泥石流沟堆积体情况
南华隧道位于映卧公路地质灾害最严重的段落，隧道长4 977 m，为傍山隧道，平面大致沿渔子溪走向布置。隧道下穿了瓦斯沟、肖家沟、蟹子沟等7条大中型泥石流沟，其中可能对隧道方案造成重大影响的首推肖家沟。该沟主沟长3.46 km，平均纵坡降426 ‰，沟内有5条较大的支沟发育，呈“V”字形沟谷，流域平均宽度2.1 km，流域面积约7 km2，两侧出露岩层为花岗岩，沟内水流量大。该沟位于渔子溪左岸，为一老泥石流沟，活动期次在三期以上，属特大型泥石流沟。在震后的一次暴雨中，肖家沟爆发的泥石流扇体前缘宽度达到350 m，扇体长度150 m，平均厚度15 m左右，河床抬高近31 m形成堰塞湖，堆积方量约35×104 m3，后缘堆积体厚度约50～80 m。经测算，沟内仍还有约357×104 m3地震堆积物。
隧道下穿肖家沟段最小埋深约86 m，勘察阶段在沟内布置了一个钻孔，由于沟内泥石流堆积体多为坚硬的大块石，架空现象严重，且工作区飞石频发，施工风险极高，钻孔深至36 m便无法继续实施。根据地质调查成果，推测沟心处堆积体厚度约60 m。
隧道纵坡为单向坡，在距肖家沟约500 m的高侧设置了逃生通道兼作施工通道，下坡掘进至主洞后分别向上下游同时施工主洞。下游掌子面开挖至肖家沟范围后拱顶揭露泥石流堆积体，主要为漂、块石夹泥，地下水呈细股状流出，后续开挖发现掌子面堆积体范围迅速扩大，很快引发坍方以至冒顶（图1、图2）。
2 泥石流堆积体处治方案
2.1 补充地质勘察
为了摸清泥石流堆积体的发育范围，在掌子面上、下台阶各布置了一个水平钻孔，由于孔周为崩积、洪积及泥石流混合堆积的块、碎石夹少量卵石，钻具反复多次无法钻至孔底，套管也没法跟进，钻进难度极大，仅钻进了约30 m。钻孔初步查明掌子面前方整个隧道断面均为堆积体，结合TSP超前地质预报资料，预计长度约70 m。
2.2 开挖支护措施
地层以块、碎石为主，架空严重，且受地下水长期冲刷，所以隧道开挖的难点在于保证拱部和掌子面岩土体的临时稳定性。
经技术方案比选，确定采用三台阶预留核心土法施工，既能实现短台阶，快封闭的目标，也能利用核心土保证掌子面的稳定。由于核心土为松散块石，自稳性极差，不利于施工操作，故表面采用喷C20混凝土封闭。
超前支护是保障拱部岩土体稳定的关键措施。由于泥石流堆积体成孔困难，松散压力大，需要超前支护能打得进去，还能撑得起来。设计选用了单层76 mm自进式锚杆+单层42 mm小导管的组合形式。76 mm自进式锚杆每循环长度10 m，搭接2 m，环向间距40 cm，其自带鉆头，施作方便，刚度够大，能抵御大块石的巨大压力;42 mm小导管每循环长度4.5 m，环向间距40 cm，搭接1.5 m，在自进式锚杆的间隙施作，注浆固结后可防范细碎颗粒的漏失，保证拱背岩土体的原始级配，利于土拱的形成。
隧道冒顶后，洞顶地层原始结构破坏，洞周松散压力大增;地表泥石流沟常年流水，雨季水量暴涨，泥石流堆积体内架空现象普遍，地表水下渗形成深部潜流。为了抵抗松散地层和地下水共同作用产生的巨大压力，设计通过计算拟定了抗水压衬砌参数。计算荷载取为80 m土压力+水压力，其中水压力折减系数选定为0.7。结构采用双层初支+钢筋混凝土二衬的组合形式，具体参数见表1。
为了改良洞周土体，促进土拱的形成，同时适当封堵地下水的渗流路径，现场在穿越堆积体段实施了开挖后注浆措施，加固圈为开挖轮廓线外6 m，注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆（占比60 %）和纯水泥浆（占比40 %）组合，先压注快速凝固的水泥、水玻璃双液浆封堵较大的空洞，再压注纯水泥浆填充微小空隙。
2.3 防排水措施
由于雨季沟内水量暴增，水压迅速上升，若采用常规的以排为主的策略，洞内排水系统可能难以承受。另外，长期大量排泄堆积体内的地下水，也容易造成细颗粒的大量漏失，进而引发上方地层失稳。故下穿泥石流沟段的防排水总体设计原则为“以堵为主，堵排结合，综合防治”。具体措施为： （1）开挖后注浆堵水（见本文2.2节）。
（2）分区防水：在下穿泥石流沟段起止点各设一环型厚止水橡胶垫（宽1 m，厚2 cm，设于初支与二衬之间），阻隔高压地下水向上、下游衬砌内渗流。
（3）全包防水：下穿泥石流沟段二衬背后设置全封闭柔性防水层，为了防范高压水从薄弱点渗入后在二衬背后串流，在防水层内加密设置纵、横向盲沟排水管，可将渗入的地下水引入中央水沟。
（4）三缝防水：施工缝是防渗漏的关键环节，由于二衬厚度较大，采用了外贴式橡胶止水带+中埋式钢边橡胶止水带+止水条组合而成的三重防水措施。
（5）为了避免极端情况下衬砌背后的地下水压力超过设计容许值，对结构造成破坏，结构左右侧各预埋了两根83 mm无缝钢管，一端伸至结构外缘，一端接引至中央水沟检查井中，并在出口设置安全阀泄水装置。安全阀开启的压力设定值为0.5 MPa，一旦结构周围水压超过该值，安全阀就会自动开启，排泄地下水以降低水压（图3）。
3 施工工艺
由于掌子面为松散块石土，稳定性极差，故采用三臺阶法施工工艺（预留核心土）。该工艺要求短台阶，各工序迅速轮转，初支快速封闭。现场各工序的衔接磨合完善后，能保证在距离掌子面约20 m处完成初支封闭。核心土受地下水的影响，表面湿滑，自稳差，表面采用喷C20混凝土封闭，既能提供一定的临时稳定性，也利于工人的现场施工操作。
4 临时挡水墙工程
南华隧道下穿肖家沟泥石流堆积体段长约100 m，至4月初开挖接近半程，此时工地现场进入雨季，受山上融雪及降雨影响，肖家沟内水量持续增大，洞内涌水量预估涌达1 070 m3/h，远大于抽水能力，导致下游掌子面停工。洞内积水水位持续增加，淹没了下游掌子面，并不断向上游蔓延。下游掌子面与施工横洞处高差约17 m，横洞洞口又高于主洞，随着后期降水的持续增加，横洞面临被淹没风险，进而导致上游掌子面也停工。若大量增加抽排水设备，并持续抽排洞内积水以保证上游掌子面继续施工，代价高昂。为此，现场决定在掌子面附近设置挡水墙封闭隧道下游段。
挡水墙设计考虑的因素包括：①挡水墙应设置在靠近掌子面，且地质情况相对较好的段落;②掌子面涌水量大，排水成本高;③由于雨季临近，挡水墙应尽快实施;④挡水墙为临时设施，应易于施作，且便于拆除。综合考虑了以上因素后，确定在K5+270处实施挡水墙，采用厚1.5 m C25素混凝土，分别在左右侧1/3洞跨处设置一条竖向梯形肋，宽1.5 m，顶厚1.5 m，底厚2.6 m。根据验算，该墙可抵抗约35 m水头压力。K5+270处与横洞口标高差值约为28 m，挡水墙实施时，在其下部预埋3根110 mm钢管，并接引至横洞洞口外标高低于洞口约10 m处，当墙背水压达到0.3 MPa左右时，管内水流将漫过管道最高点，形成虹吸效应，自动排泄墙背地下水泄压。
临时挡水墙修筑完成后，下游来水被截断，雨季期间上游掌子面实现了正常施工。10月底雨季结束后，临时挡水墙的使命顺利完成，被爆破拆除。按照既定的处治方案，隧道剩余段落在冬季枯水期得以安全实施。
5 结束语
映卧公路南华隧道施工期间遭遇的泥石流堆积体埋深大、结构松散、地下水丰富，处治难度极高。综合采用大刚度超前支护、周边注浆堵水、墙背分区防水、限压排水、抗水压衬砌及临时挡水墙等措施后，隧道安全顺利地穿越了泥石流沟段。近几年的运营状态显示，该段隧道结构稳定，防排水系统运转有效，综合处治措施效果非常理想。
参考文献
[1] 张宇，万晓燕，陈礼伟.圆梁山隧道溶洞地段抗水压衬砌结构试验分析[J].中国铁道科学，2006，27（4）：62-67.
[2] 陈五二.基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计[J].铁道工程学报，2007，106（7）：67-75.
[3] 和万春.径向和帷幕注浆与抗水压衬砌综合技术在老东山隧道中应用[J].铁道建筑技术， 2010（1）：93-98.
[4] 李天斌，刘梁，陈国庆，隧道穿越泥石流堆积体的数值模拟及优化处治[J].工程地质学报，2015，23（4）：712-718.
【关键词】隧道; 泥石流堆积体; 综合处治技术
【中国分类号】U455.49【文献标志码】A
泥石流是指在山区或者沟谷深壑地区，由暴雨、融雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙和石块的特殊洪流。泥石流堆积体一般由细粒物质和粗粒物质两种成分组成。泥石流堆积体的性质不同，其细、粗颗粒的空间排列状态也不同。泥石流堆积体可以分为前进前积式、后退上叠式与沟谷侧积式3种。
G350映秀至卧龙段公路是九环线映秀至四姑娘山旅游公路的重要组成部分，项目起于四川阿坝州汶川县映秀镇，经耿达，止于卧龙，向西延伸穿越巴朗山，可至四姑娘山和千碉之国丹巴。路线沿岷江支流渔子溪布设，为典型高山峡谷地形，河谷深切，谷坡陡峻，相对高差1 000 m左右，坡度一般为50～70 °，均为V形河谷。公路位于“5·12”汶川大地震的极重灾区，映秀至耿达段（长约20 km）距离震中3～7 km，该段约90 %的道路被严重掩埋或损毁，原路基本无法利用。地震引发了泥石流、崩塌及滑坡等一系列次生灾害，根据前期开展的地灾评估报告的结论，在本路段约20 km的范围内，分布了大小崩塌35处，泥石流39处。由于沿线地灾几乎连片发育，规模庞大，造成了地形的巨大变迁。
1 南华隧道施工揭露泥石流沟堆积体情况
南华隧道位于映卧公路地质灾害最严重的段落，隧道长4 977 m，为傍山隧道，平面大致沿渔子溪走向布置。隧道下穿了瓦斯沟、肖家沟、蟹子沟等7条大中型泥石流沟，其中可能对隧道方案造成重大影响的首推肖家沟。该沟主沟长3.46 km，平均纵坡降426 ‰，沟内有5条较大的支沟发育，呈“V”字形沟谷，流域平均宽度2.1 km，流域面积约7 km2，两侧出露岩层为花岗岩，沟内水流量大。该沟位于渔子溪左岸，为一老泥石流沟，活动期次在三期以上，属特大型泥石流沟。在震后的一次暴雨中，肖家沟爆发的泥石流扇体前缘宽度达到350 m，扇体长度150 m，平均厚度15 m左右，河床抬高近31 m形成堰塞湖，堆积方量约35×104 m3，后缘堆积体厚度约50～80 m。经测算，沟内仍还有约357×104 m3地震堆积物。
隧道下穿肖家沟段最小埋深约86 m，勘察阶段在沟内布置了一个钻孔，由于沟内泥石流堆积体多为坚硬的大块石，架空现象严重，且工作区飞石频发，施工风险极高，钻孔深至36 m便无法继续实施。根据地质调查成果，推测沟心处堆积体厚度约60 m。
隧道纵坡为单向坡，在距肖家沟约500 m的高侧设置了逃生通道兼作施工通道，下坡掘进至主洞后分别向上下游同时施工主洞。下游掌子面开挖至肖家沟范围后拱顶揭露泥石流堆积体，主要为漂、块石夹泥，地下水呈细股状流出，后续开挖发现掌子面堆积体范围迅速扩大，很快引发坍方以至冒顶（图1、图2）。
2 泥石流堆积体处治方案
2.1 补充地质勘察
为了摸清泥石流堆积体的发育范围，在掌子面上、下台阶各布置了一个水平钻孔，由于孔周为崩积、洪积及泥石流混合堆积的块、碎石夹少量卵石，钻具反复多次无法钻至孔底，套管也没法跟进，钻进难度极大，仅钻进了约30 m。钻孔初步查明掌子面前方整个隧道断面均为堆积体，结合TSP超前地质预报资料，预计长度约70 m。
2.2 开挖支护措施
地层以块、碎石为主，架空严重，且受地下水长期冲刷，所以隧道开挖的难点在于保证拱部和掌子面岩土体的临时稳定性。
经技术方案比选，确定采用三台阶预留核心土法施工，既能实现短台阶，快封闭的目标，也能利用核心土保证掌子面的稳定。由于核心土为松散块石，自稳性极差，不利于施工操作，故表面采用喷C20混凝土封闭。
超前支护是保障拱部岩土体稳定的关键措施。由于泥石流堆积体成孔困难，松散压力大，需要超前支护能打得进去，还能撑得起来。设计选用了单层76 mm自进式锚杆+单层42 mm小导管的组合形式。76 mm自进式锚杆每循环长度10 m，搭接2 m，环向间距40 cm，其自带鉆头，施作方便，刚度够大，能抵御大块石的巨大压力;42 mm小导管每循环长度4.5 m，环向间距40 cm，搭接1.5 m，在自进式锚杆的间隙施作，注浆固结后可防范细碎颗粒的漏失，保证拱背岩土体的原始级配，利于土拱的形成。
隧道冒顶后，洞顶地层原始结构破坏，洞周松散压力大增;地表泥石流沟常年流水，雨季水量暴涨，泥石流堆积体内架空现象普遍，地表水下渗形成深部潜流。为了抵抗松散地层和地下水共同作用产生的巨大压力，设计通过计算拟定了抗水压衬砌参数。计算荷载取为80 m土压力+水压力，其中水压力折减系数选定为0.7。结构采用双层初支+钢筋混凝土二衬的组合形式，具体参数见表1。
为了改良洞周土体，促进土拱的形成，同时适当封堵地下水的渗流路径，现场在穿越堆积体段实施了开挖后注浆措施，加固圈为开挖轮廓线外6 m，注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆（占比60 %）和纯水泥浆（占比40 %）组合，先压注快速凝固的水泥、水玻璃双液浆封堵较大的空洞，再压注纯水泥浆填充微小空隙。
2.3 防排水措施
由于雨季沟内水量暴增，水压迅速上升，若采用常规的以排为主的策略，洞内排水系统可能难以承受。另外，长期大量排泄堆积体内的地下水，也容易造成细颗粒的大量漏失，进而引发上方地层失稳。故下穿泥石流沟段的防排水总体设计原则为“以堵为主，堵排结合，综合防治”。具体措施为： （1）开挖后注浆堵水（见本文2.2节）。
（2）分区防水：在下穿泥石流沟段起止点各设一环型厚止水橡胶垫（宽1 m，厚2 cm，设于初支与二衬之间），阻隔高压地下水向上、下游衬砌内渗流。
（3）全包防水：下穿泥石流沟段二衬背后设置全封闭柔性防水层，为了防范高压水从薄弱点渗入后在二衬背后串流，在防水层内加密设置纵、横向盲沟排水管，可将渗入的地下水引入中央水沟。
（4）三缝防水：施工缝是防渗漏的关键环节，由于二衬厚度较大，采用了外贴式橡胶止水带+中埋式钢边橡胶止水带+止水条组合而成的三重防水措施。
（5）为了避免极端情况下衬砌背后的地下水压力超过设计容许值，对结构造成破坏，结构左右侧各预埋了两根83 mm无缝钢管，一端伸至结构外缘，一端接引至中央水沟检查井中，并在出口设置安全阀泄水装置。安全阀开启的压力设定值为0.5 MPa，一旦结构周围水压超过该值，安全阀就会自动开启，排泄地下水以降低水压（图3）。
3 施工工艺
由于掌子面为松散块石土，稳定性极差，故采用三臺阶法施工工艺（预留核心土）。该工艺要求短台阶，各工序迅速轮转，初支快速封闭。现场各工序的衔接磨合完善后，能保证在距离掌子面约20 m处完成初支封闭。核心土受地下水的影响，表面湿滑，自稳差，表面采用喷C20混凝土封闭，既能提供一定的临时稳定性，也利于工人的现场施工操作。
4 临时挡水墙工程
南华隧道下穿肖家沟泥石流堆积体段长约100 m，至4月初开挖接近半程，此时工地现场进入雨季，受山上融雪及降雨影响，肖家沟内水量持续增大，洞内涌水量预估涌达1 070 m3/h，远大于抽水能力，导致下游掌子面停工。洞内积水水位持续增加，淹没了下游掌子面，并不断向上游蔓延。下游掌子面与施工横洞处高差约17 m，横洞洞口又高于主洞，随着后期降水的持续增加，横洞面临被淹没风险，进而导致上游掌子面也停工。若大量增加抽排水设备，并持续抽排洞内积水以保证上游掌子面继续施工，代价高昂。为此，现场决定在掌子面附近设置挡水墙封闭隧道下游段。
挡水墙设计考虑的因素包括：①挡水墙应设置在靠近掌子面，且地质情况相对较好的段落;②掌子面涌水量大，排水成本高;③由于雨季临近，挡水墙应尽快实施;④挡水墙为临时设施，应易于施作，且便于拆除。综合考虑了以上因素后，确定在K5+270处实施挡水墙，采用厚1.5 m C25素混凝土，分别在左右侧1/3洞跨处设置一条竖向梯形肋，宽1.5 m，顶厚1.5 m，底厚2.6 m。根据验算，该墙可抵抗约35 m水头压力。K5+270处与横洞口标高差值约为28 m，挡水墙实施时，在其下部预埋3根110 mm钢管，并接引至横洞洞口外标高低于洞口约10 m处，当墙背水压达到0.3 MPa左右时，管内水流将漫过管道最高点，形成虹吸效应，自动排泄墙背地下水泄压。
临时挡水墙修筑完成后，下游来水被截断，雨季期间上游掌子面实现了正常施工。10月底雨季结束后，临时挡水墙的使命顺利完成，被爆破拆除。按照既定的处治方案，隧道剩余段落在冬季枯水期得以安全实施。
5 结束语
映卧公路南华隧道施工期间遭遇的泥石流堆积体埋深大、结构松散、地下水丰富，处治难度极高。综合采用大刚度超前支护、周边注浆堵水、墙背分区防水、限压排水、抗水压衬砌及临时挡水墙等措施后，隧道安全顺利地穿越了泥石流沟段。近几年的运营状态显示，该段隧道结构稳定，防排水系统运转有效，综合处治措施效果非常理想。
参考文献
[1] 张宇，万晓燕，陈礼伟.圆梁山隧道溶洞地段抗水压衬砌结构试验分析[J].中国铁道科学，2006，27（4）：62-67.
[2] 陈五二.基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计[J].铁道工程学报，2007，106（7）：67-75.
[3] 和万春.径向和帷幕注浆与抗水压衬砌综合技术在老东山隧道中应用[J].铁道建筑技术， 2010（1）：93-98.
[4] 李天斌，刘梁，陈国庆，隧道穿越泥石流堆积体的数值模拟及优化处治[J].工程地质学报，2015，23（4）：712-718.