A study on difficulties in constructing complex tunnels in Yuxi-Mohan Section of China-Laos Railway
琚国全
高级工程师，中铁二院工程集团有限责任公司玉磨铁路配合施工项目部副经理
中老铁路玉磨段位处云南省南部，隧线比大，隧道地质构造复杂。隧道施工过程中各种地质灾害频发，尤其以前震旦系富水砂岩、板岩涌突问题最为突出。本文旨在对中老铁路新平隧道施工过程中的涌突问题进行探讨，归类总结了造成砂板岩隧道涌突的五种地质环境、三种机理及影响因素。通过采取合理的超前预加固措施及施工工艺，在玉磨铁路工程建设中突水突泥灾害得到成功预防，为今后类似项目的建设提供参考与借鉴。
In the Yuxi-Mohan Section of China-Laos Railway, located in the south of Yunnan Province, the combined length of the tunnels, featuring complex geological structure, accounts for a large proportion. Various geological disasters, especially the inrush of pre-Sinian water-rich sandstone and slate, occur frequently during tunnel construction. This paper discusses the challenge of inrush in building Xinping Tunnel of China-Laos Railway, and summarizes five geological environments, three mechanisms and influencing factors that cause the inrush of sandstone and slate in the tunnel. Reasonable advance reinforcement measures and construction technology have been successfully applied to prevent water and mud inrush disasters in the construction of Yuxi-Mohan Railway project, which can provide reference for the construction of similar projects in the future.
一、引言
玉磨铁路为中老铁路国内段，北起昆玉铁路玉溪站，经玉溪市、普洱市、西双版纳傣族自治州，至中老边境磨憨站，设计行车速度160km/h，正线全长508.53km。玉磨铁路在中老边境的磨憨口岸出境后，与中老铁路磨万段相接，经老挝的琅勃拉邦省，到老挝首都万象。远期规划通过万象-曼谷铁路连接泰国铁路网，与马来西亚、新加坡相通，形成拟议泛亚铁路中通道。玉磨铁路是服务“一带一路”倡议的重大基础设施项目。同时，玉磨铁路能够促进云南省经济社会发展和沿边少数民族地区开发开放。2019年，习近平总书记批示“要把中老铁路建成‘一带一路’、中老友谊的标志性工程”。
中老铁路玉磨段位于横断山区哀牢山纵谷地带，地形起伏大，长大隧道多，隧线比大，隧道总长395.2km，占比77.7%。本线地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带附近，属中国著名滇西南地震带，地震烈度高，深大活动断裂发育，水热活动强烈，地质构造极为复杂。玉溪至元江长约100km线路与扬武-青龙厂断裂带傍行，元江至磨憨段穿越哀牢山、无量山、澜沧江断裂带，受多期次强烈构造作用影响，隧道围岩破碎疏松。近几年隧道建设中，尤其是西南地区铁路建设，砂板岩地层隧道突水突泥事件时有发生，对工程建设带来了巨大的损失，严重制约了工程建设的进度。玉磨铁路玉溪至元江段穿越前震旦系砂板岩地层，施工过程中，和乐隧道、万和隧道、新平隧道、立新隧道、甘庄隧道等多次发生突水突泥事件，造成混凝土湿喷机械手被埋，二衬台车被冲毁及人员受伤等。
中老铁路玉磨段新平隧道突水突泥灾害现场
中老铁路玉磨段新平隧道突水突泥灾害现场
二、新平隧道地质特征及常见问题
新平隧道位于云南“山字型”构造前弧部位，为“昆明系山字型”东翼之开远“山字型”构造与南北向构造小江断裂带的复合部位及南岭纬向构造体系的西延部分，区域构造极其复杂。隧道位于石屏-建水断裂（JSF6）和扬武-青龙厂大断裂间，洞身大段落与扬武-青龙厂早~中更新世活动断裂相伴而行，大型活动断裂的分支断裂及形成的褶皱构造极为庞杂。隧道主要地层岩性为前震旦系砂岩、板岩地层。元古界前震旦系昆阳群砂岩、板岩，形成于距今8亿年以前，先后历经前震旦系运动旋回、前震旦系加里东运动旋回、华力西印支运动旋回、燕山运动旋回、喜马拉雅运动旋回及新构造运动，形成区内强烈发育的断裂与褶皱，断裂活动与岩浆活动具有明显多旋回性。古老的岩层在众多构造运动作用下普遍疏松扭曲、破碎。
三、砂板岩地层隧道突涌分类及特征
（一）新平隧道突水突泥统计
玉磨铁路玉溪至元江段多次发生涌突，其中对新平隧道穿越前震旦系砂板岩复合地层段共25次涌突，总方量约4.0万方。
新平隧道最大一次涌突发生在3号横洞正洞小里程方向。该次涌突发生前，掌子面揭示为薄层状泥质板岩；岩层近水平、横向缓倾线路右侧，纵向倾小里程方向；节理裂隙发育，节理面多被泥化层充填。2017年11月6日，D1K54+996掌子面拱部曾发生溜坍，溜坍方量约280m3。2017年12月8日， D1K54+982掌子面拱顶右侧出现突砂（泥）涌水，瞬时涌水量约150L/s，至12月9日突砂量约4000m3。2017年12月22日，在清淤过程中D1K54+982掌子面拱顶右侧再次出现突砂、石（泥）涌水，瞬时涌水量约330L/s，两次涌突累计突砂量约10000 m3。突出物以灰黄色砂岩为主，粒径0.2m～0.8m的突出物约占70%，其余为中粗砂、角砾。D1K55+002及D1K55+011里程处初期支护出现环向贯通裂缝，裂缝宽约1cm。
3号横洞D1K54+982掌子面发生涌突根据开挖揭示的岩层及产状分析来看，泥质板岩透水性差，岩质软弱，形成相对的隔水岩层，阻止地下水下渗；砂岩节理裂隙发育，岩体破碎，为地下水的赋存提供了储存空间，形成了富水带。开挖揭示的围岩以泥质板岩为主，地下水不发育，超前钻孔及大管棚均未揭穿拱上部富水砂岩。当板岩厚度不足以承载拱顶上方破碎富水破碎砂岩时，从拱顶上方发生涌突。
（二）砂板岩地层突水突泥特征
新平隧道发生涌突，涌突物母体主要为受构造及风化作用形成的砂岩及板岩破碎体，主要具有以下特征：
1.规模相对较小，持续时间短。砂板岩隧道发生的突水突泥主要表现为夹层或囊状富水破碎体（带），影响范围较小。突涌规模较可溶岩小，持续相对较短时间即可稳定。
2.砂岩、板岩岩性变化频繁，突涌无规律。由于砂岩、板岩隧道岩体受构造影响，岩性变化频繁，隐伏的富水破碎体无规律可循。采用传统的超前地质预报手段很难准确探明突涌体位置、规模等，涌突发生无规律可循，突水通道的形态和渗流状态很难准确探查。
3.受三台阶法开挖施工影响，涌突多发生在掌子面拱部及以上部位，尤其近乎水平缓倾岩层在存在富水破碎体时发生突水突泥可能性较高。
4.具有明显的“马桶效应”。在同一位置第一次突泥或溜坍方量较小，第一次突泥或溜坍后渗流通道及空腔被涌突物堵塞，随着能量聚集，后续在施工扰动的情况下引发第二次涌突，且涌突规模明显增加。
（三）砂板岩地层突水突泥分类
根据对新平隧道涌突发生的破坏形式分类，砂板岩地层隧道发生突水突泥可分为下述三种情况：1.隧道临空面至涌突体之间的隔水岩盘不足以支撑涌突体的稳定，发生剪切破坏，导致突水突泥；现场表现为围岩完整的掌子面突然从掌子面前方或者拱顶发生破坏造成涌突。2.当地下水随着隔水岩盘的节理裂隙渗透至由隧道开挖形成的临空面，隔水层的强度逐渐降低，当不足以维持涌突体的稳定状态，发生塑性破坏，引发突水突泥。现场表现为掌子面围岩由干燥转为潮湿、渗水；围岩破碎，掌子面局部发生失稳或溜坍，继而发生涌突。3.隧道施工时，隔水岩盘被直接击穿引发突涌。
（四）突水突泥地质前兆特征
破碎的岩体和丰富的地下水是砂板岩隧道发生突水突泥灾害的必要条件。在隧道施工中，当开挖接近或击穿富存地下水的破碎围岩段时，通常在施工中孕育着发生灾害的前兆特征。根据玉磨铁路新平隧道多次突水突泥发生的特点，前震旦系富水砂板岩段突涌一般具有下述前兆特征：
1.在发生大规模涌突前掌子面一般会伴随发生局部溜坍现象。新平隧道2号、3号横洞，立新隧道横洞都是在处理掌子面溜坍过程中发生较大规模涌突。
2.在施工过程中，开挖面地层由干燥逐渐转为潮湿、渗水，水质逐渐浑浊；掌子面后方初期支护出现变形开裂现象。前方破碎岩体地下水通过岩体节理、裂隙逐渐向开挖面渗流，岩体强度随时间增长呈现急剧衰减趋势，当开挖面岩体强度不足以支撑富水破碎体的压力时便有可能发生突水突泥。
3.在施工过程中，突然揭示断层破碎带，褶曲向斜处，裂隙密集带等不良地质，开挖面围岩变潮湿，可听到岩体内部水流声。新平隧道出口施工临近阿不都逆断层时，掌子面附近发生小规模涌突，现场踏勘时可听到开挖面后方的水流声。
4.根据物探解释结果，对物探异常段进行超前钻探时，钻机钻进速率突然增加，钻孔开始出现股状水，且呈现浑浊状态。
新平隧道3号新平隧道3号横洞小里程D1K54+982涌突前围岩及涌突后对比图
新平隧道3号新平隧道3号横洞小里程D1K54+982涌突前围岩及涌突后对比图
四、突水突泥影响因素分析
隧道涌突是复杂地质环境下发生的能量被动释放。导致发生涌突的影响因素很多，下文主要从地层岩性及地质构造、地表降雨及地下水、岩层产状及节理裂隙、施工工艺四个因素进行分析。
（一）地层岩性及地质构造
玉磨铁路玉溪至元江段围岩以前震旦系砂岩、板岩地层为主。该地层距今8亿年，加之受多期次构造运动影响，岩体古老疏松、破碎，部分风化带呈角砾状、砂状，为发生涌突提供了物质基础。这其中以新平隧道最具代表性。新平隧道主要穿越前震旦系黑山头组（Pt1hs）板岩夹砂岩，局部段落穿越前震旦系大龙口组（Pt1d）灰岩、白云岩夹板岩，富良棚组（Pt1f）凝灰岩、板岩夹砂岩，三叠系上统干海子组（T3g）页岩、炭质页岩、砂岩夹煤层。隧道位处石屏~建水区域性全新世活动断裂与扬武-青龙厂区域性早~中更新世活动断裂夹持带内，洞身大段落平行扬武-青龙厂大断裂而行，距断裂0.4km～1km。洞身开挖揭示以变质砂岩、砂质板岩及泥质板岩为主，岩层扭曲严重，部分缓倾，倾角约10°~20°，以中、薄层状V级围岩为主。岩体受地质构造影响严重，破碎，为突水突泥提供了丰富的物质来源。新平隧道多次发生涌突主要集中在受构造影响严重的前震旦系黑山头组板岩夹砂岩段（2号横洞工区~出口）。
（二）地表降雨及地下水
新平隧道洞身段埋深一般在100m~300m，局部穿越沟谷段落埋深在50m~100m，隧道埋深普遍较深；加之新平隧道地质以砂岩与板岩护层为主，泥质、炭质板岩相对隔水，雨季地表降雨未能及时渗流至隧道掌子面。因此当季地表降雨对隧道内地下水的发育程度影响相对较小，具有一定的滞后效应。
炭质、泥质板岩透水性较差，作为相对隔水层，当节理裂隙为密闭或被泥化层充填赋存地下水较少；砂岩、砂质板岩较破碎～极破碎，节理裂隙发育，有利于地下水富集，形成富水带。当隧道穿越泥质板岩段落时地下水不发育；当隧道穿越砂岩、砂质板岩时地下水较发育。隧道发生涌突的来源为富水破碎砂岩，其规模主要受地下水静储量及破碎体的影响，与地表降雨相对影响较小，这与可溶岩发生涌突的季节性有区别。新平隧道在雨季与旱季均发生过涌突，且最大规模涌突发生在2017年12月，也验证了砂板岩隧道涌突这一特点。
（三）岩层产状及节理裂隙
新平隧道主要穿越前震旦系黑山头组板岩夹砂岩，两种岩性互层作用明显。受岩层厚度影响，隧道掌子面揭示可能为砂岩或板岩其中一种岩性，或者两种岩层互层。当掌子面揭示为板岩、拱顶上方存在富水破碎砂岩时，极易发生涌突现象。
隧道节理裂隙发育，利于地下水渗透，随着地下水对围岩的软化和淘蚀作用，围岩强度降低，整体性减弱，隧道洞周围岩出现变形，局部出现松动、垮塌现象，并伴有少量股状涌水。隧道围岩的变形以该出水点为突破口，地层颗粒逐渐随水流走，形成临空面，在富水松散破碎地层的作用下，发生突水突泥。因此，富水节理裂隙发育段发生突水突泥的概率显著增高。
（四）施工工艺
隧道开挖前，围岩处于天然稳定平衡状态。伴随隧道开挖出现临空面及放炮振动影响等因素，隧道初期支护逐渐变形增大，洞周塑性区逐渐扩展，围岩强度逐渐降低，在富水破碎环境下当隔水岩盘不足以承受涌突产生的附加荷载时，容易出现涌突。因此施工过程中，改进施工工艺，减小对围岩的扰动，初期支护快速封闭成环，控制初期支护沉降变形对控制涌突具有积极意义。新平隧道对软弱围岩段采用挖机配置铣挖头铣挖法施工，三台阶带仰拱一次开挖，减小了对围岩的扰动，降低了初期支护封闭成环的时间，对初期支护变形及洞周塑性区的发展起到了积极控制作用，在一定程度上降低了涌突发生的概率。
五、突水突泥预防措施
对于砂板岩隧道预防涌突发生应以超前地质预报为基础，探明掌子面前方、上方地下水及围岩情况，重点对突水突泥、掌子面失稳进行防范。丰富的地下水及破碎岩体是造成不良地质突水突泥的根本原因，对预防涌突发生采取“排水泄能减压、注浆围岩改良、强支弱爆通过”的综合处置原则，提前采取有效措施，减小涌突发生的概率。
（一）超前地质预报
由于富水砂岩、板岩发生涌突的复杂性和无规律性，对前震旦系昆阳群砂岩、板岩互层隧道超前地质预报采取了以地质调查法为基础，钻探法、物探相结合的综合超前地质预报方法。用宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报；微观预报验证宏观预报、中短距离预报验证长距离预报、钻孔验证物探的工作思路，开展隧道防突水突泥超前地质预报专项工作。主要采用的超前地质预报方法有：地质调查法、地震波反射法、地质雷达探测、瞬变电磁法、超前钻探法。
（二）排水泄能减压
对于砂板岩隧道，造成涌突的地下水主要为静储量基岩裂隙水。通过设置超前长钻孔、超前导坑或者通过迂回导坑内增设斜向正洞的超前排水钻孔，击穿隔水板岩地层，将饱含在砂岩地层中的地下水提前引排，减小发生涌突的外动力，可以有效减小发生涌突的概率及涌突规模。
（三）超前改良围岩
对多次涌突总结发现，涌突物母岩为砂岩，现场基本以中粗砂、角砾为主。根据超前地质预报结果，对存在涌突风险段落通过超前（注浆）加固措施。一方面可以提高隔水岩盘的强度和厚度，另一方面可以对涌突物来源进行加固，减少涌突物来源规模。超前加固一般包括密布超前管棚，超前局部、超前周边、超前帷幕注浆加固等。加固范围一般为隧道开挖轮廓线外2m~8m，并对掌子面前方土体进行稳定性加固。
（四）强支弱爆通过
施工过程中，为减小对可能涌突段落围岩爆破振动影响，对软弱破碎围岩可采用机械开挖代替爆破开挖，可有效减小对洞周围岩的扰动，控制塑性区的发展，避免隔水岩盘的强度快速弱化诱发涌突。如玉磨铁路新平隧道采用挖机配置铣挖头法开挖，对富水破碎段采用边铣挖边喷设混凝土施工工艺，有效减少了对围岩的扰动，控制了围岩变形及减小了涌突频率。
由于可能涌突段落附加荷载的不确定性，为控制施工过程中初期支护变形风险及保障运营阶段隧道安全，对可能发生涌突的段落采用加密钢架、提高钢架型号、加强二次衬砌措施。新平隧道对涌突段及可能存在涌突段，采用I20b或I22b工字钢间距加密至0.6m/榀，加厚二次衬砌等措施。
六、总结与思考
砂岩、板岩复合地层隧道涌突可分为剪切破坏、塑性破坏、施工直接击穿诱发涌突三种类型。由于砂板岩隧道突水突泥的复杂性、无规律性，采用多种超前地质预报手段相结合，探明掌子面前方涌突体位置、规模对预防突水突泥发生至关重要。
丰富的静储量基岩裂隙水是造成砂岩、板岩复合地层隧道突水突泥的能量来源，受构造及风化作用形成的砂岩及板岩破碎体是突水突泥的物质基础。提前减排围岩内基岩裂隙水对放置涌突具有积极作用。
对砂岩、板岩复合地层隧道预防涌突发生采取“排水泄能减压、注浆围岩改良、强支弱爆通过”的综合处置原则，提前采取有效措施，可有效减小涌突发生的概率，确保运营安全。
来源：《一带一路报道》2022年第3期
编辑：雷露
校对：秦粟风
审核：贾琪
主编：邓灼
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