《1　工程概况》

1　工程概况

大支坪隧道位于湖北省巴东县大支坪镇，Ⅰ线全长 8 775 m，Ⅱ线全长 8 789 m，最大埋深 495 m，纵坡为人字坡；进口段Ⅱ线先期按平导断面快速超前Ⅰ线施工，Ⅱ线右侧 30 m 设置长 3 991 m 的排水洞。 图 1 为大支坪隧道纵断面图。

《图1》

图1　大支坪隧道纵断面图

Fig.1　Sectional drawing of the Dazhiping Tunnel

大支坪隧道是全线地质条件最复杂的Ⅰ线风险岩溶隧道之一，不良地质多表现为：岩溶裂隙极发育，溶腔、暗河多，出水点多、涌水量大，受地表水补给影响极为严重，易形成突水，设计最大涌水量 44×104 m 3／d；断层破碎带影响范围广，地质软弱，岩溶裂隙发育，多为泥砂填充，易形成突泥。 施工先后遭遇溶腔 82 处，其中大规模突水、突泥 30 次，最大涌水量达 36.3 ×104 m3／d。 雨季期涌水期间多造成隧道各工作面全面停工。 特别是位于 DK132 ＋900 ～DK133 ＋030 段受断层影响多发育为易发生突水突泥的 990 大型异常体，施工曾多次遇岩溶管道突水突泥，累计突泥约 4 ×104 m3，最大涌水量 10 ×104 m3／d，施工难度高、风险大。 大支坪隧道区地下 水流向图如图 2 所示。

《图2》

图2　大支坪隧道区地下水流向图

Fig.2　Groundwater flow map of the Dazhiping Tunnel area

《2　＋990 富水充填溶腔突水突泥情况》

2　＋990 富水充填溶腔突水突泥情况

《2.1　平导 PDK132 ＋960 突水》

2.1　平导 PDK132 ＋960 突水

2006 年 9 月 4 日，平导开挖至 PDK132 ＋960处，掌子面爆破开挖后发生大规模突水，夹带少量泥砂， 瞬时涌水量达 1 500 m3／h。随后经观察，PDK132 ＋960 位置发育岩溶裂隙，裂隙沿隧道纵向宽 0 ～2 m，横向长约 10 m，溶洞周围岩层完整。 9月 8 日暴雨后，岩溶裂隙涌水量达 4 200 m3／h，无雨期正常涌水量约为 400 m3／h。

《2.2　平导 PDK132 ＋990 突水突泥》

2.2　平导 PDK132 ＋990 突水突泥

2006 年 9 月 29 日，平导开挖至 PDK132 ＋988处，掌子面爆破开挖后，发现掌子面拱顶掉块并有淤泥从拱部挤出，安全员立即撤离洞内人员。 随后掌子面发出轰隆巨响，大量软塑状淤泥涌出。 半小时涌水量 10 ×104 m3，至 10 月 1 日 02：30，水量变小，涌水量稳定为 400 m3／h，涌泥至 PDK132 ＋480 处停止，涌泥量约 7 000 m3。 突水突泥照片如图 3。

《图3》

图3　平导 PDK132 ＋990 突水突泥

Fig.3　Water inrush and mud burst ofPing I．PDK132 ＋990

2007 年 2 月 22 日，平导清淤至 PDK132 ＋960处，再次发生突水突泥，瞬时涌水量 5 000 m3／h，2 h后稳定为 350 m3／h，涌泥量约 8 000 m3。

《2.3　ⅡDK132 ＋914 突水突泥》

2.3　ⅡDK132 ＋914 突水突泥

2008 年 4 月 30 日 21 时，Ⅱ线掌子面掘进至ⅡDK132 ＋914 发生突水突泥，持续 10 余分钟，突泥至掌子面后方约 200 m 处，掌子面涌泥砂高度约 3 m，涌泥砂量 3 000 m3，后水量稳定在 300 m3／h，未造成人员伤亡。

《2.4　Ⅰ线 DK133 ＋005 ～＋017 突水突泥》

2.4　Ⅰ线 DK133 ＋005 ～＋017 突水突泥

2009 年 5 月 15 日大支坪地区突降暴雨，至 5月 16 日 7 时累计降雨量 51.7 mm，降雨后 8 ～12 h后洞内涌水量变大。5 月 16 日 18：46 时 Ⅰ 线DK133 ＋005 ～＋017 段初支溃破发生大型突水突泥，19： 05 时涌水量异常增大至峰值 35.9 ×104m3／d，突泥总量 1.2 ×104m3，主要为泥沙、砾石、淤泥等。 突泥段落部分初期支护破坏，溃破口位于统一线右侧拱顶上约 10 m，并延伸至 Ⅱ 洞顶25.7 m处与原 990 突水突泥通道连通。 5 月 15 日晚强降雨后不满足进洞条件后人员及时撤离，无人员伤亡。 突水突泥照片见图 4。

《图4》

图4　突水突泥淤积Ⅰ线正洞及破坏双层初支

Fig.4　Siltation of water inrush and mud burstand damage I line is the beginning of double support

《3　＋990 岩溶形态及水文地质特征》

3　＋990 岩溶形态及水文地质特征

《3.1　溶洞形态及充填物特征》

3.1　溶洞形态及充填物特征

当大支坪隧道Ⅱ线先期按平导开挖 PDK132＋990掌子面时，两次发生大规模突水突泥，由于该溶腔影响洞身纵向 130 m，横向约 280 m，且直接或间接连通，故得名 990 岩溶异常体。 该岩溶异常体根据综合超前地质预报及开挖揭示的地质情况，探明Ⅰ线 DK132 ＋947 ～＋958，DK133 ＋004 ～＋027 间，Ⅱ线ⅡDK132 ＋913 ～＋921，ⅡDK132 ＋973 ～＋997 间发育大型富水充填溶腔，溶腔基本上沿层面及岩层走向发育，Ⅰ，Ⅱ线溶腔贯通，尖灭于排水洞左边墙。 溶腔充填物主要为砂卵石及黏土。 溶腔形态如图 5。

《图5》

图5　＋990 大型充填溶腔形态图

Fig.5　＋990 a large cavern filled with shape diagram

《3.2　水文地质特征》

3.2　水文地质特征

＋990 岩溶发育地层为三叠系嘉陵江组下部和大冶组上部灰岩，向斜构造。 地表为水谷坝洼地，发育多个落水洞，洞身穿越处发育有 F3 断层。 岩溶和地下水发育主要受构造和地层控制，由于大冶组底部为泥岩和页岩地层，为相对阻水层，有利于处于阻水层上部的灰岩地层岩溶和地下水发育。 地下水流向由北东流向南西，排泄于野三河下游。 地下水主要接受大气降水补给，地表深孔测得的地下水位埋深 100 m 左右 （标高 943 m），洼地汇水面积6.06 km2。水文地质纵断面见图 6。

《图6》

图6　大支坪隧道 PDK132 ＋990 溶腔段水文

Fig.6　PDK132 ＋990 caverns hydrology section of the Dazhiping Tunnel

3.2.1　涌水量及水压观测

通过对 990 异常各掌子面揭示后的涌水观测，该溶洞最大涌水量 5 ×104 m3／d （ Ⅱ 线 Ⅱ DK132＋973 处， 2006 年 10 月 1 日 ），正常涌水量3 000 m3／d。由于该段水文地质条件复杂，可能原自然排泄通道存在作用，隧道穿越揭示段可能未完全袭夺全部洼地地下水。

溶腔与地表岩溶洼地通过岩溶管道、裂隙相通，地下水受大气降水补给明显，降雨后雨水补给地下水迅速，一般雨后 8 ～12 d 洞内涌水开始明显增大，停雨后 1 ～3 d 内洞内涌水恢复正常。 图 7 为 ＋990 溶腔降雨量、涌水量与时间关系曲线图。 溶洞段水压虽受降雨影响，由于溶腔被泥砂充填排水通畅性差，监测水压为溶腔充填物渗透水压力，监测最大水压 0.24 MPa。

《图7》

图7　＋990 溶腔降雨量、涌水量与时间关系曲线

Fig.7　Rainfall， water yield and time curve of＋990 caverns

图 8 为 ＋990 溶腔降雨量、水压与时间关系曲线图。

《图8》

图8　＋990 溶腔降雨量、水压与时间关系曲线

Fig.8　Rainfall，pressure and timecurve of ＋990 caverns

3.2.2 ＋990 岩溶腔体地质评价

1）Ⅰ线 DK133 ＋004 ～ ＋027，Ⅱ 线 ⅡDK132＋973 ～＋997 段主溶腔体。 根据综合超前地质预报、开挖揭示、水文地质观测及充填物特征，Ⅰ线DK133 ＋004 ～＋027，Ⅱ线ⅡDK132 ＋973 ～＋997段主溶腔体在洞身段为同一岩溶发育带，具有较强的水文地质联系。 由于该段洞身影响宽度大，充填物量极大，突水突泥后排泄通道仍不通畅，强降雨易造成水压积聚后发生多次突水突泥风险，施工中应高度关注Ⅰ，Ⅱ线相互干扰及安全影响。

2）Ⅱ线ⅡDK132 ＋914 溶腔。 在ⅡDK132 ＋913～＋920 间发育两段充填溶洞，分布在 Ⅱ DK132＋913 ～＋917.5 及ⅡDK132 ＋918 ～＋920 间，简称“ ＋914 岩溶腔体” 。

在Ⅱ DK132 ＋913.9 ～ ＋915.8 距隧道顶约3.3 m处被完整块石封住。“ ＋914 岩溶腔体”具有相对独立性，其与“ ＋990 溶洞”的水力联系较弱，但都处于水谷坝洼地水文地质单元中，接收大气降雨补给。 突水突泥后无雨期溶腔稳定。

3）Ⅰ线 DK132 ＋947 ～＋958，Ⅱ线 Ⅱ DK132＋947溶腔。 在洞身处为同一岩溶发育带，且有较强的水文地质联系，由于发育为宽张裂隙，施工安全相互影响较小。

《4　＋990 溶腔处理》

4　＋990 溶腔处理

根据溶腔工程水文地质条件、岩溶充填规律及突水突泥特点，综合考虑施工及运营安全等多种因素，遵循“释能降压、注浆加固、超前支护、综合治理”的原则进行溶腔处理。

《4.1　爆破揭示开挖前岩溶段帷幕注浆加固地层》

4.1　爆破揭示开挖前岩溶段帷幕注浆加固地层

针对岩溶充填物性质及溶腔规模易发生重大突水突泥安全风险，为降低施工风险及下步爆破揭示后易于安全快速突破，前期对 990 异常体Ⅰ线正、反向，Ⅱ线正、反向 4 个作业面实施了超前帷幕注浆及管棚预加固地层方案。 其中Ⅰ线正向注浆加固长度30 m（DK132 ＋940 ～＋970)，开挖轮廓线外 8 m；Ⅰ线反向注浆加固长度 30 m （DK133 ＋035 ～＋005），开挖轮廓线外 8 m；Ⅱ线正向注浆加固长度18 m（ⅡDK132 ＋912 ～＋930），开挖轮廓线外 8 m；Ⅱ线反向注 浆加 固 长度 25 m （ Ⅱ DK133 ＋006 ～ⅡDK132 ＋981），开挖轮廓线外 8 m。

施工中加大帷幕注浆科研攻关力度，引进有经验的专业注浆施工队，购置意大利产 C6 钻注一体机 1 台，2 台 MZ －200 钻机，配置与钻孔能力相匹配注浆设备 2 台配套，增加超细水泥、硫铝酸盐水泥可注性材料。 经开挖揭示，超前帷幕注浆预加固地层对岩溶充填地层加固改良效果明显，为下一步揭示结构处理提供重要保证。 特别是ⅡDK132 ＋912 ～＋930 段突泥后采用加固圈 8 m 帷幕注浆及双层管棚方案后安全顺利突破。

《4.2　释能降压》

4.2　释能降压

针对 990 异常体岩溶发育范围广、规模大、受地表水补给迅速、水压高等特点，为有效释能降压、降低突发性突水突泥地质灾害对正洞结构施工影响，采用多措施对溶腔进行释能降压。

4.2.1　多作业面钻孔排泄岩溶水释能降压

根据溶腔水发育规律，通过Ⅰ，Ⅱ线正反向掌子面、对应排水洞及帷幕注浆加固圈外采用辐射状钻孔对高压岩溶水进行排泄降压。 经涌水量观测，990异常体雨季期钻孔实现最大排水量5 ×104 m3／d，大大降低水压风险，为各作业面结构处理提供安全进洞条件。

4.2.2　临界爆破揭示溶腔体排泄降压

通过正洞掘进开挖靠近溶腔体后，依靠精确超前地质探测精确锁定溶腔边界，预留足够安全岩盘，采用一次临界爆破揭示溶腔技术对蓄能溶腔进行揭示释能降压。 针对 990 异常体，施工中先后 9 次爆破揭示溶腔管道，累计排泄泥砂 3 ×104 m3，最大涌水量 10 ×104 m3／d。 临界爆破揭示溶腔技术要点为：

1）水平钻孔及超长炮孔精确锁定溶腔边界，根据边界进行临界爆破揭示钻爆设计，根据溶腔充填物势能预留足一次爆破揭示安全岩盘[1]；

2）根据边界情况优化钻爆设计，炮眼钻孔深度根据已探明溶腔形态调整，孔底预留岩盘 30 cm，不明处补设超长炮孔，随钻随优化；

3）炮孔采用满孔装药，用炮泥堵孔 30 cm，确保一次爆破溶腔体溃破口最大，以利于溶腔内充填物突出达到最优释能降压效果。

4.2.3　增设高位排水支洞进一步释能降压

根据溶洞规模、充填性质、地下水补给及隧道空间关系，综合考虑Ⅰ，Ⅱ线隧道施工、运营安全及永久排水结构，结合现场实际情况，增设高位排水支洞采用临界控制爆破揭示技术进一步排泄 990 溶腔泥水充填物，以避免地下水积聚确保正洞结构施工及运营安全。

1）高位排水支洞设置。 根据 990 岩溶水文地质条件及突水突泥特征，在排水洞 990 异常体相对应段分别设置两条高位排水支洞：排水支洞（一）目的是在Ⅱ线洞顶上 5 m 处揭示 IIDK132 ＋914 溶腔进行释能降压；排水支洞（二）开口里程对应Ⅱ线里程ⅡDK133 ＋026 附近，目的是在Ⅱ线隧道拱顶约5 m处揭示 990 主溶腔释能降压。 高位排水支洞揭示 990 溶腔平面图见图 9。

《图9》

图9　高位排水支洞揭示990 溶腔平面图

Fig.9　High drainage holes revealthe 990 caverns support plan

排水支洞断面设置未揭示段内净空采用 2.2 m（宽） ×2.5 m（高）的断面，揭示段采用内净空5.0 m（宽） ×5.5 m（高）的断面，确保一次爆破揭示溶腔断面最大。

2）高位排水支洞（二）揭示 ＋990 溶腔释能降压成功。 排水支洞（二）掌子面掘进至 ＋37 里程，超前水平钻孔精确锁定了溶腔边界，并于 2009 年 6 月14 日一次成功爆破揭示 990 溶腔。 由于揭示前多日未降雨，溶腔充填物多为稳定干硬性泥砂。 2009年6 月19 日出现70 mm 强降雨后，由于水压积聚，6月 20 日 23：38 高位排水支洞（二）发生突水突泥，之后连续发生多次突水，同时Ⅰ线 5 月 16 日突水突泥溃破口断流，高位排水支洞（二）进一步释能降压990 溶腔成功，为Ⅰ，Ⅱ线岩溶处理提供了安全保证。

《4.3　＋990 溶腔正洞结构处理》

4.3　＋990 溶腔正洞结构处理

大支坪隧道 ＋990 溶腔经过多个掌子面爆破揭示后，实现了释能降压的目的，考虑前期超前帷幕注浆改良溶洞充填物及枯水季节充填物稳定的有利条件，采取了“释能降压、超前支护、结构加强、快速通过、综合治理”的原则进行该溶洞的处理。

4.3.1　溶腔影响段施工

1）施工工法。 溶洞影响段采用短台阶法开挖支护，循环进尺控制在 1 m 以内，台阶间距不大于一倍洞径，支护紧跟掌子面，并及时封闭成环，确保开挖支护安全，根据监控量测结果，必要时在最大跨度处设置临时横撑加固。

2）结构处理。 考虑地下水纵向串流，溶洞影响段采用单层支护加强型复合式衬砌，初期支护采用30 cm 厚 C25 喷钢纤维混凝土，内置全环 I20 型钢架，岩溶裂隙发育地段钢架间距 0.5 m／榀，破碎灰岩地段钢架间距 1 m／榀，一般地段钢架局部设置，二次衬砌采用 75 cm 厚 C35 防水钢筋混凝土结构。

4.3.2　溶腔充填稳定段施工

1）施工工法。 溶洞段采用三台阶分部开挖法，必要时掌子面预留核心土，人工风镐配合机械开挖。中台阶开挖前在上台阶钢架基脚处设置 I20 横向水平支撑，间距 0.5 m，横撑与钢架采用连接板连接，两端焊接牛腿，纵向采用三道 I14 钢架连接，必要时设置立柱或扇形支撑；中台阶开挖后及时施作临时仰拱封闭，临时仰拱采用 30 cm 厚 C25 网喷混凝土，内设 I20 钢架，间距 0.5 m，钢架与初期支护内钢架采用连接板连接；下台阶开挖后及时施作 70 cm 厚C25 砼底板封闭。 岩溶充填段分部开挖预留核心土施工工法如图 10。

《图10》

图10　岩溶充填段分部开挖预留核心土施工工法示意图

Fig.10　Section division karst filling the core of earthexcavation reserved schematicdiagram of construction method

2）超前预支护。 在岩溶裂隙发育、岩体破碎部位拱部采用 42 mm 超前小导管注浆预支护，小导管长 4.5 m，环向 40 cm，纵向 2.4 m 一环。 在 ＋990主溶洞充填段采用长 5 m 的 32 mm 自进式锚杆预支护、环向 0.2 m，纵向 3 m 一环。 必要时采用超前长管棚注浆预支护，确保开挖支护安全。

3）结构处理。 溶洞段采用双层支护加强型复合式衬砌，一次支护采用 30 cm 厚 C25 喷钢纤维砼，拱墙设 I20 型钢钢架，间距 0.5 m，每台阶基脚垫设通长 25 号槽钢，每榀钢架基脚处设置 4 根 L ＝4 m42 锁脚锚管，二次支护结构同一次初支；二次衬砌采用 75 cm 厚的 C35 防水钢筋混凝土结构，混凝土抗渗等级不低于 P8。

＋990 溶腔支护结构如图 11，其中断面（一）适合于破碎围岩、裂隙发育地段；断面（二）适合于溶洞充填物稳定性差、隧底充填物较深的地段。

《图11》

图11　＋990 溶洞支护结构施工图

Fig.11　＋990 cave drawings supporting structure

4）台阶法施工措施。 a. 钢架基脚锁脚锚杆或锁脚小导管及时补设到位，并与钢架锁牢抱紧；b. 临时水平支撑到位，做到设置在初支钢架两端处凿除砼，横撑底端设置牛腿，两端采用连接板与钢架连接，且与钢架锲紧连接牢固，纵向加设连接增强刚性；c. 溶腔空腔部位及时回填砼到位；d. 径向注浆及时施作到位。

4.3.3　充填物坍落地段

采用清淤释能降压方案通过。 清淤后，采用对溶腔进行砼回填再暗挖施工方案，支护结构参照“充填物稳定地段结构施工方案”。

4.3.4　隧底结构处理

根据隧底下溶洞发育规模、充填物性质，分几种情况进行处理：如隧底下溶洞发育规模较大、充填物性质复杂，采用桩基跨越，如图 12（a）；如隧底溶洞充填物发育深度小于 10 m，且充填物稳定或隧底大部分为破碎灰岩，局部发育溶蚀沟槽，采用仰拱调整板 ＋钢管注浆加固，如图 12（b）；

《图12》

图12　桩基础及钢管桩注浆加固方案

Fig.12　Steel pipe pile foundation and grouting program

如隧底溶洞充填物介质较单一，块石含量较小，采用素砼桩复合地基跨越，如图 13（a）；如隧底下仅局部发育小型溶沟溶槽，采用换填方案；如隧底下溶洞发育规模较小，采用注浆加固 ＋板跨结构跨越如图 13（b）。 ＋990 溶腔除 DK132 ＋943 ～＋960 溶腔采用注浆 ＋板梁跨越方案外，其他溶腔段由于充填物深度不大且有一定稳定性，均采用仰拱调整板 ＋钢管注浆加固方案。

《图13》

图13　素混凝土复合地基及注浆 ＋板跨方案

Fig.13　Plain concrete composite foundation andgrouting ＋concrete plate span program

4.3.5　防排水措施

衬砌前设复合式防水板，施工缝采用两道防水，在防水板与二次衬砌之间外侧设置外贴式橡胶止水带，内侧设置复合式止水带。 防排水措施如图 14。

《图14》

图14　防排水施工图

Fig.14　Anti －drainage construction drawings

4.3.6　安全措施

1）结构安全性监测。 为验证支护结构的安全性，总结工程经验，完善设计分析理论，对溶洞段支护结构进行安全性监测，项目包括：水压力、围岩压力、接触压力、支护内力、渗水量及隧底沉降等。 安全性监测测点布置如图 15。

《图15》

图15　安全性监测测点布置图

Fig.15　Safety monitoring layout of measuring points

2）安全进洞条件设定。 根据高压富水溶腔水文地质条件及释能降压能力，以水压、降雨量、涌水量及涌水颜色变化等指标分阶段制定安全进洞作业条件。

990 溶腔高位排水支洞释能降压成功前安全进洞作业条件为：Ⅰ，Ⅱ线 24 h 降雨量不超过 50 mm；总涌水量在降雨后峰值过后不超过 3 000 m3／d；释能降压高位排水洞 24 h 降雨量不超过 20 mm。

《5　结语》

5　结语

1）施工中加强水压、水量、降雨量监测，严格安全进洞作业条件是安全控制重点；

2）安全监控和预警体系完善到位，确保洞外对掌子面有视频监控，洞内外有声光联运报警和电话报警，应急逃生系统工作正常；

3）高度重视岩溶隧道释能降压技术、超前预支护及临时支撑在高压富水溶腔施工中的应用。