隧道泥石流的成因及防治措施研究

王金生

(甘肅省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730000)

隧道泥石流又稱地下泥石流或坑道泥石流，它是指隧道掘進(jìn)過程中，遇到斷層破碎帶、飽和松軟圍巖、充填巖溶洞穴、侵入巖接觸破碎帶時(shí)引發(fā)的泥水混合物突然大規(guī)模涌出，是一種具極強(qiáng)破壞力的隧道地質(zhì)災(zāi)害［1-6］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道泥石流這種新的地質(zhì)災(zāi)害認(rèn)識(shí)不足，現(xiàn)有文獻(xiàn)多是對(duì)事故過程的敘述。通過分析有關(guān)資料，認(rèn)識(shí)到隧道泥石流發(fā)生過程是大范圍巖體的失穩(wěn)破壞過程，將其分為孕育、潛伏和發(fā)生3個(gè)階段，據(jù)此提出了若干預(yù)防措施，對(duì)認(rèn)識(shí)和預(yù)防隧道泥石流這種新的地質(zhì)災(zāi)害具有一定意義。

1 蘭渝鐵路線泥石流發(fā)生情況調(diào)查

蘭渝鐵路由北向南分別經(jīng)過黃土高原、秦嶺高山及四川盆地低山丘陵區(qū)三大地貌單元。泥石流是全線危害最嚴(yán)重的不良地質(zhì)之一，主要分布于岷縣境內(nèi)的洮河兩岸、宕昌至武都之間的岷江以及白龍江兩岸，以溝谷型為主，泥石流極為發(fā)育，基本上是逢溝必有泥石流。據(jù)岷縣、宕昌、武都及文縣的縣市地質(zhì)災(zāi)害防治區(qū)劃及其它當(dāng)?shù)赜^測(cè)研究資料統(tǒng)計(jì)，岷縣洮河流域共有148條泥石流溝，宕昌岷江兩岸共有177條，武都白龍江流域共有264條，文縣共有236條。其中高易發(fā)、危害程度大的約有120余條，如角弓、石門、兩水附近泥石流溝多次堵塞白龍江。白龍江兩岸泥石流分布密度略有差異，北岸較南岸大，且北岸洪積扇發(fā)育，迫使河床向南侵蝕遷移。本次方案研究區(qū)中對(duì)線路有重大影響的大型泥石流具體特征如表1。

表1 方案研究區(qū)重大泥石流一覽表

2 隧道泥石流形成機(jī)理

隧道泥石流表面上表現(xiàn)為泥石流的突然涌現(xiàn)，但實(shí)際上是上部大范圍巖體由于受多種因素綜合影響而引發(fā)的突發(fā)性失穩(wěn)破壞。主要影響因素是斷層構(gòu)造、壓力水、巖層條件和施工方法。斷層構(gòu)造越復(fù)雜，范圍越大，越容易引發(fā)隧道泥石流，泥石流規(guī)模也越大;壓力水水壓越大，水量越大，越能促發(fā)泥石流，使泥石流發(fā)生越早;松動(dòng)區(qū)巖體強(qiáng)度越低，越容易發(fā)生隧道泥石流;施工方法可以促進(jìn)泥石流形成，也可以阻礙其形成。

隧道泥石流是大范圍內(nèi)巖體的突發(fā)性失穩(wěn)破壞，而這一失穩(wěn)破壞經(jīng)過了較長(zhǎng)時(shí)期的孕育發(fā)展，所以它表現(xiàn)為明顯的階段性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，經(jīng)分析研究，它可以分為以下三個(gè)階段。

1)孕育階段。這一階段以隧道出現(xiàn)涌水，發(fā)生最初的冒頂坍方為起點(diǎn)。壓力水先是將斷層破碎帶內(nèi)沉積物、泥質(zhì)充填物沖刷帶出，所以這一階段開始，涌水濁而且混。此時(shí)若不能控制圍巖，其冒頂次數(shù)和規(guī)模都將增大，導(dǎo)致冒頂部位上覆巖體松動(dòng)范圍越來越大，涌水量將因此增大。涌水帶出充填物又加劇了松動(dòng)巖體的形成，如此惡性循環(huán)。到本階段末，冒頂部位已形成較大范圍的松動(dòng)區(qū)，涌水也逐漸變清。

2)潛伏階段。從上一階段開始，壓力水沖刷下的泥質(zhì)、黏土質(zhì)充填物就不斷在隧道支護(hù)頂部沉積形成松動(dòng)區(qū)。由于自重作用而下移，又使下部破碎巖體與沉積物逐漸壓實(shí)，厚度增加，在支護(hù)上部形成密實(shí)的保護(hù)層，該保護(hù)層阻擋了壓力水涌出，所以這一階段涌水量逐漸減小，水質(zhì)逐漸變清，有時(shí)候壓力水會(huì)因此而改道，表現(xiàn)為隧道出水點(diǎn)轉(zhuǎn)移。

沉積保護(hù)層的加厚和硬化加劇了上部松動(dòng)區(qū)的活動(dòng)，壓力水的滯留積存和改道使大范圍的破碎帶巖體成為松動(dòng)區(qū)，向周圍擴(kuò)展。

松動(dòng)區(qū)巖體由于自身強(qiáng)度低，在自重應(yīng)力和圍巖壓力作用下有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，若有構(gòu)造應(yīng)力作用，會(huì)更加劇這一運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。但由于其下部有沉積保護(hù)層頂托，在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)垮落，保持上部松動(dòng)區(qū)巖體的應(yīng)力平衡。所以這一階段沒有冒頂塌方，表面上是穩(wěn)定的，但實(shí)際上是一觸即發(fā)，這些現(xiàn)象都預(yù)示著泥石流即將發(fā)生。

3)發(fā)生階段。隨著松動(dòng)區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，隧道頂部沉積保護(hù)層所承受的應(yīng)力越來越大，但其強(qiáng)度有限，當(dāng)松動(dòng)區(qū)范圍增至最大，向下地應(yīng)力大于保護(hù)層強(qiáng)度，即導(dǎo)致保護(hù)層下移，將部分應(yīng)力轉(zhuǎn)嫁給隧道支護(hù)。這時(shí)(泥石流發(fā)生前1～2 h內(nèi))支護(hù)上承受的應(yīng)力開始明顯增大。隨著松動(dòng)區(qū)緩慢下移，作用在保護(hù)層和支護(hù)上的應(yīng)力不斷增大，最終超過其強(qiáng)度，保護(hù)層與支護(hù)突然完全被破壞，松動(dòng)區(qū)巖體立即失去其原有的應(yīng)力平衡。瞬間，大量的水、碎石和泥質(zhì)充填物的混合物憑借強(qiáng)大的勢(shì)能，從破壞口突然涌出，滾滾沖擊隧道，這時(shí)就發(fā)生了隧道泥石流事故。

上述泥石流形成過程只是一般性的，具體隧道泥石流形成的過程，由于影響因素的差別，會(huì)各具特點(diǎn)。

3 泥石流形成條件分析

3.1 地形地貌

研究區(qū)位于秦嶺高中山區(qū)，由西秦嶺、岷山、摩天嶺及龍門山高中山區(qū)等次一級(jí)地貌單元組成，高程多在1 500～3 000 m，相對(duì)高差600～1 200 m。對(duì)工作區(qū)域內(nèi)泥石流溝調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，在泥石流分布密集區(qū)，一般坡度＞30°的山坡約占坡地總面積的1/4。泥石流溝谷平均山坡坡度 ＞30°的溝道占總數(shù)的60%以上，溝域沖溝發(fā)育，多深切，切割深度一般為3～14 m，溝床縱比降為15% ～45%。兩岸斜坡上紋溝、細(xì)溝眾多，支流短促，水系呈扇狀向主流匯集，為泥石流的形成提供了有利的地形條件。

3.2 地層巖性

泥石流發(fā)育區(qū)地層的分布主要受構(gòu)造控制，從元古界至新生界均有出露，巖性復(fù)雜多樣。秦嶺高中山區(qū)震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及侏羅系地層均有出露。巖性以砂巖、泥巖、灰?guī)r等沉積巖及千枚巖、板巖等中淺變質(zhì)巖為主，伴有各期巖漿巖侵入體，巖性以花崗巖、閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖為主。這些巖層軟弱不均，長(zhǎng)期受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用和氣候的影響，節(jié)理發(fā)育，多破碎，風(fēng)化層較厚。而且第四系松散堆積物廣泛分布于各溝谷及大型不良地質(zhì)體，如滑坡、崩塌等分布區(qū)，成份以粗粒土為主，都為泥石流的發(fā)生提供了有力的固體物質(zhì)儲(chǔ)備。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，在其它構(gòu)造體系基礎(chǔ)上生成改造的構(gòu)造體系段落內(nèi)，泥石流的分布密度要高于其它構(gòu)造體系段落的分布。秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造體系在線路通過范圍，被后期的山字形、歹字形及帚狀構(gòu)造體系完全地改造、復(fù)合、歸并。其泥石流分布密度達(dá)到每公里0.52條，而未被其它構(gòu)造體系改造過的華夏構(gòu)造體系內(nèi)僅出現(xiàn)一處滑坡，滑坡密度每公里0.02條，充分表明了復(fù)雜構(gòu)造體系對(duì)不良地質(zhì)體分布的控制作用。不同應(yīng)力方向反復(fù)的改造、復(fù)合、歸并作用，致使該段長(zhǎng)大節(jié)理裂隙發(fā)育，斷裂、節(jié)理、巖層相互切割造成巖體破碎，從而為滑坡、巖堆、崩塌等類型的不良地質(zhì)體的形成提供了大量的物質(zhì)基礎(chǔ)和外部環(huán)境。溝道中松散堆積物儲(chǔ)備豐富，為泥石流的發(fā)生規(guī)模和強(qiáng)度提供源源不斷的補(bǔ)給。

3.4 水文地質(zhì)特征

蘭渝線沿途橫跨黃河、長(zhǎng)江兩大水系的分水嶺。黃河水系主要為洮河及其支流，長(zhǎng)江水系主要為岷江、白龍江、白水江、嘉陵江及其支流。各河流均為常年流水，受大氣降水補(bǔ)給，水面為當(dāng)?shù)氐那治g基準(zhǔn)面。秦嶺高中山區(qū)具有獨(dú)特的山區(qū)性氣候，降雨量充沛，降雨一般為歷時(shí)短、強(qiáng)度大的區(qū)間性大暴雨，地下水水量豐富。

3.5 人類活動(dòng)與植被條件

泥石流多發(fā)山區(qū)植被相對(duì)稀少，多以灌木和低矮樹木為主。山區(qū)耕地的粗放式經(jīng)營(yíng)管理和植被的逐年濫砍濫伐，是造成泥石流災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要人為原因。山區(qū)陡坡耕地的擴(kuò)大和荒廢，常常造成基巖裸露、植被滅絕的狀況，并可能引起坡面發(fā)生局部的滑動(dòng)和坍塌，在溝內(nèi)形成碎屑堆積物。在坡面水土流失的過程中，不僅為泥石流的發(fā)育帶來大量的松散固體物質(zhì)，而且因坡度大，在暴雨中產(chǎn)生暴起暴落的強(qiáng)大溝谷徑流，為泥石流的形成提供水動(dòng)力條件。

4 防治措施

4.1 泥石流的預(yù)防

在地質(zhì)勘察階段，察明地質(zhì)情況為判斷泥石流發(fā)生的可能性提供依據(jù)。通過地質(zhì)手段若發(fā)現(xiàn)有破碎帶夾雜大量斷層泥，其中塊狀物少于70%，同時(shí)具有較高的地下水水位，則說明此時(shí)已具備泥石流發(fā)生的條件。在設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)引起高度重視并采取相應(yīng)措施防止泥石流的發(fā)生。由于地質(zhì)勘察往往不能很詳盡，特別是對(duì)一些小斷層及地下囊狀風(fēng)化體等，堅(jiān)持打超前鉆孔，采用超聲波、探孔滲水狀況分析等方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方的地質(zhì)變化，預(yù)報(bào)泥石流發(fā)生的可能性。在泥石流可能產(chǎn)生的地段若要阻止其發(fā)生，必須(局部)改變其自然條件，即人為控制含有大量細(xì)微顆粒的巖層破碎帶、高水頭承壓地下水的涌出［7］。

認(rèn)清隧道泥石流形成機(jī)理，就可以從其影響因素入手，根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)預(yù)防措施。

4.2 工程措施

蘭渝鐵路經(jīng)過的秦嶺高中山區(qū)泥石流發(fā)育，為了降低泥石流對(duì)鐵路工程造成的損失和危害，保證線路的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，針對(duì)不同的重要工程設(shè)施須采取合理有效的措施進(jìn)行防治。對(duì)隧洞進(jìn)、出口工程范圍的泥石流，采取盡可能繞避的選線原則，嚴(yán)格控制方案的選擇;對(duì)確實(shí)繞避困難的，可采取以下措施進(jìn)行處理［8-9］。

1)超前預(yù)注漿

通過超前預(yù)注漿固結(jié)破碎體，膠結(jié)細(xì)微顆粒防止大量細(xì)微顆粒被涌水帶出，阻斷涌水路徑，控制涌水量。

2)管排引流

在完成開挖及初期支護(hù)后，沿開挖輪廓線徑向設(shè)置一定數(shù)量的過濾管。引流地層的地下水，依靠水流帶動(dòng)細(xì)微顆粒重新排列，相互填充完成固結(jié)，在隧道周圍形成一個(gè)沉淀固結(jié)圈，與隧道支護(hù)共同形成承力結(jié)構(gòu)。

3)固結(jié)灌漿

控制隧道變形及沉降，固結(jié)沿開挖線一定范圍內(nèi)圍巖。在圍巖壓力較大，引起初期支護(hù)變形過大或沉降超值的情況下，采用徑向固結(jié)灌漿，達(dá)到提高圍巖強(qiáng)度，改善隧道結(jié)構(gòu)受力狀況的目的。

5 結(jié)語

1)隧道泥石流的發(fā)生過程一般可分為孕育、潛伏和發(fā)生3個(gè)階段。

2)隧道泥石流的預(yù)防關(guān)鍵是使其不能同時(shí)具備3個(gè)條件:①盡量不要把隧道布置在斷層破碎帶、飽和松軟圍巖、充填巖溶洞穴或侵入巖接觸破碎帶內(nèi);②在斷層帶充水，隧道有涌水的情況下，應(yīng)充分查明地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件;③在斷層破碎帶開挖施工時(shí)，必須采用正確的工程技術(shù)措施。

3)泥石流的發(fā)生具有突發(fā)性和極強(qiáng)的隱蔽性。但是只要做好地質(zhì)勘察和地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，按照其發(fā)生機(jī)理及形成條件判斷其發(fā)生的可能性，完全可以進(jìn)行預(yù)防。在具備泥石流發(fā)生條件地段進(jìn)行注漿止水，固結(jié)破碎體，可以改善圍巖條件，有效防止泥石流的發(fā)生。

4)在可能發(fā)生泥石流地段采取超前預(yù)注漿、管排引流和固結(jié)灌漿的治理方案是切實(shí)可行的。

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