高速公路隧道涌水塌方成因分析及處治技術(shù)

舒彪

摘 要：隧道施工過程中遇到的涌水塌方問題對隧道的工期和工程質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，準(zhǔn)確分析涌水塌方原因是制定有效防治措施的前提。文章以某隧道涌水塌方的實(shí)際工程為依托，分析了涌水塌方的成因，提出了處治坍塌和涌水的綜合處治技術(shù)，取得了良好的處理效果，確保了后期工程的順利進(jìn)行，對類似工程有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：公路隧道 地質(zhì)問題 涌水塌方 成因 處治技術(shù)

隨著交通建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道的修建越來越多。但隧道施工很可能會經(jīng)過地質(zhì)比較復(fù)雜的地段，導(dǎo)致塌方事故、涌水事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響隧道施工及運(yùn)營安全，影響到社會民眾的生命財產(chǎn)安全。由此可見，如何搞好隧道施工中涌水、塌方的處治，是擺在施工單位面前的重要課題。某隧道工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中發(fā)生較大的涌水與塌方事故，文章就以此案例為依托，根據(jù)筆者多年的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合發(fā)生災(zāi)害處的地質(zhì)，運(yùn)用先進(jìn)的勘查和分析方法對突泥、涌水塌方的形成進(jìn)行分析，并從穩(wěn)定掌子面、超前錨桿、超前管棚及加密鋼架以及導(dǎo)排地下水幾方面給出了處治技術(shù)，成功解決了該隧道的涌水塌方問題，收到了好的效果，對未來公路隧道施工塌方處治工作有所指導(dǎo)和借鑒意義。

1.工程概況

某高速公路是一種上下分離的隧道，左幅起訖樁號為ZK55+211-ZK56+085。長為874米，埋深的最大值為105米左右。其右幅的起止路程的樁號在YK55+215與YK56+111之間，長度為896米，埋深的最大值為119米左右。隧道利用鉆爆發(fā)進(jìn)行分臺階施工，利用復(fù)合式襯砌作為其支護(hù)系統(tǒng)，二次襯砌則采用整體澆筑的方式進(jìn)行。

隧道選址地位于山脊部分，路線成西東方向分布，直至山脊，且北部地勢較高，南部地勢較低。隧道的進(jìn)口和出口都與山間的沖溝地帶緊密相連，通常進(jìn)口處其地面標(biāo)高為880米至920米左右，含40米的相對高差，且自然坡邊的坡向大概在0度至30度之間，坡度為5度到20度左右。出口處的地面標(biāo)高通常為840米至880米左右，相對高差與進(jìn)口處相同，其自然坡邊的坡向大概在110度至130度之間，坡度為10度到30度左右。出露地層為石塊及黏土等，夾有泥巖和泥灰?guī)r。這類巖層屬于向斜構(gòu)造中的一種，其層面產(chǎn)狀在81度至295度之間，角度為6度至12度。進(jìn)口位置主要發(fā)育有J1與J2兩組節(jié)理面，層面產(chǎn)狀分別為245度和350度，角度分別為85度和80度。與進(jìn)口位置不同，出口位置的J1節(jié)理面與J2節(jié)理面的層面產(chǎn)狀分別為60度和85度，角度為85度和73度，都屬于閉合節(jié)理面。

隧道選址地域的地表水主要分布在季節(jié)性沖溝附近。其地下水主要由3第四系松散空隙水、巖溶孔隙裂隙水構(gòu)成，還有一種是碎屑巖類孔隙裂隙水。此處只要憑借大氣降水對地下水進(jìn)行補(bǔ)給，其地下水經(jīng)隧道鉆孔時被發(fā)現(xiàn)，深度約為1.1～45.7米。采用CSK37鉆孔發(fā)現(xiàn)，發(fā)育的溶洞均以碎石填充，溶洞的直徑為1.1米左右。通過進(jìn)行地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)，YK56+000向右67米處為發(fā)育溶洞，其洞口寬1.5米×1.5米，常年有水流經(jīng)，且水量根據(jù)季節(jié)進(jìn)行變化。調(diào)查時，其水流量為每秒0.5升，主要是用于供居民用水。ZK56+030向右45米處是發(fā)育溶洞，洞口寬5×2米，深度為5米至6米左右，沒有發(fā)現(xiàn)有水流經(jīng)。

2.原因分析2. 1具體情況

施工是利用臺階法進(jìn)行，某隧道于2013年12月18日2點(diǎn)在其左洞掌子面樁號為ZK55+986處有涌泥現(xiàn)象出現(xiàn)，且隧道內(nèi)涌泥長度大概為30.6米，高度的平均值大約為5.4米。此處涌泥2小時后，隧道右洞掌子面YK56+029號樁處有涌泥現(xiàn)象和塌方現(xiàn)象出現(xiàn)，且隧道內(nèi)涌泥長度大概為10.8米，高度的平均值大約為3.4米。3天后，第二次涌泥現(xiàn)象出現(xiàn)，隧道內(nèi)涌泥長度大概為10.2米，高度的平均值大約為3.6米。

由于這種情況的發(fā)生，部分掌子面處的鋼拱架遭到損毀，噴射混凝土嚴(yán)重剝落。之后進(jìn)行涌泥段后方圍巖的變更，以前，樁號ZK55+998至ZK55+991之間的圍巖級別為S-Ⅲa，之后變更至Vc級，所用工字鋼為I8型，每段距離為1米。

2.2分析成因

對地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報并監(jiān)測涌水塌方事故的發(fā)生頻率、分析突涌物成分，對其成因進(jìn)行分析后得出，由于構(gòu)造破碎帶遭受溶蝕所以形成涌水塌方段溶腔。溶腔內(nèi)用破碎巖塊和泥漿等強(qiáng)度較高的物質(zhì)進(jìn)行填充。左洞涌泥以及右洞涌泥包括坍塌部位都是同一個破碎帶，且與隧道軸線呈75度角。

突泥涌水是由于破隧道溶腔和較多的地下水共同作用造成的。進(jìn)行隧道挖掘時，位于破碎帶溶腔的地下水的開挖卸荷結(jié)合匯聚時的地下水形成的靜水壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)水壓，對裂隙和空隙進(jìn)行沖刷。之后，地下水從開挖空間不斷涌出，攜帶大量泥碎石，致使巖塊間形成若干空腔。掌子面在持續(xù)開挖后，其支撐力不敵靜水壓力和突涌物所爆發(fā)出的的沖擊力，進(jìn)而形成突泥涌水事故以及塌方事故等。如圖1。

3.數(shù)值模擬

利用FLAC數(shù)值軟件對溶腔存在狀態(tài)下的，進(jìn)行隧道挖掘時的圍巖受力變形情況進(jìn)行分析，以不斷研究涌水塌方的形成，解釋溶腔如何影響隧道開挖。

3. 1建立模型

假設(shè)跨度為11米，高度為8米的隧道上方存在含有泥水混合物的溶腔，為了方便分析，選取摩爾—庫倫準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則，劃分網(wǎng)格。

3.2分析結(jié)果

經(jīng)模擬，圍巖縱向出現(xiàn)變形情況、應(yīng)力加大，此時隧道掌子面距離溶腔10米。溶腔下的掌子面處，圍巖越發(fā)變形，其應(yīng)力也不斷增強(qiáng)。由此證明，若有溶腔存在，涌水塌方事故就極易產(chǎn)生。為此就要提前對地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報，并盡快采取有效措施解決問題。

4.處治措施

4. 1穩(wěn)定掌子面

在掌子面處用厚度為10厘米的噴混進(jìn)行封閉，以確保圍巖的穩(wěn)定性。同時，在穩(wěn)定后的圍巖上以及拱架上設(shè)立角撐架。封閉地表時用砂漿完成，對于滲水裂隙要填補(bǔ)灌漿進(jìn)行封閉，以使下滲的地下水有效減少。除此之外，清渣工作不宜在完成超前支護(hù)前實(shí)施，需做好穩(wěn)定措施，穩(wěn)定突泥涌水段后開挖。

4.2超前錨桿

采用自進(jìn)式錨桿（直徑76）完成超前支護(hù)工作，每個錨桿環(huán)向距離為20厘米，傾角大約為10度至15度之間。施作從加強(qiáng)段落（已完工）進(jìn)行，錨桿的端部樁號為YK56+035，其入巖前段長度應(yīng)大于等于2米，鉆進(jìn)錨桿時，要注漿加固溶腔內(nèi)的泥土，如圖2即為超前錨桿布置圖。

4.3超前管棚及加密鋼架

由于此次的泥涌水量相對較大，較長范圍內(nèi)都受到溶腔的影響，因此，需利用超前大管棚預(yù)注漿對溶腔破碎帶段進(jìn)行加固。通常大管棚取直徑為108，棚壁厚度為10毫米，根據(jù)溶腔長度將其長度控制在35厘米、兩大管棚的橫向距離為100厘米的無縫鋼管，用絲扣對節(jié)段和節(jié)段進(jìn)行連接。進(jìn)行管棚施工時，為方便外部插角打入圍巖其角度應(yīng)為1～2度。鉆進(jìn)管棚時，不能封堵注漿孔。完成施工后，溶腔破碎帶段用注漿進(jìn)行加固。詳見圖3。

為穩(wěn)定開挖過程，在進(jìn)行設(shè)計變更時還利用間距為1米的I18型鋼架對初期的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了加強(qiáng)。

4.4導(dǎo)排地下水

進(jìn)行掌子面的挖掘時，仰拱開挖結(jié)束后，需根據(jù)鉆孔揭露情況，預(yù)埋排水管于其底部通常預(yù)埋管的直徑為10厘米，以減小破碎帶水系的破壞程度。為保障初期支護(hù)和掌子面的穩(wěn)定性，要注意泵送混凝土進(jìn)行空腔的回填。

5.結(jié)語

綜上所述，通過分析本隧道的涌水塌方事故成因，根據(jù)其實(shí)際情況采取了一系列技術(shù)措施保障了問題的成功解決。事實(shí)證明，采用綜合處治技術(shù)措施對涌水塌方事故進(jìn)行處理是非常有效的，對于本次施工中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，僅供安全處治其他隧道涌水塌方事故進(jìn)行參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]王平.鑼鼓洞隧道涌水塌方處治技術(shù)研究[J].中國水運(yùn)月刊.2015（05）

[2]張顯鵬.淺析高速公路隧道施工涌水處治措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計.2015（16）