巖溶地區(qū)隧道突水突泥災(zāi)害分析及防治對策*

余會明　安海棠　張衛(wèi)強

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊;2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院)

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巖溶地區(qū)隧道突水突泥災(zāi)害分析及防治對策*

余會明1安海棠2張衛(wèi)強3

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊;2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院)

摘要在巖溶地區(qū)隧道建設(shè)過程所遇災(zāi)害中，突水突泥災(zāi)害占較大比重，給隧道施工和周邊環(huán)境均帶來了較大影響。分別從地質(zhì)條件、氣候條件、工程擾動等方面對巖溶地區(qū)隧道突水突泥災(zāi)害的發(fā)育情況進(jìn)行了綜合分析，并提出了防治對策，供類似工程參考。

關(guān)鍵詞隧道巖溶地區(qū)突水突泥防治對策

巖溶在我國分布面積廣，受其特殊地質(zhì)構(gòu)造影響，往往兼有富水、高水壓、溶洞多且錯綜復(fù)雜及斷層等特征，因此，在巖溶地區(qū)隧道工程建設(shè)過程中極易引發(fā)或突發(fā)不同規(guī)模的突水、突泥和涌砂等災(zāi)害。該類災(zāi)害一旦發(fā)生，輕則阻斷施工進(jìn)度，沖毀機器，淹沒隧道，重則造成人員傷亡，甚至迫使隧道改線。因此，對巖溶隧道突水突泥的研究不僅有助于提高巖溶隧道的修建水平，對于保護巖溶地區(qū)人文環(huán)境也大有裨益[1-2]。對此，黃雄軍[3]分析了馬鹿箐隧道突水突泥的影響因素及對策；胡子平[4]在地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上設(shè)計了突水突泥防災(zāi)報警系統(tǒng)；代峪[5]針對云霧山隧道巖溶段突泥塌方災(zāi)害提出了快速治理方法，并分析了其工程地質(zhì)特征；李衛(wèi)民[6]基于洋碰隧道的突泥案例，概述了巖溶隧道突泥的施工技術(shù)和治理措施；林國濤等[7]以貴都高速公路九條龍隧道突泥現(xiàn)場為研究背景，對巖溶和隧道位置進(jìn)行了類型劃分，并進(jìn)一步探討了巖溶隧道的突泥機制和超前預(yù)報方法。上述研究大多是針對特定條件下的巖溶隧道突水突泥災(zāi)害開展的，而對其機制和防治對策尚未形成統(tǒng)一的理論[8-9]。故本研究對突水突泥災(zāi)害的主要影響因素進(jìn)行綜合分析，針對突水突泥的基本特點對防治措施進(jìn)行詳細(xì)探討。

1主要影響因素

1.1地質(zhì)條件

巖溶隧道突水突泥與地形、地貌、構(gòu)造等工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，洼地、槽谷、向斜地區(qū)等匯水區(qū)有利于突水突泥災(zāi)害的發(fā)育。從地層巖性來看，石灰?guī)r、白云巖、碳酸鹽巖等可溶性地層較易發(fā)生大型的突水突泥災(zāi)害。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，由于地層較破碎且完整性較差，多出現(xiàn)大型溶洞，為突水突泥災(zāi)害的發(fā)生提供了有利條件。溶洞的填充情況、尺寸特征、水壓、與地表水或地下水的連通情況等則為引發(fā)突水突泥災(zāi)害的誘發(fā)因素。巖體存在的原始裂隙在巖溶條件(可溶性巖層、溶蝕能力的和滲流路徑)具備時不斷擴大并形成新的溶蝕裂隙，一些較大裂隙甚至發(fā)育成巖溶管道，隨著時間的推移進(jìn)而形成溶洞，為隧道工程的順利推進(jìn)帶來了安全隱患。

1.2氣候條件

巖石的溶蝕性和溶洞內(nèi)水的賦存情況與氣溫、降雨量等氣候因素密切相關(guān)。氣溫高低、降雨強度與降水量、蒸發(fā)量和地面徑流及滲透量的關(guān)系等在不同的季節(jié)各不相同。在氣溫較高的條件下，水的流動速率、溶蝕強度和對巖層的溶蝕速率都較大，巖溶發(fā)育較快；降雨強度和總量直接影響水的滲透速率和運動速率，而且降雨中可能含有一定量的酸性物質(zhì)，更加促進(jìn)了巖溶作用的發(fā)育。綜合四季氣候條件可知，夏季雨量充沛，地表水徑流和地下水入滲更易轉(zhuǎn)變?yōu)閹r溶水，并且往往攜帶大量泥沙，一旦隧道發(fā)生突水突泥，其危害性相對于其他季節(jié)更大，此外，夏季偶爾突發(fā)暴雨，導(dǎo)致地下水位迅速升高，水壓增大，增大了隧道發(fā)生突水突泥的可能性。

1.3工程擾動

隧道開挖打破了巖體原始的自然平衡狀態(tài)，在隧洞周圍形成了臨空面和圍巖松動圈，導(dǎo)致原有裂隙擴張和新裂隙發(fā)育，同時改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài)和流場，當(dāng)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到破壞臨界點后，便可能引發(fā)突水突泥災(zāi)害。巖溶水壓力和開挖掌子面至溶洞的距離直接影響著開挖面附近的水力梯度，而水力梯度的大小又與突水突泥的發(fā)生關(guān)系密切。對于前期勘查出的突水突泥風(fēng)險，若處理不當(dāng)，也有可能引發(fā)突水突泥災(zāi)害。

2危害分析

溶洞水量、水壓和填充情況主要決定著突水突泥災(zāi)害的危害程度，大量的突水突泥會打破地層內(nèi)的原有平衡，以及改變地下水流場和補排關(guān)系，進(jìn)而引發(fā)周邊一系列的環(huán)境問題，對周邊居民的生活帶來不利影響。隧道突水突泥引起上覆松散層內(nèi)有效應(yīng)力的改變和動水壓力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致巖溶地區(qū)地面沉降或塌陷，其中地下水位急劇變化帶和強徑流帶是地面沉降或塌陷的高發(fā)區(qū)，水動力條件的變化是其主要誘發(fā)因素。隧道開挖也不可避免地揭露含水圍巖，疏排地下水，導(dǎo)致地下水儲量下降，產(chǎn)生地下水位降落漏斗，改變了其影響范圍內(nèi)的滲流場和補排關(guān)系，繼而可能造成地表河溪斷流、井泉干枯，直接影響當(dāng)?shù)厝嗣裆?。此外，隧道的大量突水突泥，疏干了其充水圍巖，加速了水循環(huán)，促進(jìn)了氧化作用，致使地下水中部分金屬元素(Fe，Cu，Pb等)含量增加或pH值發(fā)生較大變化，造成水質(zhì)污染。在疏排水過程中，若處理不當(dāng)或直接排入周邊區(qū)域，也會造成地表水和地下水的二次污染。巖溶水作為居民生活用水和工業(yè)用水的主要來源，由于其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，一旦受到污染，治理難度較大。

3防治對策

3.1加強超前預(yù)報

溶洞填充物及水壓的影響范圍與隧洞圍巖塑性區(qū)的導(dǎo)通是突水突泥災(zāi)害發(fā)生的直接原因，當(dāng)隧道近距離穿越巖溶結(jié)構(gòu)時，保持巖柱的完整性和穩(wěn)定性是突水突泥防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵；而當(dāng)隧道直接穿越巖溶結(jié)構(gòu)時，超前預(yù)加固方案及施工的可靠性是隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)。超前地質(zhì)預(yù)報是隧道施工中主要的地質(zhì)手段，特別是穿過斷層破碎帶、復(fù)雜構(gòu)造帶等地質(zhì)條件差的地區(qū)，可為隧道工程施工、災(zāi)害防治提供依據(jù)[8]。針對突水突泥事故災(zāi)害的易發(fā)性和不確定性，應(yīng)注重加強超前地質(zhì)預(yù)報工作，通過超前鉆探、物探等手段，對掘進(jìn)方向的可溶性地質(zhì)條件進(jìn)行探測，預(yù)測溶腔的規(guī)模、位置和性質(zhì)，指導(dǎo)施工設(shè)計。

3.2選擇合適的施工工藝

巖溶突水突泥災(zāi)害主要發(fā)生于隧道開挖和初期支護階段。隧道開挖打破了溶洞的原始應(yīng)力平衡條件、水力特征，改變了原有的環(huán)境條件，因此容易引發(fā)突水突泥災(zāi)害。在初期支護階段，支護體強度尚未達(dá)到目標(biāo)強度，使得初期支護無法完全抵擋外水壓力，進(jìn)而造成局部薄弱部位形成滲透水壓破壞，因此隧道修建首先應(yīng)選擇合理的開挖方法。目前，隧道開挖方法主要有全斷面法、臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[9]。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)隧道長度、超前預(yù)報地質(zhì)資料、經(jīng)濟性等因素選擇合適的開挖方法。對于超前探測發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶、高壓富水空腔、軟弱夾層、擠壓破碎帶等不良地質(zhì)條件，可根據(jù)實際情況采用超前小導(dǎo)管、超前管棚、掌子面超前預(yù)注漿、徑向注漿等方法，對該類條件下的不良區(qū)域進(jìn)行超前加固，并做好防排水和監(jiān)測工作。在隧道修建過程中宜采用“全方位水壓影響”襯砌支護模式和二襯緊跟的施工原則，在有褶皺構(gòu)造的地區(qū)，除特殊情況外，背斜部位以排為主，向斜以堵為主。

3.3監(jiān)控量測技術(shù)

為保證施工安全和進(jìn)度，對圍巖力學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)狀態(tài)、襯砌結(jié)構(gòu)狀態(tài)、地表沉陷、拱結(jié)構(gòu)狀態(tài)等及時監(jiān)控量測十分必要。目前，主要監(jiān)測方法見表1。

表1　監(jiān)測方法

3.4災(zāi)害預(yù)警

不良地質(zhì)地區(qū)施工過程中存在較多安全隱患，如塌陷、軟弱夾層、突水、空腔填充物突出等，施工中若方法選擇不當(dāng)極易誘發(fā)突水突泥災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和人員安全。因此，有必要制定災(zāi)害前期預(yù)警和災(zāi)后應(yīng)急措施，有效識別災(zāi)害前兆信息(巖石強度、節(jié)理組數(shù)增多、碎裂巖、壓裂巖等)?；诔暗刭|(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測獲得的相關(guān)信息，對斷層破碎帶、軟弱夾層等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，從而有效指導(dǎo)施工。對獲取信息進(jìn)行分析時應(yīng)選取與地質(zhì)災(zāi)害類型相關(guān)的、可追溯的信息，否則不僅無法達(dá)到輔助預(yù)警決策的作用，而且會適得其反。在預(yù)警的同時還應(yīng)采取相應(yīng)的安全預(yù)防及應(yīng)急措施，見表2。

4結(jié)語

(1)在突水突泥災(zāi)害的主要影

表2　 報警與應(yīng)急系統(tǒng)

響因素中，地質(zhì)條件因素主要提供滲流通道，氣候條件和地質(zhì)條件對水的影響均較大，其中氣候條件因素主要影響水的補給，地質(zhì)條件因素主要影響水壓和水的滲流，工程擾動為誘發(fā)因素。

(2)在隧道修建過程中，應(yīng)加強超前預(yù)報工作，應(yīng)用多種手段相互佐證。在此基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)場情況選擇合適的施工工藝(包括開挖和襯砌等方面)，對圍巖、支護結(jié)構(gòu)和地表等及時進(jìn)行監(jiān)控量測。

(3)在不良地質(zhì)區(qū)域施工時，災(zāi)害前期預(yù)警和災(zāi)后應(yīng)急措施十分重要，結(jié)合超前預(yù)報和監(jiān)測結(jié)果，在對大量預(yù)警信息進(jìn)行去偽存真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行及時準(zhǔn)確預(yù)警，確保施工人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2016-04-11)

*國家自然科學(xué)基金項目(編號：41102201)。

余會明(1982—)，男，工程師，830039 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市。