復雜地質條件下預防隧道涌水突泥關鍵技術分析

黃和江HUANG He-jiang；劉文敏LIU Wen-min

（①云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務所有限公司，昆明650000；②云南云嶺公大公路工程有限公司，昆明650000）

0 引言

近幾年來，隨著我國基礎設施建設的不斷發(fā)展，我國正在由交通大國向交通強國邁進。目前為止，我國已經攻克了復雜長大隧道、海底隧道等一系列超級工程建設技術難題，中國交通基礎設施建設技術也已躋身世界先進行列。

但是，地處西南邊陲的云南地區(qū)，交通基礎設施的建設仍然是全國比較落后的幾個省份之一。云南地處云貴高原，高山峽谷相間，地形波狀起伏，不僅山多，河流湖泊也多，構成了山嶺縱橫、水系交織、湖泊棋布的環(huán)境格局，致使云南高速公路的建設難度倍增。云南也素有地質博物館之稱。特殊的地理位置，復雜的地質環(huán)境，對高速公路隧道工程的修建增加了更多的困難和挑戰(zhàn)?？v觀最近幾年云南高速公路建設過程中，隧道工程的建設施工風險是最高的，隧道坍塌冒頂、涌水突泥是隧道建設過程中發(fā)生頻率最高的事故類型。尤其是涌水突泥，一旦發(fā)生，將防不勝防，很容易導致群死群傷事故，威脅作業(yè)人員生命財產安全。目前為止，隧道工程施工尚未形成成熟的、有效的涌水突泥預防技術，更多的還是以事后處治為主。本文以云南臨滄地區(qū)某高速公路隧道為例，針對隧道發(fā)生的涌水突泥事故，研究分析隧道發(fā)生涌水突泥的機理。結合該隧道涌水突泥事故發(fā)生前后，國家、地方政府相關監(jiān)管部門和項目參建單位所做出的努力和采取的一系列處治措施，分析復雜地質條件下預防隧道涌水突泥關鍵技術，以期為隧道施工過程中有效預防涌水突泥提供借鑒和指導。

1 事故案例

1.1 隧道工程概況 某隧道為臨滄市某高速公路的控制性工程。隧道左洞起止樁號ZK38+255~ZK43+605，洞身全長5350 米；右洞起止樁號YK38+330~YK43+595，洞身全長5265 米，隧道左、右洞平面設計線間距為24.7~27.9米，隧道最大埋深449.81 米。隧道屬低中山地貌，地形起伏較大。山體自然坡度14~31°，總體地勢較緩，植被較發(fā)育，以喬木、灌木叢、茶樹地為主，進、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道隧址區(qū)地層巖性主要有第四系殘坡積的粉質黏土、砂質黏土與燕山早期花崗巖及前奧陶系大田丫口組和松山組的石英片巖、絹云母片巖等，差異風化明顯。隧址區(qū)在區(qū)域構造上位于前奧陶系變質巖巖體與燕山早期花崗巖巖體接觸區(qū)帶內，隧道軸線上無區(qū)域性斷裂、褶皺分布。石英片巖、絹云母片巖、花崗巖中節(jié)理、裂隙面為巖體結構面。絹云母片巖夾層為巖體軟弱夾層，呈層狀或透鏡狀分布；石英片巖、花崗巖中節(jié)理裂隙數(shù)量多、產狀紊亂，方向性、延伸長度、間隔距離、張開閉合與充填情況復雜。節(jié)理裂隙結構面與絹云母片巖夾層共同將巖體分割成不規(guī)則多面體。地下水主要為松散層孔隙水和基巖構造裂隙水兩種類型。隧道區(qū)氣候屬中亞熱帶季風氣候，年平均降水量1200mm，最大年降水量1600mm。

1.2 事故簡介 隧道出口端右洞距掌子面樁號為K42+951.6, 距離掌子面5 米左右隧道右上方突發(fā)涌水突泥。經測算，現(xiàn)場涌水量每小時800 立方米，突泥約1.5 萬立方米，涌水突泥速度約13m/s。涌水突泥十分猛烈，造成仰拱施工部位一輛挖掘機被掀翻推移48 米后掩埋，重約110 噸的二襯臺車被推出148 米，形成的泥沙堆積層最薄處約2.5 米，最厚處約5.5 米。

2 事故原因分析

2.1 直接原因 在災害點上方存在一囊狀形態(tài)的含水隱伏破碎帶。含水破碎帶為風化囊狀形態(tài)，體積約1.53 萬立方米，其底部距隧道頂板圍巖約3 米左右，在工程未開挖擾動前，處于相對平衡狀態(tài)。（圖1）

圖1 破碎帶示意圖

掌子面掘進超過水囊5 米左右，水囊位置拱頂沉降變形加劇，地下徑流場的動（靜）水壓力增大，含水單元間滲流通道擴展、水力聯(lián)系增強、滲透系數(shù)變大，使得隧道拱頂上方圍巖進一步軟化，強度降低，隧道頂板圍巖強度達到極限臨界狀態(tài)，突發(fā)第一次涌水突泥。第一次涌水突泥后，大量物源迅速淤積在局部堵塞點，涌水突泥暫時終止，隨著補給水的不斷涌入?yún)R聚，其勢能急劇增高，壓力增大，造成第二次涌水突泥。（圖2、圖3）

圖2 第一次涌水突泥局部示意圖

圖3 第二次涌水突泥局部示意圖

2.2 間接原因 設計單位違法分包；施工單位涌水突泥轉向應急預案缺乏針對性和可操作性，未開展涌水突泥專項應急演練；第三方檢測單位監(jiān)控量測、超前預報工作不到位。

3 涌水突泥預防技術

隧道施工發(fā)生涌水突泥，常常釀成重大事故。一方面威脅作業(yè)人員生命財產安全，一方面致使工期延誤、工程費用成本增加等。為有效預防隧道涌水突泥事故的發(fā)生，必須要事先做好風險預判，根據(jù)預判結果制定相應的施工安全技術方案。實施過程中，本著“巖變我變”的思想和動態(tài)設計的原則，根據(jù)實際開挖揭露圍巖情況，改變施工方法、增加輔助施工措施等，從而提高隧道施工涌水突泥的預防水平和處治能力。下面，從以下幾個方面探索隧道施工涌水突泥預防的關鍵技術和環(huán)節(jié)。

3.1 提高勘察設計質量 工程勘察設計是工程建設的基礎。古人云“基礎不牢，地動山搖”，這一思想在工程建設領域可以說是體現(xiàn)的淋漓盡致。隧道工程是屬于地下工程、隱蔽工程，某種程度也算是有限空間作業(yè)，施工風險極高。特別是云南地區(qū)，地形地貌地質環(huán)境復雜，圍巖突變頻繁，多種因素和風險疊加，更是增加了隧道施工的風險。因此，隧道工程的建設，特別是針對云南地區(qū)隧道工程，要有效降低施工風險，特別是預防坍塌和涌水突泥的發(fā)生，必須要從勘察設計入手。

勘察設計階段，勘察設計單位資質必須滿足要求。嚴格按照勘察設計規(guī)范組織開展勘察設計。針對地質條件復雜、地質圍巖差的段落，必須進行詳勘。除了利用傳統(tǒng)的踏勘、調查、測繪、物探、鉆探、試驗等手段，再加上現(xiàn)代化的遙感影像解譯、地理信息系統(tǒng)、三維地質模型等先進的信息化手段，探明隧址區(qū)地形地貌特征、地質條件、地質構造（圍巖類別、巖層分布、風化程度、不良地質現(xiàn)象、工程地質狀況等），地表水的分布特征、地下水的水質、水量和分布形式等，地震烈度及地震活動情況，當?shù)貧夂驐l件等影響隧道施工安全的相關因素。設計圖中盡可能準確的表達出地形地貌、圍巖地層巖性、風化程度、富水情況、視電阻值等關鍵指標，同時合理設計出不同地質圍巖環(huán)境條件下的施工開挖方法和支護參數(shù)，為施工階段提供可靠的技術參考。

3.2 嚴格開展隧道施工安全風險評估 施工階段是隧道施工的關鍵性階段，也是最容易發(fā)生群死群傷事故的重要階段。隧道施工安全防控重點就在施工階段。因此，單座隧道工程開工前，必須嚴格按照交通運輸部下發(fā)的《關于開展公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估試行工作的通知要求》（交質監(jiān)發(fā)[2011]217 號）組織開展隧道工程施工安全風險評估。隧道工程施工階段安全風險評估分為總體風險評估和專項風險評估兩個部分。總體風險評估是根據(jù)圍巖的地質條件（圍巖等級、瓦斯含量、富水情況）、開挖斷面、隧道長度、洞口形式和洞口特征五項指標靜態(tài)評估隧道的總體風險等級。隧道總體風險評估等級達到Ⅲ級（高度風險）及以上時，對隧道工程開展施工安全專項風險評估。隧道工程施工安全專項風險評估是將隧道洞身按照不同級別的圍巖等級進行劃分，劃分完成后進行風險源普查，列出每段圍巖可能存在的事故類型，采用LEC 法進行估測，評估出每一段圍巖施工過程中可能發(fā)生的事故類型的風險大小，針對其中的重大風險源進行量化估測，確定隧道洞身重大風險源段落以及相應段落可能發(fā)生的事故類型和風險等級，并提出相應的風險控制措施。專項風險評估作為施工單位編制專項施工方案的重要依據(jù)，為隧道施工安全技術控制和管理提供可靠參考。由此可見，隧道施工前進行風險評估尤為重要。

3.3 針對性的編制隧道專項施工方案 根據(jù)風險評估結論，編制隧道專項施工方案。專項施工方案嚴格按照相關規(guī)范及文件要求編制。以隧道兩階段施工圖設計為基礎，參考隧道工程施工安全專項風險評估結論，根據(jù)不同圍巖環(huán)境條件選取不同的施工開挖方法和支護手段。針對專項風險評估中的重大風險源段落，在專項施工方案中必須制定切實可行的開挖、支護措施，明確安全控制要點。施工方案經專家論證后現(xiàn)場嚴格按照專項施工方案施工。嚴禁出現(xiàn)施工、方案“兩張皮”的現(xiàn)象。特別針對地質復雜隧道富水性較強的段落，必須提前根據(jù)設計涌水量大小，制定合理的防排水措施。往往這些段落，圍巖條件較差，發(fā)生坍塌的風險大，安全防護和控制不當還可能發(fā)生涌水突泥。必須嚴格控制每循環(huán)施工開挖進尺和施工步距，加強支護，適時跟進二次襯砌。當?shù)叵滤枯^大時，可采取修建止?jié){巖墻和超前帷幕注漿的方式，待地下水量明顯減小和前方圍巖固結后再進行掌子面掘進施工。

表1 隧道施工安全步距控制

3.4 超前地質預報 超前地質預報是地質勘察工作在施工階段的延續(xù)，是在復雜地質情況工程安全事故多發(fā)條件下，為滿足施工安全，采取一定的技術手段，獲取隧道洞身巖體的相關資料，運用地質理論方法進行研究、分析，綜合考慮災害發(fā)生規(guī)律，預報隧道掌子面的圍巖和富水情況，從而研判前方掌子面施工過程中可能存在的災害類型。

針對復雜地質條件隧道，必須建立嚴格的超前地質預報制度并嚴格執(zhí)行。隧道超前地質預報工作應嚴格按相關規(guī)范要求和隧道超前地質預報實施細則執(zhí)行，采用詳勘成果與超前預報相結合、輔助導坑與主洞探測相結合、先行洞與后行洞相結合、超前預報與掌子面素描（地質描繪）相結合的方法、地質方法與物探方法相結合、洞內探測與洞外地質勘探相結合、長距離與中短距離預報相結合，并對不同的方法預報的結果進行綜合分析、對比，相互驗證，提高預報的實用性和準確性。隧道超前水文、地質預報應符合相關規(guī)定的要求，采用正確的預報方法，各預報方法的搭接長度應符合相關規(guī)范要求，中長距離預報方法搭接長度不得小于10 米，短距離預報方法搭接長度不得小于5米，嚴禁漏報。采用用兩種或兩種以上物探方法進行預報。特別是在富水巖溶發(fā)育區(qū)、富水斷層破碎帶、瓦斯突出區(qū)、低阻異常區(qū)、重大物探異常區(qū)、高地應力區(qū)、高地熱區(qū)等地質條件復雜地段必須采用超前水平鉆探和斜向鉆探，斜向鉆孔數(shù)量不得少于4 個，應覆蓋隧道未開挖區(qū)域的頂部、底部、左側和右側，斜向鉆深度和角度應以滿足安全施工和溶洞處理所需資料為原則。（圖4、圖5）

圖4 地質雷達短距離超前地質預報示意圖

圖5 超前鉆孔布設示意圖

3.5 應急救援演練 編制應急預案，這是應急救援的基礎。但應急預案要真正的發(fā)揮作用，必須進行應急救援演練。通過應急救援演練發(fā)現(xiàn)預案中存在的不足，提高應急預案的針對性和適用性。同時也提高施工作業(yè)人員的風險防范意識和自救互就能力，提高協(xié)調配合能力，提高作業(yè)人員在緊急情況下的應急處置能力。做到一旦出現(xiàn)預警現(xiàn)象或險情時，現(xiàn)場人員能夠高效、快速撤離現(xiàn)場，有序組織開展現(xiàn)場營救，避免出現(xiàn)盲目施救。

4 結語

在高速公路建設過程中，隧道工程的建設是風險較大的一個環(huán)節(jié)。特別是云南地區(qū)復雜地質條件下隧道工程的建設過程中，隧道坍塌、涌水突泥常有發(fā)生。大規(guī)模的涌水突泥災害一旦出現(xiàn)，基本是束手無策。歸根結底，必須要不斷的提高隧道施工技術水平和安全管控措施，提高隧道涌水突泥災害的預判和預防能力，最終達到降低復雜地質條件下隧道施工安全風險的目的。于此，主要分析了復雜地質條件下預防隧道涌水突泥關鍵技術，設計階段從地勘工作入手，確保地勘資料的準確性，施工階段以地勘資料為基礎，開展施工前的風險評估，對隧道施工重大風險部位、事故類型和風險大小做出準確預判，通過編制專項施工方案，做好超前地質預報和應急措施，為有效預防隧道涌水突泥做好充分的事前預防工作，有效降低隧道施工風險。希望能夠對云南地區(qū)復雜地質條件下的隧道工程建設提供參考。