山區(qū)高速公路隧道巖溶涌水涌泥原因及治理措施研究

潘學(xué)滸

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550010）

0 引言

在我國西南地區(qū)，分布著各種類型的溶洞。公路隧道施工時，經(jīng)常遇到涌水涌泥災(zāi)害。涌水涌泥會影響隧道開挖的安全性，威脅施工人員的生命安全，污染周圍環(huán)境以及延遲整體施工進(jìn)度。一旦處理不當(dāng)，會產(chǎn)生巨大的負(fù)面作用。因此，要充分重視巖溶隧道的涌泥涌水，前期做好地質(zhì)水文勘察和風(fēng)險評估，并根據(jù)實(shí)際情況妥善處理隧道涌水涌泥。

1 涌水涌泥的發(fā)生條件及危害

1.1 涌水涌泥的發(fā)生條件

隧道巖溶[1]施工期間易發(fā)生涌水涌泥問題，受自然因素和技術(shù)因素影響。自然因素包括：埋深、長度、地質(zhì)狀況以及天氣條件；技術(shù)因素包括：勘察、設(shè)計和施工方面的不合理。以上因素都有可能導(dǎo)致巖溶隧道發(fā)生涌水涌泥。

（1）巖溶水含有濃度較高的酸堿離子，侵蝕巖土體，降低圍巖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，形成涌水涌泥結(jié)構(gòu)面。

（2）巖溶土體內(nèi)部存在裂隙、裂縫以及節(jié)理構(gòu)造。在發(fā)育期間，巖溶土體存在節(jié)理構(gòu)造，形成大量斷層面，為涌水涌泥提供流動通道。

（3）巖溶水壓力隨著水流量增大轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡幽埽粩嗳芪g軟化隧道圍巖結(jié)構(gòu)，隧道周圍巖的有效應(yīng)力發(fā)生變化，自身穩(wěn)定性降低，為涌水涌泥提供了便利條件。

1.2 涌水涌泥的危害

（1）隧道涌水涌泥的水量和泥沙量大，對施工人員生命安全以及施工設(shè)備有極大的威脅，影響隧道施工進(jìn)度。

（2）隨著突水量的增大，巖溶隧道周邊區(qū)域地表水位和地下水位會出現(xiàn)下降。

（3）由于巖體大量的泥沙不斷流失，空洞區(qū)域變大，最終導(dǎo)致地表發(fā)生沉降或塌陷，同時，流失的泥沙會污染周圍環(huán)境[2]。

2 工程案例

2.1 工程概況

貴州省某山區(qū)高速公路隧道，全隧道路線坡為5.8%，左右兩隧道長分別為：3 568 m、3 652 m，最大埋深400 m。隧道掌子面的涌水方式以涌流為主，局部產(chǎn)生突水，地表出現(xiàn)大范圍沉降、塌陷，隧道施工進(jìn)度受控未開挖地段。

2.2 工程地質(zhì)

隧道區(qū)域地層復(fù)雜，灰?guī)r巖面起伏大。巖溶節(jié)理裂隙發(fā)育，溶洞多為流塑狀黏性土、砂和風(fēng)化的巖石碎塊的填充物，溶洞、溶溝和管道相互連通，山區(qū)高地及山地槽谷為地下水的補(bǔ)給區(qū)，形成一個統(tǒng)一的水體，雨季更為突出。該隧道施工前預(yù)測正常涌水量為36 589 m3/d，最大涌水量為65 758 m3/d。

3 隧道巖溶涌水涌泥過程及原因

3.1 涌水涌泥過程

2015 年6 月15 日7 時15 分，隧道右洞巖溶涌水涌泥處埋深約208 m，洞壁穩(wěn)定并且?guī)r體完整，為中厚層狀灰?guī)r圍巖，發(fā)生特大掌子面突水突泥事故，噴水距離約5 m 遠(yuǎn)，范圍大約為8 m2，出水量約1 500 cm3/h。泥漿橫灌左洞，7 時45 分突水突泥逐漸減小。時隔30 min 之后，8 時15 分隧道發(fā)生二次突水，經(jīng)過20 min 后開始減少。8 時42 分發(fā)生三次突水，突水量相比減小，之后陸續(xù)發(fā)生幾次突水，突水量持續(xù)減少，最終消失。經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)探測，突水突泥位于YK32+158 右側(cè)邊墻，洞徑約2～3 m，8 m 未見底。

2015 年6 月22 日9 時03 分，隧道左洞巖溶涌水涌泥處埋深約200 m，該處巖體完整，為中厚層狀灰?guī)r圍巖，當(dāng)施鉆隧道掌子面的炮眼過程中，鉆進(jìn)3 m 有滲水現(xiàn)象，滲水范圍大約為2 m2，11 時10 進(jìn)行下一個循環(huán)掘進(jìn)，地質(zhì)雷達(dá)探測揭示涌水位于ZK32+162 左側(cè)墻腳，洞徑約0.2 m，7 m 未見底。

3.2 隧道涌水涌泥的原因

突水事故發(fā)生后，對該隧道進(jìn)行補(bǔ)充探測，發(fā)現(xiàn)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，填充物多為流塑狀黏性土、砂和風(fēng)化的巖石碎塊，溶洞多為串珠狀，隧道穿過的溶洞富水量大，地下水發(fā)育，含泥沙。早期巖溶水活躍，管道暢通。后期巖溶管道堵塞淤積，形成地下水靜儲量，巖溶水流經(jīng)填充物，呈泥漿狀。開挖作業(yè)后，由于超前預(yù)注漿加固不到位，最終導(dǎo)致突水涌泥事故的發(fā)生，該段具備典型地層地質(zhì)災(zāi)害特征。

4 隧道巖溶涌水涌泥治理措施

4.1 涌水涌泥潰口封堵技術(shù)

洞內(nèi)由于施工帶來大量的泥砂和水，不能盲目清淤，為避免涌水涌泥事故再次發(fā)生，經(jīng)過反復(fù)研究，利用T200 車載多功能全液壓車載鉆機(jī)進(jìn)行地表深孔鉆孔，泥漿護(hù)壁沖擊成孔下入套管，利用套管投料施工。潰口工作面臨空面和巖柱兩側(cè)施工，形成碎石混凝土投料孔與注漿孔，達(dá)到“堵泥不堵水”，限制泥砂涌入隧道，疏水降壓，避免潰口工作面封堵限流，造成水位上升，發(fā)生安全隱患。地表定向投料孔布置圖見圖1。

圖1 地表定向投料孔布置圖

（1）碎石混凝土投料孔投料。先利用鉆桿插入淤泥，泵送清水洗孔，同時送入2.5～3.0 cm 灰?guī)r石子，通過鉆孔電視監(jiān)視投料位置，高度達(dá)至拱頂即可，避免堵孔。再利用鉆桿注入漿液，其水灰比為0.6 ∶1，人工投放灰?guī)r石子，通過鉆孔電視監(jiān)視石子高度，堆集高度控制在拱頂以下0.5 m，以防堵孔。

（2）注漿孔投入。為防止排水時土體砂石堵塞涌水通道，向注漿孔注入水漿，并不斷松動巖柱，注漿高度達(dá)到拱頂以上4 m，鉆桿自孔底提升快速封孔，采用快干水泥。經(jīng)過封堵之后，進(jìn)行抽排水和清淤施工，泥砂含量小于5%。

4.2 巖溶潰口涌泥段處理技術(shù)

4.2.1 泄水孔泄水

泄水孔設(shè)置除滿足排水量的要求，還須滿足施工作業(yè)的要求；針對襯砌材料，還須滿足抗沖刷的要求；對于含泥量大的巖溶水，應(yīng)考慮防淤積的排水流速。因此，對于該隧道經(jīng)過的充填性溶腔，雖然采用過注漿，但是可能存在注漿盲區(qū)，一旦開挖，會發(fā)生注漿盲區(qū)涌水涌泥事故，為保證施工安全，應(yīng)在注漿加固施工前進(jìn)行泄水降壓[3]。

（1）左線泄水孔泄水施工。為了隧道右線泄水降壓，在左線潰口上方鉆設(shè)高位泄水孔，實(shí)現(xiàn)潰口泄水降壓和右線控域注漿觀察[4]。鉆設(shè)高位泄水孔3 排，每排4 個呈梅花形布置的泄水孔，終孔間距2 m，具體布置圖見圖2。為避免施工過程中涌水涌泥事故，鉆頭安設(shè)孔口管及高壓閘閥。在鉆孔到達(dá)設(shè)計深度后，下入布設(shè)直徑20 mm透水孔的梅花形套管。在實(shí)際鉆設(shè)過程中，存在地層含泥量大、成孔難等特點(diǎn)，最終成孔單孔排水量為35 m3/h，并持續(xù)降低。分析得出，此潰口為自然排水，泄水孔終高高于潰口標(biāo)高，此排水口難于泄水。

圖2 左線高位泄水口示意圖

（2）右線泄水孔泄水施工。為了隧道右線泄水降壓，采取從右線溶腔兩端分別向巖溶潰口坍塌段上半斷面全面覆蓋泄水孔，在巖溶潰口段拱頂以上鉆設(shè)泄水孔，對其進(jìn)行泄水，平面布置圖見圖3。經(jīng)過反復(fù)對泄水孔掃孔，未能達(dá)到泄水的目的[5]。

圖3 右線高位泄水孔布置圖

由上述左右線泄水情況分析判斷：此巖溶段富集大量泥砂，泥砂起到了一定的隔水作用，坍塌段無法達(dá)到水力連通性。同時，由于鉆孔的直徑有限，短時間泄水后，泄水孔被涌水夾雜的泥砂淤塞，無法泄水，因此，無法采取鉆設(shè)小口徑泄水孔泄水。只有當(dāng)鉆孔鉆穿涌水通道，才可以實(shí)現(xiàn)泄水降壓[6]。

4.2.2 巖溶段注漿

為加快施工進(jìn)度，保證注漿效果，該次注漿采取兩面夾擊注漿加固。巖溶涌水涌泥段區(qū)間為YK32+158～YK32+192，共計34 m。前期YK32+158 工作面涌水涌泥，對其進(jìn)行初期支護(hù)及超前大管棚加固技術(shù)，該次鉆孔要穿過YK32+158～YK32+176 段支護(hù)面。為避免鉆孔對后期開挖造成安全隱患和前期的支護(hù)破壞，鉆孔施工難度極大，采取加固潰口，局部補(bǔ)強(qiáng)注漿。注漿區(qū)間段為YK32+158～YK32+180，縱向長度為22 m。YK32+192 工作面未受到擾動，作為該案例涌水涌泥巖溶段注漿加固的主要工作面，注漿區(qū)間為YK32+166～YK32+192 段，縱向長度為26 m，加固徑向長度為開挖輪廓線外8 m。最后根據(jù)揭示地質(zhì)情況確定最終里程，保證涌水涌泥潰口在注漿加固區(qū)間內(nèi)，注漿加固參數(shù)如表1 所示。

表1 注漿加固參數(shù)

注漿加固按以下工序開展。

（1）采用頂水注漿方式封堵所有可能發(fā)生涌水的通道，降低突發(fā)涌水的可能性。進(jìn)一步驗證檢查地層成孔性，注漿孔下插入PVC 管的孔底注漿方式。

（2）按照由外及內(nèi)的前進(jìn)式分段注漿施工進(jìn)行擠密加固，從上斷面開孔加固全斷面，確保注漿效果。

（3）注漿要嚴(yán)格控制注漿量、漿液濃度、注漿頻率和注漿次數(shù)，避免漿液擴(kuò)散浪費(fèi)。

（4）注漿要進(jìn)行加筋處理，對注漿孔下入玻璃纖維錨桿，增強(qiáng)注漿加固體抗變形能力。

（5）加長前期工作面YK32+158 縱向深度，到達(dá)YK32+165，增長距離為7 m，保證富水巖溶潰口段加固效果[7]。

經(jīng)過48 d，注漿結(jié)束。在注漿薄弱區(qū)域鉆設(shè)檢查孔，未發(fā)現(xiàn)涌水涌泥現(xiàn)象。為進(jìn)一步驗證注漿效果，通過孔內(nèi)成像檢查，結(jié)果表明：地層穩(wěn)定性好、地層密實(shí)，達(dá)到預(yù)期效果。

4.2.3 大管棚超前支護(hù)加固技術(shù)

高位泄水孔未能實(shí)現(xiàn)泄水降壓，開挖作業(yè)過程要頂水帶壓[8]。為避免局部掉塊坍塌發(fā)生，采用直徑108 mm+76 mm 管棚的雙層管棚超前支護(hù)加固技術(shù)，管棚層間距20 cm，支護(hù)區(qū)間為YK32+165～YK32+186，長23 m，待管棚支護(hù)安設(shè)完畢，施作注漿充填。

5 結(jié)論

山區(qū)高速公路隧道地下巖溶管道極其復(fù)雜，且多發(fā)突發(fā)性涌水涌泥，難于在初期設(shè)計階段充分考慮。因此，在巖溶隧道施工過程中，充分重視涌水涌泥問題的處理，避免造成重大災(zāi)害事故。該文通過案例闡述隧道巖溶涌水涌泥的治理措施，得到以下結(jié)論：

（1）采用涌水涌泥潰口封堵技術(shù)，對潰口工作面臨空面和巖柱兩側(cè)施工，達(dá)到“堵泥不堵水”，疏水降壓的作用，確保搶險清淤泥工作順利推進(jìn)。

（2）采用左右兩線深孔排水方案。左線潰口為自然排水，泄水孔終高高于潰口標(biāo)高，此排水口難于泄水；右線潰口巖溶段富集大量泥砂，泥砂起到了一定的隔水作用，坍塌段無法達(dá)到水力連通性，此方案無法實(shí)現(xiàn)泄水降壓的目的。

（3）注漿施工要嚴(yán)格控制注漿量、漿液濃度、注漿頻率和注漿次數(shù)，并對注漿進(jìn)行加筋處理，形成加筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)注漿加固體抗變形能力，保證富水巖溶潰口段加固效果。