隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害成因分析與治理方法研究

王 闖

（江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安）

引言

隧道突水突泥是在隧道施工中最為嚴(yán)峻的地質(zhì)災(zāi)害。在隧道工程施工過程中，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害還會(huì)引發(fā)塌方、地表水枯竭等問題。給隧道施工帶來嚴(yán)重危害，使得設(shè)備掩埋，地表塌陷，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生安全事故。在多變的地質(zhì)條件影響下，需要不斷提升勘察水平，增加了巖溶隧道的施工進(jìn)度，可以實(shí)時(shí)對地基承載力進(jìn)行分析，防止隧道發(fā)生突水突泥的災(zāi)害。根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的開挖方法，按設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù)，減少對圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)。同時(shí)，通過分析突水突泥發(fā)生的機(jī)理，能夠同時(shí)得到隧道的沉降變化規(guī)律，通對塌方段進(jìn)行工程施工。根據(jù)地基數(shù)據(jù)，能夠有針對性對隧道施工進(jìn)程進(jìn)行推進(jìn)，達(dá)到較好施工效果[1]。在工程建設(shè)過程中，對隧道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測，減少地基的側(cè)移程度。對特殊部分加以處理，能夠在斷層條件下運(yùn)用新的注漿設(shè)計(jì)對支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。通過注漿堵水加固的方式能夠有效控制拱頂?shù)某两?，獲取沉降規(guī)律，順利通過突水突泥段。同時(shí)，運(yùn)用管道引排水還可以節(jié)約施工成本，達(dá)到較好的整治效果。由于隧道施工難度高，在工程施工中的造價(jià)高，施工安全性差，地質(zhì)勘查情況不完善，使得不同地段的突水突泥災(zāi)害事故頻發(fā)，結(jié)果難以符合預(yù)期[2]。因此現(xiàn)階段，以隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害成因分析與治理方法為研究目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行研究與分析。

1 地質(zhì)災(zāi)害成因分析與治理

1.1 隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害成因分析

地下水位變化是隧道涌水突泥過程中最為重要的因素，在隧道施工中由于發(fā)生涌水問題會(huì)導(dǎo)致地表塌陷的問題。當(dāng)隧道穿越高壓富水?dāng)鄬訒r(shí)，巖體的厚度發(fā)生剪切破壞，使得圍巖平衡發(fā)生變化，當(dāng)釋放地下水所存儲(chǔ)的能量后會(huì)發(fā)生突水問題[3]。當(dāng)?shù)叵滤當(dāng)y帶有大量泥砂時(shí)會(huì)形成突泥現(xiàn)象。在隧道施工過程中，發(fā)生突水突泥的位置在斷層帶等一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為特殊的區(qū)域。這些破碎松散的巖體中含有大量的地下水，為隧道開撐掌子面隔水層的敏感地帶。在區(qū)域張性斷層附近的隧道涌水量更加多。由于巖石承受的突水壓力小，使得巖層抗剪強(qiáng)度會(huì)在水壓力的作用下發(fā)生變化，這樣在開挖過程中就會(huì)形成突水突泥的問題。其中，花崗巖的涌水量通常為0.52～0.6 m3/km，灰?guī)r等涌水量更多[4]。當(dāng)隧道長度過長時(shí)，其單位涌水量也會(huì)增加，發(fā)生突水突泥地質(zhì)災(zāi)害的可能性就會(huì)變大。在隧道開挖過程中，環(huán)境因素也會(huì)造成隧道的涌水災(zāi)害發(fā)生，大氣降水等使得涌水量大幅度增加。同時(shí)，根據(jù)巖層組合特征，灰?guī)r在薄層與厚層的中間地帶容易發(fā)育溶洞，這樣就會(huì)形成地下水和填充物滲流的通道。巖溶構(gòu)造在隧道穿過部分時(shí)間內(nèi)發(fā)生突泥的現(xiàn)象，在相同的溶洞中突泥的特征也有所不同。

1.2 隧道突水突泥治理方法

1.2.1 地表封閉加固

由于隧洞水體含水量大，流動(dòng)性強(qiáng)，使用注漿堵水的方法難以達(dá)到預(yù)期效果[5]。所以運(yùn)用堵截處理的方式，將地表水補(bǔ)給進(jìn)行截?cái)?，具體見圖1。

圖1 地下水截引排處理

根據(jù)隧洞的地表情況，為了防止地表水滲入形成突水突泥的危害，保證隧洞內(nèi)施工的安全。需要對地表進(jìn)行封閉與注漿加固施工。根據(jù)隧道突水突泥的情況，首先對隧洞進(jìn)行清淤。在隧洞外布設(shè)排水溝，如果遇到淤泥較多區(qū)域需要用塑料袋裝土來堆砌止?jié){墻。這樣能保證完成抵御淤泥壓力。清理淤泥過程中，按照一定間隔進(jìn)行分割，并使用泥漿泵按照分段依次清理隧洞淤泥。如果遇到非淤泥區(qū)域則選用大塊預(yù)制石塊進(jìn)行堆砌止?jié){墻，能夠抵抗泥渣壓力[6]。在對隧洞地表進(jìn)行清理過程中，對于泥渣的清理要在距離掌子面15 m 位置停止。在堆砌止?jié){墻過程中，需要在不同級止?jié){墻中埋設(shè)一定數(shù)量的水管來排放積水。同時(shí)，制作仰拱至距離掌子面40 m 處。為了能夠有效加固，需要對隧道破碎帶的圍巖進(jìn)行初期支護(hù)。選用C21 注漿錨桿進(jìn)行橫向支護(hù)。使用水泥漿進(jìn)行注漿，設(shè)置起始注漿壓力為0.75 Mpa。同時(shí)，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，在開挖面上噴射4 cm 砼后進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)。為了能夠使得初期支護(hù)在短時(shí)間內(nèi)形成鋼支撐，可選擇使用工字鋼進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

1.2.2 二次襯砌

在進(jìn)行支護(hù)加固后，通過二次襯砌措施完成施工。首先，結(jié)合隧道所處地質(zhì)構(gòu)造對水源進(jìn)行分析。其次，選取合適的隧道斷面輪廓。由于圍巖條件的不同，初期支護(hù)及二次襯砌的厚度也有所變化。所以，需要對襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的隧道復(fù)合襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 襯砌結(jié)果設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隧洞開挖，根據(jù)掌子面最大位移值的變化，對不同工況下的襯砌最小安全厚度進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算公式為：

式中：μ為抗拉強(qiáng)度；p 為水壓力。在施工現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，根據(jù)計(jì)算模擬分析，確定臨界距離。在隧洞開挖后進(jìn)行特殊處理。采用橫向錨桿對圍巖進(jìn)行加固，適時(shí)施工進(jìn)行二次襯砌，保證突水突泥效果符合標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)隧道安全施工。

2 測試與分析

為了驗(yàn)證本文治理方法的有效性，在隧道開挖后，以圍巖變化特征為例，對掌子面開挖推進(jìn)距離在80 m 時(shí)的掌子面涌水量結(jié)果進(jìn)行測試。設(shè)置4 個(gè)小組，其中小組1～3 運(yùn)用傳統(tǒng)方法，小組4 運(yùn)用本文方法。隨著地下水位不斷升高，對4 個(gè)小組的掌子面涌水量程度進(jìn)行對比分析，判斷在施工中哪種方法能夠減少突水突泥現(xiàn)象，達(dá)到較好的治理效果。

2.1 工程概況

隧道起始樁號為K15+145～K15+175，兩洞中心線間距為25 m，隧道的最大埋深為127 m，由出口進(jìn)洞開挖。采用噴錨支護(hù)的方式襯砌。隧道中的地質(zhì)主要為變質(zhì)作用下的混合石英巖，分級為V～I(xiàn)V 級。在洞口與斷層中存在導(dǎo)水?dāng)鄬?，在隧道開挖時(shí)，洞內(nèi)突水量會(huì)增加，洞室開挖中以涌流狀出水為主。隧道右線為IV 級圍巖，掌子面以強(qiáng)風(fēng)化為主，同時(shí)含有水量較大。整體穩(wěn)定一般，局部稍有滲水。

結(jié)合工程的斷層結(jié)構(gòu)特征，分析了地層巖性特征。隧道開挖后，對隧道斷層突水突泥進(jìn)行分類。隧道開挖進(jìn)入斷層帶后，應(yīng)力急劇變化，隧道洞周出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)增大現(xiàn)象。所以針對這種現(xiàn)象，需要分析隧道開挖穿越斷層破碎帶過程中，掌子面變化情況，得到在推進(jìn)過程中的位移分布云圖。根據(jù)位移場的變化情況，進(jìn)行監(jiān)控測量。在推進(jìn)過程中，地下水的涌水量會(huì)增加，隧道開挖至斷層帶時(shí)，隧道滲流速度大幅增加。地下水沿巖體內(nèi)的裂隙不斷滲透，造成隧道巖體失穩(wěn)。所以需要對隧道的斷層破碎帶進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2.2 結(jié)果與分析

隧道開挖后，在掌子面開挖推進(jìn)距離為80 m 時(shí)，得到4 個(gè)小組的掌子面涌水量隨地下水位變化結(jié)果，具體見圖2。

圖2 水位埋深掌子面涌水量結(jié)果

由測試結(jié)果可知，在隧道開挖后，地下水位逐漸升高，4 個(gè)測試小組的掌子面涌水量均發(fā)生改變。在隧道開挖不斷深入達(dá)到80 m 時(shí)，3 個(gè)對照組均在1 300 m3/d 以上，隨著水位抬升會(huì)增加涌水量，使得隧道穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生災(zāi)害。而運(yùn)用本文方法的小組4掌子面涌水量為1 200 m3/d 以下，相同水位引發(fā)的滲流產(chǎn)生的涌水量的基本穩(wěn)定在預(yù)期目標(biāo)范圍內(nèi)，在施工中不容易發(fā)生突水災(zāi)害。說明運(yùn)用本文治理方法，能夠提升圍巖的抗剪輕度，減少發(fā)生屈服現(xiàn)象。在水位抬升時(shí)能夠控制隧道的變形程度，減少涌水量對巖體的沖刷，使其無法形成突水突泥通路，達(dá)到良好的治理效果。

綜上所述，通過對隧道突水突泥的成因分析，結(jié)合本文治理方法能夠在隧道施工過程中重視地下水對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，切實(shí)有效對隧道涌水量進(jìn)行控制，防止地下水在裂縫中流動(dòng)的可能。通過降低滲透性來使得防止斷層破碎帶內(nèi)的粘土被水流沖走，加固隧道圍巖，減少突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，通過保持隧道圍巖豎向位移，縮小塑性區(qū)范圍，從圍巖穩(wěn)定性角度能夠分析隧道發(fā)生突水突泥的成因。在治理過程中需要根據(jù)地質(zhì)材料分析，對治理區(qū)域的含水構(gòu)造進(jìn)行總結(jié)，按照堵排結(jié)合的方式進(jìn)行統(tǒng)一治理，使得隧道工程的安全性得到提升。

結(jié)束語

本次研究從隧道問題入手，深入分析地質(zhì)災(zāi)害形成與治理問題，探究了隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害成因分析與治理方法。對隧道地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效監(jiān)測，從而可以總結(jié)出地質(zhì)災(zāi)害形成的特征，減少相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害對于隧道安全的影響，對周邊生態(tài)環(huán)境有積極作用。通過探測了突水突泥段的地質(zhì)情況，得到隧道突水突泥的規(guī)律特征。但是本文方法中還存在著不足，比如初期支護(hù)加固問題，管棚參數(shù)設(shè)計(jì)問題，超前支護(hù)施工問題等。今后應(yīng)更加完善施工，分析了隧道突水突泥的成因，解決了隧道突水突泥處的問題。通過防治方法對水突泥段地質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)對于該問題進(jìn)行評價(jià)和改善。通過排水降壓，圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，對超前管棚支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對于隧道突水突泥地質(zhì)災(zāi)害成因分析與治理方法的良好應(yīng)用。