巖溶區(qū)隧道施工誘發(fā)地面變形成因及發(fā)展分析

何維山 劉強(qiáng)

摘要 池祁高速寶石嶺隧道工程施工時(shí)發(fā)生突水，誘發(fā)上部地表巖溶塌陷、地裂縫和房屋開裂等，造成了重大地質(zhì)災(zāi)害。文章主要從水文、工程地質(zhì)及施工角度分析了該巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的背景和原因?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)對地面變形發(fā)展階段、未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，并介紹了該地質(zhì)災(zāi)害救治的具體措施。

關(guān)鍵詞 隧道施工；突水；巖溶塌陷；地面變形；地下水

中圖分類號 P642.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）10-0042-04

0 引言

地面變形是在一定的自然條件和人為因素作用下，地下一定范圍內(nèi)的巖土體位移、壓縮等活動引起的地面下沉、塌落、開裂現(xiàn)象。近年來，隨著高速公路、高速鐵路等的迅速發(fā)展，巖溶區(qū)地下隧道工程逐年增多，加大了施工誘發(fā)地面變形發(fā)生的頻率，常表現(xiàn)為地面沉降、巖溶塌陷、地裂縫，且伴有地表水體干涸、建筑損壞開裂等[1-2]。開展在隧道建設(shè)過程中地面變形的發(fā)育規(guī)律、形成機(jī)制的研究，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有一定實(shí)際意義[3-4]。

國內(nèi)已在隧道建設(shè)引發(fā)地面變形的研究上取得了一定進(jìn)展，張成平等[5]、王云平等[6]、宋光嘯[7]先后對塌陷、地面沉降機(jī)理、規(guī)律、演化過程等進(jìn)行了研究，一定程度上揭示了地面變形產(chǎn)生的機(jī)理，并提出了可行的防控建議。

該文擬通過對安徽省池祁高速寶石嶺隧道建設(shè)前后巖溶塌陷的發(fā)育特征、發(fā)育過程、形成機(jī)理及防治措施進(jìn)行探討，以期進(jìn)一步豐富現(xiàn)有巖溶塌陷理論，同時(shí)為隧道沿線塌陷災(zāi)害防治提供參考。

1 工程背景

池祁高速寶石嶺隧道位于黃山市黟縣柯村鎮(zhèn)境內(nèi)，采用爆破法施工。隧道K60+100～K60+800段，埋深為100～130 m，其上方為寶溪村程家組、章家組。在施工至K60+160時(shí)，出現(xiàn)突水且水質(zhì)渾濁，后誘發(fā)隧道上方出現(xiàn)7處巖溶坑塌陷坑、2條地裂縫，并導(dǎo)致部分村民的房屋墻體出現(xiàn)開裂變形。

地面變形區(qū)域地貌類型為山間洼地、標(biāo)高為276.2～

303.8 m，為相對匯水區(qū)，其上水系發(fā)育，地層巖性為第四系全新統(tǒng)蕪湖組（Q4w）粉質(zhì)黏土、礫石土等，結(jié)構(gòu)松散，厚度3.0～15.0 m，下部基巖為寒武系（∈）灰?guī)r。地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。

隧道施工過程中圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，巖性較硬，巖體破碎～較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖等級為Ⅳ級。施工記錄與該隧道的勘察設(shè)計(jì)文件相符。隧道開挖過程未見溶洞，場地深部巖溶基本不發(fā)育或弱發(fā)育，但勘察表明地表以下30 m范圍主要為淺巖溶強(qiáng)發(fā)育。

隧道于2020年12月18日開始出現(xiàn)突水（圖1），次年6月中旬開始堵水、9月中旬完成堵水、10月正式貫通，于2022年10月通車運(yùn)營。

2 地面變形特征

隧道出現(xiàn)突水的第二天，即2020年12月19日，開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)7處地面塌陷坑和2條地裂縫，且多處房屋及地面出現(xiàn)裂縫，例如塌陷點(diǎn)、地裂縫等，總體表現(xiàn)為距突水點(diǎn)越遠(yuǎn)塌陷規(guī)模越小、發(fā)生時(shí)間較晚。根據(jù)勘察資料及水井繪制的地下水位，可以判斷出突水期間形成的降落漏斗以K60+160～K60+180對應(yīng)的地表為中心，約400 m為半徑的范圍。

2.1 塌陷坑

巖溶塌陷坑共7處，巖溶塌陷坑洞口近圓形、呈豎井狀。其塌陷發(fā)現(xiàn)時(shí)間、位置以及特征見表1所示。

2.2 地裂縫

在2021年1月調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)地裂縫2條，樁號為K60+460～K60+520附近。第一條（DLO1）近東西向分布，長度約65 m；第二條（DLO2）在右洞左側(cè)，呈南北延深，長度約28 m。兩條地裂縫發(fā)現(xiàn)時(shí)，地裂縫的寬度約3 cm，3月底增大至4.5 cm。

2.3 房屋變形

村民房屋內(nèi)也出現(xiàn)幾處地裂縫，長度一般小于5 m，寬度小于1 cm，另有多戶房屋墻體出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。

3 地面變形機(jī)理

地面變形的形成首先由內(nèi)部因素引發(fā)，即巖溶裂隙、覆土層性質(zhì)和地下水運(yùn)移管道等[8]；其次是外部因素，包括影響地下水位的工程活動和自然條件以及隧道施工影響等。

3.1 內(nèi)因

隧址區(qū)寒武紀(jì)中晚期可溶巖地層分布廣泛，其中山間洼地地段大部分被第四紀(jì)松散層覆蓋，巖性為粉質(zhì)黏土、礫石土等，礫石孔隙充填細(xì)顆粒砂及粉質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)松散。根據(jù)鉆孔資料，第四系松散層厚度3.0～15.0 m，場地巖溶總體屬淺覆蓋型，部分地段灰?guī)r出露地表，發(fā)育裸露型巖溶。

地面調(diào)查觀測發(fā)現(xiàn)，裸露型巖溶主要有溶溝、溶洞、落水洞等，這些巖溶現(xiàn)象沿層面或構(gòu)造裂隙發(fā)育。東南山坡的楊柳崗組中薄層為深灰色灰?guī)r，沿層面發(fā)育為串珠狀小溶洞。附近還發(fā)育100 °∠67 °、188 °∠75 °兩組高傾角裂隙，沿裂隙面出現(xiàn)溶蝕跡象，沿這兩組裂隙發(fā)育了2個巖溶落水洞。落水洞洞口近圓形，口徑約1.5 m，呈豎井狀。

巖溶裂隙由灰?guī)r所處地地質(zhì)環(huán)境決定。對巖溶運(yùn)移管道而言，這是地下水的有效通道，其直接作用巖土體，可以帶走巖土顆粒，是水位變化、巖土顆粒位移的重要影響途徑。

3.2 外因

誘發(fā)該次巖溶塌陷發(fā)生的外因主要為隧道施工、爆破震動及隧道突水等。

天然狀態(tài)下的隧址區(qū)，地下水水力坡度小、速度緩慢、地下水動力弱，不能將土體孔隙及溶洞、溶隙中充填的土顆粒隨水流帶走。隧道K60+160掌子面掘進(jìn)切穿裂隙巖溶構(gòu)造破碎含水帶，爆破震動使圍巖松動圈內(nèi)的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，遇到充滿地下水的裂隙巖溶。在高達(dá)100多米的水頭壓力作用下，裂隙溶洞的地下水夾雜著洞隙及表層土體的土顆粒突然涌出。表層土體中的土顆粒流失后，在土體中產(chǎn)生大小不等的土洞，土洞頂部到達(dá)地表后形成地面塌陷坑、裂縫、地面沉降等，進(jìn)而引發(fā)建筑物損壞和地下水位下降。

4 地面變形發(fā)展過程及未來發(fā)展趨勢

4.1 發(fā)展過程

該隧道施工誘發(fā)的地面變形可分為急劇變形和緩慢發(fā)展兩個階段。

在隧道剛遇突水事故時(shí)，水質(zhì)成渾濁狀，這是急劇變形階段，主要因急劇形成的水頭差產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，擾動或沖刷沖洪積層和巖溶通道，同時(shí)帶走上覆土體的大量顆粒物和溶洞充填物，導(dǎo)致地面變形的發(fā)生，即第一階段主要因顆粒物向下位移而導(dǎo)致。根據(jù)地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寶石嶺隧道上方急劇變形階段主要為從隧道出現(xiàn)突水至2021年3月，隧道上方發(fā)生巖溶塌陷、地裂縫及房屋出現(xiàn)裂縫基本均位于該時(shí)間段內(nèi)。根據(jù)施工記錄，該時(shí)間段內(nèi)隧道水質(zhì)由起初的渾濁、夾砂狀逐漸轉(zhuǎn)化為清澈狀。

第二階段為緩慢發(fā)展階段，此階段突水基本不含顆粒物，成清澈狀。地面變形主要為地下水位下降、孔隙水壓力降低、土體有效壓力增加、顆粒骨架所受壓力增加、土體壓縮等導(dǎo)致的地面沉降。在隧道上方出現(xiàn)變形等狀況后，施工單位在地表布置了若干地面變形監(jiān)測點(diǎn)，并從2021年3月20日監(jiān)測至2021年11月8日，見表2所示。監(jiān)測期間地面的累計(jì)沉降一般小于1 mm，總體發(fā)展緩慢，僅在T01塌陷坑處出現(xiàn)沉降達(dá)3.3～38.2 mm，原因?yàn)樗菘犹幓靥钗唇?jīng)壓實(shí)、覆土松散、巖溶塌陷坑未進(jìn)行注漿封堵，以及隧道內(nèi)堵水工作未完成而導(dǎo)致。

4.2 未來發(fā)展趨勢

為持續(xù)監(jiān)測地面變形，隧道貫通后，在地表安裝了3處GNSS位移監(jiān)測站，可對站點(diǎn)表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動化變形監(jiān)測。

根據(jù)2022年7月4日—2022年10月1日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，BP01監(jiān)測點(diǎn)從8月10日到8月24日在?10 mm附近進(jìn)行波動，但經(jīng)過9月的持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，該點(diǎn)又逐步恢復(fù)在0 mm附近上下波動，可能和現(xiàn)場環(huán)境干擾有關(guān)（BP01位于村民院子）。BP02、BP15監(jiān)測點(diǎn)的表面位移基本穩(wěn)定，ΔH、ΔX、ΔY的監(jiān)測值均在0 mm附近上下波動。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3～5所示。

基于地面監(jiān)測點(diǎn)及GNSS位移監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，因隧道突水導(dǎo)致的地面變形，經(jīng)歷地下水位恢復(fù)治理后，地面變形中沉降將以殘余沉降為主，沉降量極小，且逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但下穿隧道突水導(dǎo)致的上覆土體中土洞在短時(shí)間內(nèi)難以消除，未來仍存在偶發(fā)巖溶塌陷可能。發(fā)生巖溶塌陷的范圍，以隧道發(fā)生突水處對應(yīng)的地面為中心，半徑約400 m的范圍內(nèi)，全年均可能發(fā)生，豐水季節(jié)和枯水季節(jié)發(fā)生巖溶塌陷的概率更大。

5 恢復(fù)、治理措施

5.1 村民損壞房屋處理

村民房屋處理本著高度負(fù)責(zé)、安全可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則。根據(jù)房屋損壞程度，按照以下方法分別進(jìn)行處理。

（1）已損壞房屋的處理。邀請專門機(jī)構(gòu)對房屋進(jìn)行鑒定，鑒定為危房的應(yīng)進(jìn)行拆除，以策安全，對地基進(jìn)行加固處理后，可在原地重建或者異地重建；鑒定為一般損壞的房屋應(yīng)進(jìn)行修理和監(jiān)測。

（2）沒有明顯損壞房屋的處理。對該類型房屋進(jìn)行裂縫、傾斜監(jiān)測。

（3）新建、重建房屋的處理。加強(qiáng)對房屋地基的勘察，并對地基進(jìn)行處理，對房屋基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，確保房屋基礎(chǔ)穩(wěn)定。

5.2 巖溶塌陷坑治理

對因隧道突水導(dǎo)致的巖溶塌陷坑，應(yīng)即時(shí)進(jìn)行治理，即發(fā)生一處治理一處，以消除隱患。

（1）對于深度淺的巖溶塌陷坑，可清除上部細(xì)顆粒，注漿后填入塊石、碎石，夯實(shí)表面覆土，恢復(fù)耕地。

（2）對于距隧道突水段較近、規(guī)模較大的巖溶塌陷坑，下部可灌漿封堵，以減少地表水的入滲補(bǔ)給，上部回填碎石土壓實(shí)后，覆土并恢復(fù)林地。

（3）對于位于河流、溝渠附近的塌陷坑，可進(jìn)行水泥灌漿處理，同時(shí)對河流、渠道底進(jìn)行混凝土封堵，杜絕河水倒灌補(bǔ)給地下水。

5.3 地下水資源恢復(fù)治理

當(dāng)隧道遇突水、涌水時(shí)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)隧道內(nèi)外的堵水工作，減少隧道的涌水量，這是恢復(fù)地下水位的直接措施。

6 結(jié)論

（1）地面變形主要是由于寶石嶺隧道施工時(shí)，切穿裂隙巖溶構(gòu)造破碎含水帶，爆破震動使圍巖松動圈內(nèi)的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，隧道突水后堵水工作未及時(shí)進(jìn)行，進(jìn)而發(fā)生水土流失所致。

（2）寶溪村地面變形未來以殘余沉降為主，沉降量極小，將逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但存在偶發(fā)巖溶塌陷的可能。

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