年洞隧道突泥處治技術

朱偉寧

摘要：如何預防并處治巖溶發育地區隧道施工過程中的突泥事故一直以來都是高速公路隧道施工的難題。文章以廣西桂林至柳城高速公路的年洞隧道突泥災害處治過程為例，分析年洞隧道突泥災害的特征與成因，并結合現場工程地質條件，提出了以超前地質預報（鉆探）結合地層加固、襯砌支護加強、溶洞處理為一體的綜合預防處治技術，成功解決了年洞隧道突泥災害防治技術難題，為今后類似條件的隧道建設提供了良好的技術參考。

關鍵詞：隧道工程;巖溶地質;突泥災害;超前支護;地層加固;溶洞處治

中圖分類號：U458A281004

0 引言

高速公路隧道穿越巖溶發育地質地段具有危害大、預防難的工程特點，是當前國內外隧道工程施工中尚未完善解決的難題[1-3]。其主要表現是：當施工貿然揭露巖溶時，有一定的概率會導致突水突泥災害發生，造成重大工程事故[4]。當前，我國在應對復雜巖溶地質隧道建設相關技術方面累積了一定的經驗，達到世界先進水平。一般采用超前探測[5-7]、帷幕注漿[8]、超前管棚支護、高壓富水溶腔釋能降壓[9]、橋梁跨越、迂回繞行、防災預警、救援逃生系統等“探”“堵”“排”“迂”“跨”“防”等綜合技術措施，極大地改善了隧道施工中處理大規模巖溶地質的能力。設計施工前采取有效的超前地質預報（鉆探）技術，探明隧道開挖面前隱伏的斷層及巖溶的大小、位置和關聯性等，有針對性地制定處理方案，既可有效保障施工安全，又能保證質量和進度。

1 工程概況

年洞隧道是廣西桂林至柳城高速公路的一座隧道。隧道起訖里程樁號左幅：ZK90+888～ZK92+100，長1 212 m;右幅：K90+936～K92+120，長1 184 m，隧道最大埋深約128 m，洞軸線進口走向方位角約241°，出口走向方位角約259°;單幅隧道凈空：11.0 m×5.0 m。

根據沿線地貌分區，隧址區屬構造溶蝕峰叢洼地、谷地地貌區。隧道通過地段地面標高在237.67～388.47 m之間，相對高差約150.80 m，地勢起伏相對較大，山體坡度較陡。隧址山體基巖裸露，基巖巖性為泥盆系上統榴江組（D3）灰巖，圍巖級別從Ⅲ級到Ⅴ級。隧址區地下水主要為碳酸鹽巖水，水量總體不大，接受大氣降水入滲補給。在隧道淺埋段碳酸鹽巖巖溶水受地表水補給條件較好，隧道開挖，滴水、滲流現象明顯，山體深部可能存在著巖溶管道。

2 隧道突泥災害特征與原因分析

2.1 突泥災害基本情況

年洞隧道左洞在樁號ZK91+081～ZK91+086區段施工期間發生了六次突泥塌方災害。2019-09-16，左洞發生了突泥災害，第一次突泥從掌子面往支護段大約40 m左右，突涌泥土呈流塑、軟塑狀，流動性不是很大;2019-10-15，發生了第二次突泥;2019-10-17，發生了第三次突泥，造成初支拱架斷裂;2019-10-27，發生了第四次突泥，造成初支拱架斷裂，同日又發生了第五次突泥;2019-10-29，發生了第六次突泥，溶腔掉塊，壓斷初支拱架。施工期間累計淤積泥沙約24 500 m3。

2.2 災害特征分析

綜合分析該隧道歷次突泥塌方災害發生的過程與破壞情況，可以看出，巖溶發育地區隧道突泥地質災害特征主要表現在災害發生的突然性、危害性以及經濟損失的嚴重性。突泥可能會造成人員傷亡、堵塞排水系統、破壞、隧道支護結構等，并常伴生地面塌陷，增加了突泥災害的破壞程度和治理難度。此外，年洞隧道施工期間的突泥災害最鮮明的特點就是突泥的頻繁性。

2.3 災害成因分析

年洞隧道突泥事件主要是在施工過程中，隧道施工掌子面前方或者開挖輪廓四周的巖溶突然壓潰臨界面，造成突水突泥地質災害，而突涌出的泥砂主要來源于巖溶陷落柱、斷裂破碎帶、松散含水層。根據工程地質條件以及突泥災害特征分析，下面給出年洞隧道突泥災害的成因分析：

2.3.1 地下水是突泥災害發生的前提

年洞隧道隧址區內地下水主要接受大氣降雨補給，沿孔隙、基巖裂隙、溶蝕裂隙等向地勢低凹處呈脈狀、線狀排泄;巖溶水水量大小受巖溶發育程度及補給源的控制，季節性較明顯，特別是雨季時形成的地表面流易沿溶蝕裂隙迅速下滲，導致地下水流量急劇增大，對隧道突泥災害的發生有著重要影響。

2.3.2 高壓力是突泥災害發生的重要誘因

年洞隧道的最大埋深約128 m，通過爆破開挖之后，打破了原有平衡壓力，使地層處于高壓狀態，極有可能誘發突泥塌方災害的發生。

2.3.3 不良地質是突泥災害發生的必要條件

根據地質勘測情況，年洞隧道施工區間段存在破碎帶、巖溶等不良地質條件，而隧道在穿越溶洞、斷層破碎帶或接觸帶等不良地質時，特別容易發生突水突泥災害。

綜合來看，“富水、高壓、不良地質”三者不利組合是誘發年洞隧道突泥災害的主要地質條件。在很多大型突水突泥災害發生前，都會發生前期小型、局部、小范圍的突水突泥，在處理方法及措施不完善的情況下，盲目地進行施工，極大地增加了施工安全風險。

3 隧道突泥處治方案

3.1 處治思路及原則

根據對巖溶發育地區隧道施工進程中突泥災害的特征與原因分析，在復雜地質條件下，應以超前地質預報（鉆探）結合地層加固、襯砌支護加強、溶洞處理為一體的綜合技術對突泥災害進行處治。對于年洞隧道所處的特殊的地質條件而言，處治突泥災害過程中不僅要對破碎帶地層進行加固導水處理，還需針對巖溶發育區段的巖溶腔體提出填充處理方案。以下提出巖溶發育地區隧道突泥災害處治原則：

3.1.1 物探先行，鉆探驗證

在巖溶發育地區隧道的建設過程必須要系統地進行綜合超前地質預報?？傮w上以地質調查分析法為基礎，結合TSP、地質雷達等物探手段，并輔以超前鉆孔等綜合地質預報手段，遵循“長短結合、以短為主”的原則，盡可能查清掌子面前方地質情況及可能發生的地質災害，提前做出分析，提出處理措施，保證施工安全。

3.1.2 超前支護，注漿加固

超前支護是一種預支護手段，是充分發揮圍巖自穩能力的一種手段。由于巖溶發育地區隧道建設可能會面臨破碎帶、溶洞等不良地質的考驗，為保證隧道開挖的安全有序進行，有必要采取預支護的技術措施。

3.1.3 監控量測，動態施工

為了避免施工過程中注漿加固時圍巖結構與支護體的變形失穩，也為了保證施工人員的生命財產安全，需要在注漿過程中進行圍巖結構與支護體的變形、涌泥量等必要項目的監控量測，進而為隧道開挖提供指導，保證施工安全。

3.2 處治技術方案

3.2.1 超前地質預報技術

首先必須采用TSP隧道地震探測儀進行遠距離（150 m）較宏觀長期預報，如表1所示。除在物探推測異常帶地段結合TSP、地質雷達等預報結果外，還需要結合超前鉆探來進一步驗證溶腔的具體發育規模，鉆孔孔位置和數量設3～5個，鉆孔時應對鉆進速度、取芯情況（巖芯采取率、RQD值）、出漿點位置、流動速度、水壓及出水狀態等作詳細記錄。

3.2.2 地層加固技術方案

針對本項目地質條件，本工程預設了如下超前支護輔助措施，如表2所示：

年洞隧道左洞突泥災害區段具體加固處理方案如下：

（1）先清理ZK91+085之前突泥塌方體，對臨近掌子面受損工字鋼，采用臨時工字鋼支撐。

（2）從ZK91+085采用L=24 m，108×6 mm超前管棚進行超前支護，環向間距為40～45 mm，仰角6°，管棚施工及注漿處理如圖1所示，突泥塌方處治工程數量如表3所示。

（3）掌子面突泥塌方體采用10 cm厚C20噴射混凝土臨時封閉。

（4）以上加固工作完成后，方可進行下一步的清理及開挖工作。

3.2.3 襯砌支護設計方案

左洞初定ZK91+087～ZK91+119段支護采用溶洞處理段襯砌，實際施作段落根據現場溶腔影響范圍確定;右洞K91+170～K91+190段支護采用Va襯砌，實際施作段落根據現場溶腔影響范圍確定。左洞的襯砌支護具體設計如圖2所示，工程數量如表4所示。

3.2.4 溶洞處理技術

本項目部分路段巖溶發育，對于溶洞可采取以下處治措施：（1）溶洞在隧底，小型溶洞可挖出充填物換填，對于規模較大的溶洞根據跨度大小采用梁跨、拱跨等措施;（2）溶洞在側墻，可局部挖除溶洞充填物后在襯砌外采用混凝土或漿砌片石砌筑;（3）溶洞在隧頂，可待溶洞充填物自流穩定后，在拱頂以上澆筑混凝土護拱，護拱之上充砂或用輕質泡沫混凝土灌注充填，然后再進行下步施工;（4）溶槽在隧頂，利用超前支護鉆孔對隧頂溶槽充填物進行高壓劈裂注漿加固后再進行開挖，并加強隧道支護。

年洞隧道施工突泥段溶腔多在隧道頂部，因此現場采取護拱+吹砂的方案，通過施作2 m厚混凝土護拱，護拱外吹砂，最薄處≥1 m;同時在溶洞處理范圍內埋設110 cmPE排水管，間距設置為2 m;此外，在施工過程中要加強監控量測，如有異常應及時停止施工并上報設計單位。左洞溶洞具體處理方案如圖3所示。

4 結語

根據上述研究，得出以下結論：

（1）對于巖溶發育的地質條件，在處治隧道突泥災害過程中不僅要對不良地質區段進行加固導水處理，還需針對巖溶發育區段的巖溶裂隙、溶洞提出填充處理方案。把握隧道突泥災害處治的總體原則：“物探先行，鉆探驗證;超前支護，注漿加固;監控量測，動態施工”。要充分利用超前地質預報（鉆探）技術手段，盡可能地查清掌子面前方地質情況以及可能發生的地質災害，提出預處理措施，保證施工安全。

（2）對于破碎帶、巖溶等復雜地質條件下的隧道突泥災害，需要從圍巖改造以及支護結構加強兩個方面進行綜合治理，結合超前管棚支護、小導管注漿加固、襯砌加固以及用混凝土封閉斷面等技術手段，完善隧道突泥災害處治技術方案。

（3）當隧道開挖過程中遇到大型溶腔，為了維持隧道整體結構的穩定性和施工人員安全，可采用“護拱+吹砂”的方案。待溶洞充填物自流穩定后，在拱頂以上澆筑混凝土護拱，護拱之上充砂或用輕質泡沫混凝土灌注充填，然后再修建隧道，能夠有效保證溶腔填充效果及現場施工安全。

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收稿日期：2020-05-10