林国涛，宋瑞刚

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

0 引言

岩溶地质对隧道的修建极为不利，目前我国岩溶分布面积超过国土总面积的13%，已建和在建的岩溶隧道大都发生过不同程度的地质灾害。因突泥和塌方具有突发性，容易淹没隧洞内开挖作业设备，一方面造成经济损失，另一方面影响施工进度，严重时还会造成隧洞废弃，甚至会引起生命损失，造成非常严重的社会影响;且突水事故一旦发生，往往还会诱发地面次生地质灾害。

进入21世纪以来，大量横跨我国东、中西部地区的交通、水利、矿业和能源的通道工程等基础设施相继建成。数万km的隧洞工程将不可避免地在岩溶地区开工建设，这些工程处于构造溶蚀山区，山高壁陡，岩溶发育，地质条件差，工程风险极大。

国内外学者对岩溶隧道突水突泥机制及其防治技术进行了大量的研究，取得了一些有价值的研究成果。文献［1－2］总结了云雾山隧道浅埋岩溶段突泥塌方灾害的快速治理方法，指出了突泥灾害工程地质特征;文献［3］阐述了岩溶区大断面隧道突泥突水的防治技术;文献［4］总结了八卦山隧道突水突泥段处理技术;文献［5］详细阐述了明月山特长隧道涌水突泥综合处理措施;文献［6－7］分别依托洋碰隧道和华蓥山隧道的突泥案例，概述了岩溶隧道突泥段的施工技术和突泥治理措施。以上这些研究大多是针对岩溶突水开展的，且多是针对具体工程提出的适用于特定条件的技术方案，而对岩溶隧道突泥机制及其防治技术研究鲜有涉及。本文依托贵都高速公路九条龙隧道岩溶段突泥事故，阐述岩溶突泥机制及主要影响因素，结合岩溶区隧道的设计和施工经验，提出岩溶隧道突泥事故防治措施。

1 岩溶隧道突泥机制与主要影响因素

1.1 隧道突泥与岩溶位置关系分析

岩溶突泥是指在隧道开挖推进中突然发生的泥砂涌出，发生原因可以归结为隧道施工扰动地层和岩溶泥水穿过不透水层涌入隧道。突泥介质和过泥通道是发生突泥的2个必要条件，而工程施工扰动地层是诱发突泥的基本因素［8］。

由于岩溶发育比较复杂，岩溶形状千变万化，归纳起来大致可以分为以下3种情况:

1)隧道周围存在岩溶。当围岩渗透系数在1×10－6cm/s以下时，工程上即可认为是不透水层。岩溶在隧道周围，即隧道不穿过岩溶，岩溶位于隧道拱顶和拱底的外侧，隧道开挖作用扰动地层使隧道外侧的不透水层厚度减薄且渗透性增大。当隧道与岩溶之间的不透水层不能承受岩溶内的泥水压力时，即会诱发岩溶突泥。

2)隧道整体穿越岩溶。岩溶位于隧道开挖面的正前方时，即认为隧道整体穿越岩溶。随着隧道掌子面逐渐向前推进，当岩溶与隧道掌子面之间的不透水层厚度过薄或渗透性较大，渗透作用造成的局部破坏诱发整个开挖面破坏，引起隧道突泥。

3)隧道部分穿越岩溶。岩溶位于隧道的侧上方或侧下方时，即认为隧道部分穿越岩溶。随着隧道开挖面向前推进并逐渐靠近岩溶，岩溶内的泥水压力超过隧道开挖面与岩溶之间不透水层的极限承载力时，即会诱发岩溶突泥。

1.2 岩溶隧道突泥机制

岩溶隧道突泥机制可以从宏观与微观2个方面进行分析。宏观机制是指岩溶隧道不同的突泥类型，微观机制是指地下水对地层的小尺度物理力学作用［9］。

1.2.1 岩溶隧道突泥宏观机制分析

从岩溶泥水介质的蕴藏环境分析，可将岩溶隧道突泥机制划分为溶腔(洞)突泥、地质结构界面突泥、地下岩溶管道(或暗河)突泥和溶蚀型断层破碎带突泥4类［10］。从过泥通道的形成分析，可将岩溶隧道突泥机制分为不透水岩层张拉破坏、地质结构界面受剪破坏、地质不连续面的水力作用以及控制岩块的滑落失稳4种类型。

1.2.2 岩溶隧道突泥微观机制分析

1)岩溶泥水介质对地质结构界面的软化溶蚀。地下水的破坏作用表现在降低岩体软弱结构面强度和渗流力的作用2个方面。岩体软弱结构面的抗剪强度因地下水的影响而降低是岩土工程的一个重大问题，岩溶水的软化溶蚀作用必然会引起裂隙岩体物理力学参数改变。

2)岩溶泥水介质对地质结构界面的的孔隙扩张作用。岩溶隧道地质结构界面是指岩体裂隙、节理、孔隙等宏观层面和微观层面的不连续结构面，岩溶发育严重时就会引起较大范围的沉积层面和断层破碎带，成为岩溶隧道泥水介质的潜在通道。岩溶泥水介质对地质结构界面的的孔隙扩张作用可以概括为岩溶泥水介质在微观层面对不连续地质结构面的小范围岩溶泥水介质压力作用，具体体现为水土压力作用和水力软化作用2个层面。

3)岩溶泥水介质在断层破碎带的水楔效应。在施工作业前，隧道围岩存在原始地应力的作用，当隧洞施工作业后，开挖卸载作用使隧道周围岩层地应力不断释放，洞周围岩向洞内方向发生持续的弹塑性变形，洞周岩体的塑性损伤会使断层破碎带内的微小不连续界面发生错动，原本闭合的不连续面张开，承载能力下降的同时伴随着渗透性的增大，具有一定初始压力的岩溶泥水介质向隧道内渗透，类似“楔子”不断地沿着断层破碎带内的微小结构界面向前“挤”，概括起来将其称为岩溶泥水介质在断层破碎带的水楔效应。

4)岩溶泥水的冲刷扩径作用。渗流的冲刷扩径作用是指在地下水进入开挖空间的过程中，水流通道逐渐扩大造成局部围岩破坏的过程。暗挖施工的隧道中，在岩层破碎带的富水区域，水流的冲刷扩径作用往往是引发工程事故的重要原因，对于岩石地层，地下水可以通过节理、裂隙等进入开挖空间。

1.3 岩溶隧道突泥主要影响因素

诱发岩溶区隧道突泥的原因可以归结为地质因素和非地质因素2个方面。前者指岩溶区工程及水文地质的天然条件，后者指施工扰动和天气变化等因素。地质因素是岩溶隧道突泥的基础条件和内在因素［11］，掌握其基本特征和演化运移规律是认识和揭示岩溶隧道突泥机制的先决条件;非地质因素是诱发岩溶隧道突泥的外在因素，是制定防治岩溶隧道突泥措施的基本出发点。

1.3.1 地质因素

岩溶隧道突泥与工程地质条件(如地形、地貌特征等)密切相关，地表岩溶洼地、槽谷等降水汇集区为突泥易发地区。从隧道岩体横剖面地貌与地形特征分析，隧道横断面与槽谷正底下平行或侧下平行时的单位长度突泥量要远大于凸型隧道;从隧道岩体纵断面分析，隧道位于河流下方、下穿盆地或平凸型的单位长度突泥量要远大于平坦型和凸型。

从岩层岩性特征来看，大型岩溶突泥事故往往出现在白云岩、灰岩等可溶性岩层。岩体地质结构界面的产状特征能够影响岩溶发育，在地质构造发育强烈时(如断层破碎带、褶皱发育明显、节理密集区或大断裂带等区域)多出现大型溶洞。

1.3.2 气象因素

影响岩溶隧道突泥的气象因素主要指降雨条件和随季节的温度、湿度变化等气象特征。一般而言，夏秋季节降雨量较大，岩溶泥水介质水源补给充分，泥水压力较大，且气温较高，水的溶蚀作用、渗流作用和岩溶物理化学反应等较明显，在施工扰动下往往容易诱发较大的岩溶突泥灾害。

1.3.3 工程因素

影响岩溶隧道突泥的工程因素主要指隧道开挖对地层的扰动作用，具体体现在开挖、支护方法和隧道开挖尺度等方面。开挖和支护方法包括爆破或分部开挖方法确定、施工工艺确定和支护参数设计等;隧道开挖尺度主要体现在开挖面积或开挖跨度方面，隧道开挖尺度越大，岩溶隧道发生突泥的几率越大。工程实践经验表明，岩溶突泥一般是在隧道爆破作业后发生的。

2 九条龙隧道突泥原因分析及防治

2.1 工程概况

贵都高速是贵州高速公路网的重要组成部分，全长78.82km，按双向4车道高速公路标准建设，设计时速为100 km/h。九条龙隧道位于都匀市龙里县麻芝乡五里村和龙山乡冠山村之间，隧道左线全长1 890 m，右线全长1 723m。隧道穿过地层地形切割强烈，岩溶极为发育，属强岩溶发育区，主要形态为溶洞、竖井、落水洞及岩溶洼地、岩溶漏斗等;隧址所处地区喀斯特地质特征明显，区内地层主要为泥盆系上统高坡场中风化白云岩及微风化白云岩，局部夹泥质白云岩，岩体结构破碎，自稳性差，节理裂隙极其发育。隧址区主要不良地质问题是岩溶，其次为崩坡积堆积体。不良地质导致施工过程中易出现涌水、涌泥、拱部掉块、坍塌等现象，工程风险极大。

2.2 突泥段地质概况

根据地表地质调查资料，在YK263+300～YK264+030处为一大型岩溶洼地，面积约0.78×0.34 km2，汇水面积较大，底部高程为1 402 m，洼地内发育有溶洞、落水洞和竖井等。其中，洼地最低处有一溶洞，洞口有一落水洞，左侧有一溶沟。现场调查表明溶洞较短，洞身长30 m，从洞尽头端岩壁可以看出:洞内岩体形成倒V形裂缝，两侧产状相向，说明已经向下塌陷;洞口落水洞可见深度为4.0～5.0 m，被黏性土和碎石土充填;左侧溶沟基本顺岩层发育，无论落水洞还是溶沟，观测时均未见地下水。钻探在YK263+600左5 m处钻孔揭露有溶洞，溶洞顶板深度为58.0 m，标高为1375.85m，溶洞底板深度为60.3m，标高为1373.85 m，溶洞高度为2.0m。隧道与岩溶位置关系如图1所示。

图1 隧道与岩溶位置关系示意图(单位:cm)Fig.1 Relationship between tunnel and karst(cm)

2.3 隧道突泥过程

洞内突泥是岩溶隧道施工常见的事故。由于贵都项目线位较高，施工期地下水含量不大，突泥以溶洞中填充物为主，无地下水涌出，虽然有几次突泥量较大，但对人员安全没有造成威胁。

2009年8月22日22点，九条龙左线(进口)开挖至ZK263+655掌子面时，掌子面出现一溶洞(见图2(a))，溶洞面积约2×2 m2，位于拱脚上约2 m，右侧开挖轮廓线偏左约3 m，溶洞内充填满黏性土，洞壁较光滑，有渗漏水。8月23日早上，采取封闭掌子面和加强初期支护等措施进行处理，当日23点，在掌子面进行立钢拱架过程中，拱周发出异常声音，人员撤离后5～10 min，掌子面溶洞开始出现突泥(见图2(b))。填充物从右侧拱周软弱岩体处涌出，且涌出物迅速增加(主要涌出物为松散黏土，含水量较大，且夹杂孤石)，最终涌出物填满90%隧道全断面。突泥填充里程为ZK263+595～ +655，合计约5 000余m3。

突泥段处于洞顶岩溶洼地边缘，右线较靠近洼地，开挖揭露地层极差，已变更为Ⅴ级围岩;左线已开挖段围岩情况良好，为中厚层状白云岩，埋深约130 m，掌子面距离地勘揭露的岩溶极发育段25 m。

突泥事件发生后，右线YK263+573～+615段已变更为V级围岩段的喷锚部分出现环向裂纹，并伴随喷混凝土爆裂现象。

2.4 隧道突泥原因分析

隧道突泥灾害实质是围岩的含水层结构、水动力条件和围岩力学平衡状态因隧道开挖而失衡，储存在地下水体中能量瞬时释放，并以流体形式高速向隧道内运移的一种动力破坏现象。特殊地质构造、填充物质、高势能、开挖扰动和短时间涌出是诱发突泥的基本条件。

九条龙隧道隧址区域内地质构造主要受龙里复向斜的影响，该向斜位于龙里一带，主要由古生代地层组成，核部地层为泥盆系，翼部为石炭系、二叠系和三叠系地层。两侧为近南北向断裂截切破坏。褶皱轴向近南北，岩层倾角一般小于20°，在其翼部发育一系列的次级褶皱。这些特殊地质构造控制地下水活动程度，同时决定岩溶发育方向及程度。引起突泥事故的溶腔相对于开挖面具有很高的势能压力，且具有大体积的充填物。隧道采用爆破方式开挖，爆破开挖扰动赋存有大体积高势能充填物的溶腔，从而引起突泥事故发生。

根据1.1分析可知，九条龙隧道与岩溶的位置关系为最容易诱发突泥的隧道整体穿越岩溶情况。从岩溶隧道突泥的宏观机制分析，九条龙隧道岩溶突泥类型为隧道开挖造成工作面止水岩柱受拉破坏，引起关键岩块失稳导致突泥的发生;按储藏条件可以将九条龙隧道岩溶突泥确定为溶洞突泥。从引起突泥的因素分析，隧道开挖扰动是发生突泥的诱导因素，而地质因素和气象条件是突泥的必要前提和基础条件。8月正是贵州的雨季，大量的降雨为溶洞及其含水层提供了丰富的地下水补给，溶洞内泥岩介质的含水量及水压力不断增大，在隧道开挖的扰动下极易诱发岩溶突泥。

九条龙隧道突泥事故发生后，相关各方召开突泥处理专家会，对该段突泥达成以下共识。

1)突泥方量大，隧道开挖已影响到大体积充填溶洞，左右线可能均在此溶洞影响范围内，工程方案不应加大对该溶洞的影响。

2)为使突泥体能提供足够的反力阻止后续松散体的突出，应先进行加固。

3)右线隧道已受突泥影响造成初期支护开裂，应对右线隧道进行补强并封闭掌子面，防止右线隧道初期支护和掌子面失稳。

2.5 突泥防治措施

2.5.1 加强超前地质预报

针对易发生突泥突水等事故的岩溶隧道，应特别注意加强超前地质预报，对掌子面前方可溶性岩地质进行预测，超前地质预报是预防发生岩溶隧道突泥涌水事件的主要方法。通过超前钻探以及物探手段，预测溶腔位置、大小和性质，指导设计施工。

2.5.2 选用合理的开挖方法

根据超前地质预测，确定合理的开挖方法。针对岩溶赋水地段应特别注意减小开挖扰动。岩溶隧道开挖应选用台阶法或分部开挖法，在填充型溶洞核心段优选CRD工法。台阶或分部开挖时可以将未开挖部分作为反压体，防止突泥涌水事故。

1)封闭右洞掌子面。喷射C20混凝土封闭九条龙隧道右线掌子面，暂停掌子面施工。加强监控量测，对上台阶初期支护部分增加临时仰拱(I18工字钢钢架间距为0.6 m)，加强拱圈受力。

2)加强初期支护。对K263+585～+615初期支护加强段，采用双层I18工字钢在初期支护内侧加强处理，具体参数为:钢架间距60 cm;φ22纵向连接筋，环向间距1.0 m;单层φ8 mm钢筋网片，间距20 cm×20 cm;喷射厚24 cm C20混凝土封闭。

3)右洞开挖及支护。对开裂段初期支护加固稳定后，采用超短三台阶法在掌子面进行掘进，必要时施作临时竖向支撑。为保证隧道施工安全，严格控制开挖进尺，开挖一榀，支护一榀。在开挖进行前，应做好超前地质预报，并根据监测结果确定是否采用超前长管棚进行超前支护。右洞支护参数如表1所示。

表1 支护参数表Table 1 Support parameters

2.5.3 采用正确有力的辅助工法

对于开挖面前方的岩溶空洞，必须提前进行压浆充填。对充填比较密实的溶洞，可采用超前小导管预支护。对于开挖后暴露的小溶洞，采用混凝土回填，保证运营安全。

1)右洞加固。对YK263+585～+615受左洞突泥产生环向裂缝段，在按V级围岩衬砌类型进行初期支护的基础上，进行钢花管注浆加固，具体参数为:φ42mm钢花管，长度L=8m，梅花形布置，环向间距为1.0 m，纵向间距为0.5 m，采用水泥－水玻璃双液浆。

2)左右洞间围岩加固。九条龙隧道右线施工到YK263+650后，结合超前地质预报，开始进行注浆固定左右线间的岩体，封堵溶腔内的充填物，防止涌水涌泥发生，并为左洞突泥堆积物清理创造有利条件。注浆随右洞台阶开挖分段打孔，分段注浆。注浆纵向里程起点为K263+650，终点为K263+670;横向注浆范围以右线施工注浆固结左线开挖轮廓线外6m。注浆材料根据要求选用具有结石强度高、可灌性好、抗渗透、抗腐蚀、无污染，水灰质量比为0.4～0.5;采用水泥－水玻璃双液注浆材料。

2.5.4 突泥处理及开挖方案

1)清除部分突泥体。清除ZK263+595～+605段的突泥体，然后用洞碴回填修筑施工平台。在清除突泥体过程中需随时观察其动态，若遇不稳定情况应立即停止清除。部分突泥体处理见图3。

图3 部分突泥体处理示意图Fig.3 Treatment of bursting mud

2)突泥体及掌子面围岩的加固。ZK263+605～+665段上台阶，纵向采用无缝钢管注双液浆加固处理(无缝钢管采用φ76 mm×6 mm，L=18 m，间距为120 cm×120 cm，梅花形布置)，土体固结后，逐步开挖，开挖时纵向预留8m作为止浆盘。从ZK263+625起对突泥体中、下台阶部分采用无缝钢管注双液浆加固处理(无缝钢管采用φ76mm×6mm，L=9m，间距为120cm×120 cm，梅花形布置，水平角约30°)，土体固结后，待上台阶掘进一定距离后再进行开挖，开挖纵向预留8 m作为止浆盘。突泥体加固开挖示意见图4。

图4 隧道岩溶突泥段复合衬砌标准设计图(单位:cm)Fig.4 Standard design of composite lining for mud bursting section of tunnel in karst area(cm)

3)临时加固及掌子面掘进。ZK263+640～+655段采用临时加固，待掌子面掘进一定距离后再行永久加固处理。接近原掌子面位置处采用超前管棚注浆后施工，通过超前地质预报和超前钻孔探明前方地层，采用CD法开挖，加强初期支护并对背后进行补充注浆。

3 结论与讨论

1)将岩溶与隧道的位置关系划分为隧道不穿过岩溶、隧道整体穿过岩溶和隧道部分穿过岩溶3种类型。在隧道开挖过程中，必须进行准确的超前地质预报，同时采取针对性的措施防止突泥事故的发生。

2)从宏观与微观2个方面探讨了岩溶隧道突泥发生机制，指出地质因素是岩溶隧道突泥的基础条件和内在因素，掌握地质因素的基本特征和演化运移规律是认识和揭示岩溶隧道突泥机制的先决条件，而非地质因素是诱发岩溶隧道突泥的外在因素，是制定防治岩溶隧道突泥措施的基本出发点。

3)针对九条龙岩溶隧道突泥事故特点，采取了合理、快速的处理方法，为隧道安全、快速掘进提供了有效的灾害治理方法，可为以后类似工程提供借鉴。

4)针对岩溶隧道不同工程地质特征，应重视工程勘察和隧道施工作业中的超前预报，提高预报精确度，采用合理的开挖方法和超前支护措施，规范施工作业流程，保证施工质量，预防岩溶隧道突泥事故的发生。

［1］ 杨冬梅，张朋.云雾山隧道浅埋岩溶段突泥塌方灾害快速治理方法研究［J］.西部探矿工程，2008(10):196－198.

［2］ 代峪.云雾山隧道突泥灾害工程地质特征与防治［J］.铁道建筑，2009(10):36－38.

［3］ 张会远，穆静静.岩溶区大断面隧道突泥突水的防治［J］.铁道建筑，2009(6):52 －54.

［4］ 王双龙.八卦山隧道突水突泥段处理技术［J］.山西交通科技，2009(2):57 －60，63.(WANG Shuanglong.The treatment technique of sudden water and mud for the Eight Diagrams Mountain tunnel［J］.Shanxi Science ＆ Technology of Communications，2009(2):57 －60，63.(in Chinese))

［5］ 秦仁佩，肖均，蒋锋.明月山特长隧道涌水突泥综合处理措施［J］.现代隧道技术，2007(6):69 －72.(QIN Renpei，XIAO Jun，JIANG Feng.Comprehensive treatment of the water gushing and mud outburst in Mingyueshan super-long tunnel［J］.Modern Tunnelling Technology，2007(6):69 －72.(in Chinese))

［6］ 李卫民.洋碰隧道右线出口突水突泥段的施工技术［J］.公路，2002(9):164 －169.(LI Weimin.Construction technique for inrush of clay and water in right tube of Yangpeng tunnel［J］.Highway，2002(9):164 － 169.(in Chinese))

［7］ 刘建国，刘义立.华蓥山隧道特大涌水突泥的综合治理［J］.公路，2003(10):27 －31.

［8］ 王国栋.厦门东通道海底隧道施工关键技术研究［D］.天津:天津大学建筑土木工程专业，2006.

［9］ 郭佳奇.岩溶隧道防突厚度及突水机制研究［D］.北京:北京交通大学地下工程专业，2011.

［10］ 张梅.宜万铁路岩溶断层隧道修建技术［M］.北京:科学出版社，2010.

［11］ 李利平.高风险岩溶隧道突水灾变演化机制及其应用研究［D］.济南:山东大学工程力学专业，2009.