余会明　安海棠　张卫强

(1.新疆地矿局第一水文工程地质大队;2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司；3.中国矿业大学资源与地球科学学院)



岩溶地区隧道突水突泥灾害分析及防治对策*

余会明1安海棠2张卫强3

(1.新疆地矿局第一水文工程地质大队;2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司；3.中国矿业大学资源与地球科学学院)

摘要在岩溶地区隧道建设过程所遇灾害中，突水突泥灾害占较大比重，给隧道施工和周边环境均带来了较大影响。分别从地质条件、气候条件、工程扰动等方面对岩溶地区隧道突水突泥灾害的发育情况进行了综合分析，并提出了防治对策，供类似工程参考。

关键词隧道岩溶地区突水突泥防治对策

岩溶在我国分布面积广，受其特殊地质构造影响，往往兼有富水、高水压、溶洞多且错综复杂及断层等特征，因此，在岩溶地区隧道工程建设过程中极易引发或突发不同规模的突水、突泥和涌砂等灾害。该类灾害一旦发生，轻则阻断施工进度，冲毁机器，淹没隧道，重则造成人员伤亡，甚至迫使隧道改线。因此，对岩溶隧道突水突泥的研究不仅有助于提高岩溶隧道的修建水平，对于保护岩溶地区人文环境也大有裨益[1-2]。对此，黄雄军[3]分析了马鹿箐隧道突水突泥的影响因素及对策；胡子平[4]在地质勘查的基础上设计了突水突泥防灾报警系统；代峪[5]针对云雾山隧道岩溶段突泥塌方灾害提出了快速治理方法，并分析了其工程地质特征；李卫民[6]基于洋碰隧道的突泥案例，概述了岩溶隧道突泥的施工技术和治理措施；林国涛等[7]以贵都高速公路九条龙隧道突泥现场为研究背景，对岩溶和隧道位置进行了类型划分，并进一步探讨了岩溶隧道的突泥机制和超前预报方法。上述研究大多是针对特定条件下的岩溶隧道突水突泥灾害开展的，而对其机制和防治对策尚未形成统一的理论[8-9]。故本研究对突水突泥灾害的主要影响因素进行综合分析，针对突水突泥的基本特点对防治措施进行详细探讨。

1主要影响因素

1.1地质条件

岩溶隧道突水突泥与地形、地貌、构造等工程地质条件密切相关，洼地、槽谷、向斜地区等汇水区有利于突水突泥灾害的发育。从地层岩性来看，石灰岩、白云岩、碳酸盐岩等可溶性地层较易发生大型的突水突泥灾害。地质构造复杂地区，由于地层较破碎且完整性较差，多出现大型溶洞，为突水突泥灾害的发生提供了有利条件。溶洞的填充情况、尺寸特征、水压、与地表水或地下水的连通情况等则为引发突水突泥灾害的诱发因素。岩体存在的原始裂隙在岩溶条件(可溶性岩层、溶蚀能力的和渗流路径)具备时不断扩大并形成新的溶蚀裂隙，一些较大裂隙甚至发育成岩溶管道，随着时间的推移进而形成溶洞，为隧道工程的顺利推进带来了安全隐患。

1.2气候条件

岩石的溶蚀性和溶洞内水的赋存情况与气温、降雨量等气候因素密切相关。气温高低、降雨强度与降水量、蒸发量和地面径流及渗透量的关系等在不同的季节各不相同。在气温较高的条件下，水的流动速率、溶蚀强度和对岩层的溶蚀速率都较大，岩溶发育较快；降雨强度和总量直接影响水的渗透速率和运动速率，而且降雨中可能含有一定量的酸性物质，更加促进了岩溶作用的发育。综合四季气候条件可知，夏季雨量充沛，地表水径流和地下水入渗更易转变为岩溶水，并且往往携带大量泥沙，一旦隧道发生突水突泥，其危害性相对于其他季节更大，此外，夏季偶尔突发暴雨，导致地下水位迅速升高，水压增大，增大了隧道发生突水突泥的可能性。

1.3工程扰动

隧道开挖打破了岩体原始的自然平衡状态，在隧洞周围形成了临空面和围岩松动圈，导致原有裂隙扩张和新裂隙发育，同时改变了岩体的应力状态和流场，当围岩的应力状态达到破坏临界点后，便可能引发突水突泥灾害。岩溶水压力和开挖掌子面至溶洞的距离直接影响着开挖面附近的水力梯度，而水力梯度的大小又与突水突泥的发生关系密切。对于前期勘查出的突水突泥风险，若处理不当，也有可能引发突水突泥灾害。

2危害分析

溶洞水量、水压和填充情况主要决定着突水突泥灾害的危害程度，大量的突水突泥会打破地层内的原有平衡，以及改变地下水流场和补排关系，进而引发周边一系列的环境问题，对周边居民的生活带来不利影响。隧道突水突泥引起上覆松散层内有效应力的改变和动水压力的增大，进而导致岩溶地区地面沉降或塌陷，其中地下水位急剧变化带和强径流带是地面沉降或塌陷的高发区，水动力条件的变化是其主要诱发因素。隧道开挖也不可避免地揭露含水围岩，疏排地下水，导致地下水储量下降，产生地下水位降落漏斗，改变了其影响范围内的渗流场和补排关系，继而可能造成地表河溪断流、井泉干枯，直接影响当地人民生活。此外，隧道的大量突水突泥，疏干了其充水围岩，加速了水循环，促进了氧化作用，致使地下水中部分金属元素(Fe，Cu，Pb等)含量增加或pH值发生较大变化，造成水质污染。在疏排水过程中，若处理不当或直接排入周边区域，也会造成地表水和地下水的二次污染。岩溶水作为居民生活用水和工业用水的主要来源，由于其复杂的地质环境，一旦受到污染，治理难度较大。

3防治对策

3.1加强超前预报

溶洞填充物及水压的影响范围与隧洞围岩塑性区的导通是突水突泥灾害发生的直接原因，当隧道近距离穿越岩溶结构时，保持岩柱的完整性和稳定性是突水突泥防灾减灾的关键；而当隧道直接穿越岩溶结构时，超前预加固方案及施工的可靠性是隧道施工的关键技术。超前地质预报是隧道施工中主要的地质手段，特别是穿过断层破碎带、复杂构造带等地质条件差的地区，可为隧道工程施工、灾害防治提供依据[8]。针对突水突泥事故灾害的易发性和不确定性，应注重加强超前地质预报工作，通过超前钻探、物探等手段，对掘进方向的可溶性地质条件进行探测，预测溶腔的规模、位置和性质，指导施工设计。

3.2选择合适的施工工艺

岩溶突水突泥灾害主要发生于隧道开挖和初期支护阶段。隧道开挖打破了溶洞的原始应力平衡条件、水力特征，改变了原有的环境条件，因此容易引发突水突泥灾害。在初期支护阶段，支护体强度尚未达到目标强度，使得初期支护无法完全抵挡外水压力，进而造成局部薄弱部位形成渗透水压破坏，因此隧道修建首先应选择合理的开挖方法。目前，隧道开挖方法主要有全断面法、台阶法、环形开挖留核心土法、中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法等[9]。在实际应用中，应根据隧道长度、超前预报地质资料、经济性等因素选择合适的开挖方法。对于超前探测发现的断层破碎带、高压富水空腔、软弱夹层、挤压破碎带等不良地质条件，可根据实际情况采用超前小导管、超前管棚、掌子面超前预注浆、径向注浆等方法，对该类条件下的不良区域进行超前加固，并做好防排水和监测工作。在隧道修建过程中宜采用“全方位水压影响”衬砌支护模式和二衬紧跟的施工原则，在有褶皱构造的地区，除特殊情况外，背斜部位以排为主，向斜以堵为主。

3.3监控量测技术

为保证施工安全和进度，对围岩力学性质、稳定性、支护结构状态、衬砌结构状态、地表沉陷、拱结构状态等及时监控量测十分必要。目前，主要监测方法见表1。

表1　监测方法

3.4灾害预警

不良地质地区施工过程中存在较多安全隐患，如塌陷、软弱夹层、突水、空腔填充物突出等，施工中若方法选择不当极易诱发突水突泥灾害，严重影响施工进度和人员安全。因此，有必要制定灾害前期预警和灾后应急措施，有效识别灾害前兆信息(岩石强度、节理组数增多、碎裂岩、压裂岩等)。基于超前地质预报和监控量测获得的相关信息，对断层破碎带、软弱夹层等地质灾害进行预警，从而有效指导施工。对获取信息进行分析时应选取与地质灾害类型相关的、可追溯的信息，否则不仅无法达到辅助预警决策的作用，而且会适得其反。在预警的同时还应采取相应的安全预防及应急措施，见表2。

4结语

(1)在突水突泥灾害的主要影

表2　 报警与应急系统

响因素中，地质条件因素主要提供渗流通道，气候条件和地质条件对水的影响均较大，其中气候条件因素主要影响水的补给，地质条件因素主要影响水压和水的渗流，工程扰动为诱发因素。

(2)在隧道修建过程中，应加强超前预报工作，应用多种手段相互佐证。在此基础上，针对现场情况选择合适的施工工艺(包括开挖和衬砌等方面)，对围岩、支护结构和地表等及时进行监控量测。

(3)在不良地质区域施工时，灾害前期预警和灾后应急措施十分重要，结合超前预报和监测结果，在对大量预警信息进行去伪存真的基础上，进行及时准确预警，确保施工人员的人身安全。

参考文献

[1]刘招伟.圆梁山隧道岩溶突水机理及其防治对策[D].北京：中国地质大学(北京)，2004.

[2]郭文广.岭脚隧道突水突泥地质灾害成因分析与综合治理研究[D].南宁：广西大学，2012.

[3]黄雄军.岩溶隧道突水突泥影响因素及对策[J].铁道工程学报，2013(1)：45-49.

[4]胡子平.复杂岩溶隧道突水突泥防灾报警系统设计[J].现代隧道技术，2007，44(6)：48-55.

[5]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(6)：36-38.

[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.

[7]林国涛，宋瑞刚.岩溶隧道突泥机制与防治技术研究[J].隧道建设，2012，32(2)：169-174.

[8]薛志国，饶文举，何先瑜，等.浅谈隧道突水突泥处理方案与技术[J].中国西部科技，2010(18)：25-26.

[9]龚书林，彭凌星.探测岩溶隧道突水突泥塌方体规模的综合方法[J].山西建筑，2009(35)：315-316.

(收稿日期2016-04-11)

*国家自然科学基金项目(编号：41102201)。

余会明(1982—)，男，工程师，830039 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市。