山區高速公路隧道巖溶涌水涌泥原因及治理措施研究

潘學滸

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550010）

0 引言

在我國西南地區，分布著各種類型的溶洞。公路隧道施工時，經常遇到涌水涌泥災害。涌水涌泥會影響隧道開挖的安全性，威脅施工人員的生命安全，污染周圍環境以及延遲整體施工進度。一旦處理不當，會產生巨大的負面作用。因此，要充分重視巖溶隧道的涌泥涌水，前期做好地質水文勘察和風險評估，并根據實際情況妥善處理隧道涌水涌泥。

1 涌水涌泥的發生條件及危害

1.1 涌水涌泥的發生條件

隧道巖溶[1]施工期間易發生涌水涌泥問題，受自然因素和技術因素影響。自然因素包括：埋深、長度、地質狀況以及天氣條件；技術因素包括：勘察、設計和施工方面的不合理。以上因素都有可能導致巖溶隧道發生涌水涌泥。

（1）巖溶水含有濃度較高的酸堿離子，侵蝕巖土體，降低圍巖結構的強度，形成涌水涌泥結構面。

（2）巖溶土體內部存在裂隙、裂縫以及節理構造。在發育期間，巖溶土體存在節理構造，形成大量斷層面，為涌水涌泥提供流動通道。

（3）巖溶水壓力隨著水流量增大轉變為水動能，不斷溶蝕軟化隧道圍巖結構，隧道周圍巖的有效應力發生變化，自身穩定性降低，為涌水涌泥提供了便利條件。

1.2 涌水涌泥的危害

（1）隧道涌水涌泥的水量和泥沙量大，對施工人員生命安全以及施工設備有極大的威脅，影響隧道施工進度。

（2）隨著突水量的增大，巖溶隧道周邊區域地表水位和地下水位會出現下降。

（3）由于巖體大量的泥沙不斷流失，空洞區域變大，最終導致地表發生沉降或塌陷，同時，流失的泥沙會污染周圍環境[2]。

2 工程案例

2.1 工程概況

貴州省某山區高速公路隧道，全隧道路線坡為5.8%，左右兩隧道長分別為：3 568 m、3 652 m，最大埋深400 m。隧道掌子面的涌水方式以涌流為主，局部產生突水，地表出現大范圍沉降、塌陷，隧道施工進度受控未開挖地段。

2.2 工程地質

隧道區域地層復雜，灰巖巖面起伏大。巖溶節理裂隙發育，溶洞多為流塑狀黏性土、砂和風化的巖石碎塊的填充物，溶洞、溶溝和管道相互連通，山區高地及山地槽谷為地下水的補給區，形成一個統一的水體，雨季更為突出。該隧道施工前預測正常涌水量為36 589 m3/d，最大涌水量為65 758 m3/d。

3 隧道巖溶涌水涌泥過程及原因

3.1 涌水涌泥過程

2015 年6 月15 日7 時15 分，隧道右洞巖溶涌水涌泥處埋深約208 m，洞壁穩定并且巖體完整，為中厚層狀灰巖圍巖，發生特大掌子面突水突泥事故，噴水距離約5 m 遠，范圍大約為8 m2，出水量約1 500 cm3/h。泥漿橫灌左洞，7 時45 分突水突泥逐漸減小。時隔30 min 之后，8 時15 分隧道發生二次突水，經過20 min 后開始減少。8 時42 分發生三次突水，突水量相比減小，之后陸續發生幾次突水，突水量持續減少，最終消失。經地質雷達探測，突水突泥位于YK32+158 右側邊墻，洞徑約2～3 m，8 m 未見底。

2015 年6 月22 日9 時03 分，隧道左洞巖溶涌水涌泥處埋深約200 m，該處巖體完整，為中厚層狀灰巖圍巖，當施鉆隧道掌子面的炮眼過程中，鉆進3 m 有滲水現象，滲水范圍大約為2 m2，11 時10 進行下一個循環掘進，地質雷達探測揭示涌水位于ZK32+162 左側墻腳，洞徑約0.2 m，7 m 未見底。

3.2 隧道涌水涌泥的原因

突水事故發生后，對該隧道進行補充探測，發現巖溶強烈發育，填充物多為流塑狀黏性土、砂和風化的巖石碎塊，溶洞多為串珠狀，隧道穿過的溶洞富水量大，地下水發育，含泥沙。早期巖溶水活躍，管道暢通。后期巖溶管道堵塞淤積，形成地下水靜儲量，巖溶水流經填充物，呈泥漿狀。開挖作業后，由于超前預注漿加固不到位，最終導致突水涌泥事故的發生，該段具備典型地層地質災害特征。

4 隧道巖溶涌水涌泥治理措施

4.1 涌水涌泥潰口封堵技術

洞內由于施工帶來大量的泥砂和水，不能盲目清淤，為避免涌水涌泥事故再次發生，經過反復研究，利用T200 車載多功能全液壓車載鉆機進行地表深孔鉆孔，泥漿護壁沖擊成孔下入套管，利用套管投料施工。潰口工作面臨空面和巖柱兩側施工，形成碎石混凝土投料孔與注漿孔，達到“堵泥不堵水”，限制泥砂涌入隧道，疏水降壓，避免潰口工作面封堵限流，造成水位上升，發生安全隱患。地表定向投料孔布置圖見圖1。

圖1 地表定向投料孔布置圖

（1）碎石混凝土投料孔投料。先利用鉆桿插入淤泥，泵送清水洗孔，同時送入2.5～3.0 cm 灰巖石子，通過鉆孔電視監視投料位置，高度達至拱頂即可，避免堵孔。再利用鉆桿注入漿液，其水灰比為0.6 ∶1，人工投放灰巖石子，通過鉆孔電視監視石子高度，堆集高度控制在拱頂以下0.5 m，以防堵孔。

（2）注漿孔投入。為防止排水時土體砂石堵塞涌水通道，向注漿孔注入水漿，并不斷松動巖柱，注漿高度達到拱頂以上4 m，鉆桿自孔底提升快速封孔，采用快干水泥。經過封堵之后，進行抽排水和清淤施工，泥砂含量小于5%。

4.2 巖溶潰口涌泥段處理技術

4.2.1 泄水孔泄水

泄水孔設置除滿足排水量的要求，還須滿足施工作業的要求；針對襯砌材料，還須滿足抗沖刷的要求；對于含泥量大的巖溶水，應考慮防淤積的排水流速。因此，對于該隧道經過的充填性溶腔，雖然采用過注漿，但是可能存在注漿盲區，一旦開挖，會發生注漿盲區涌水涌泥事故，為保證施工安全，應在注漿加固施工前進行泄水降壓[3]。

（1）左線泄水孔泄水施工。為了隧道右線泄水降壓，在左線潰口上方鉆設高位泄水孔，實現潰口泄水降壓和右線控域注漿觀察[4]。鉆設高位泄水孔3 排，每排4 個呈梅花形布置的泄水孔，終孔間距2 m，具體布置圖見圖2。為避免施工過程中涌水涌泥事故，鉆頭安設孔口管及高壓閘閥。在鉆孔到達設計深度后，下入布設直徑20 mm透水孔的梅花形套管。在實際鉆設過程中，存在地層含泥量大、成孔難等特點，最終成孔單孔排水量為35 m3/h，并持續降低。分析得出，此潰口為自然排水，泄水孔終高高于潰口標高，此排水口難于泄水。

圖2 左線高位泄水口示意圖

（2）右線泄水孔泄水施工。為了隧道右線泄水降壓，采取從右線溶腔兩端分別向巖溶潰口坍塌段上半斷面全面覆蓋泄水孔，在巖溶潰口段拱頂以上鉆設泄水孔，對其進行泄水，平面布置圖見圖3。經過反復對泄水孔掃孔，未能達到泄水的目的[5]。

圖3 右線高位泄水孔布置圖

由上述左右線泄水情況分析判斷：此巖溶段富集大量泥砂，泥砂起到了一定的隔水作用，坍塌段無法達到水力連通性。同時，由于鉆孔的直徑有限，短時間泄水后，泄水孔被涌水夾雜的泥砂淤塞，無法泄水，因此，無法采取鉆設小口徑泄水孔泄水。只有當鉆孔鉆穿涌水通道，才可以實現泄水降壓[6]。

4.2.2 巖溶段注漿

為加快施工進度，保證注漿效果，該次注漿采取兩面夾擊注漿加固。巖溶涌水涌泥段區間為YK32+158～YK32+192，共計34 m。前期YK32+158 工作面涌水涌泥，對其進行初期支護及超前大管棚加固技術，該次鉆孔要穿過YK32+158～YK32+176 段支護面。為避免鉆孔對后期開挖造成安全隱患和前期的支護破壞，鉆孔施工難度極大，采取加固潰口，局部補強注漿。注漿區間段為YK32+158～YK32+180，縱向長度為22 m。YK32+192 工作面未受到擾動，作為該案例涌水涌泥巖溶段注漿加固的主要工作面，注漿區間為YK32+166～YK32+192 段，縱向長度為26 m，加固徑向長度為開挖輪廓線外8 m。最后根據揭示地質情況確定最終里程，保證涌水涌泥潰口在注漿加固區間內，注漿加固參數如表1 所示。

表1 注漿加固參數

注漿加固按以下工序開展。

（1）采用頂水注漿方式封堵所有可能發生涌水的通道，降低突發涌水的可能性。進一步驗證檢查地層成孔性，注漿孔下插入PVC 管的孔底注漿方式。

（2）按照由外及內的前進式分段注漿施工進行擠密加固，從上斷面開孔加固全斷面，確保注漿效果。

（3）注漿要嚴格控制注漿量、漿液濃度、注漿頻率和注漿次數，避免漿液擴散浪費。

（4）注漿要進行加筋處理，對注漿孔下入玻璃纖維錨桿，增強注漿加固體抗變形能力。

（5）加長前期工作面YK32+158 縱向深度，到達YK32+165，增長距離為7 m，保證富水巖溶潰口段加固效果[7]。

經過48 d，注漿結束。在注漿薄弱區域鉆設檢查孔，未發現涌水涌泥現象。為進一步驗證注漿效果，通過孔內成像檢查，結果表明：地層穩定性好、地層密實，達到預期效果。

4.2.3 大管棚超前支護加固技術

高位泄水孔未能實現泄水降壓，開挖作業過程要頂水帶壓[8]。為避免局部掉塊坍塌發生，采用直徑108 mm+76 mm 管棚的雙層管棚超前支護加固技術，管棚層間距20 cm，支護區間為YK32+165～YK32+186，長23 m，待管棚支護安設完畢，施作注漿充填。

5 結論

山區高速公路隧道地下巖溶管道極其復雜，且多發突發性涌水涌泥，難于在初期設計階段充分考慮。因此，在巖溶隧道施工過程中，充分重視涌水涌泥問題的處理，避免造成重大災害事故。該文通過案例闡述隧道巖溶涌水涌泥的治理措施，得到以下結論：

（1）采用涌水涌泥潰口封堵技術，對潰口工作面臨空面和巖柱兩側施工，達到“堵泥不堵水”，疏水降壓的作用，確保搶險清淤泥工作順利推進。

（2）采用左右兩線深孔排水方案。左線潰口為自然排水，泄水孔終高高于潰口標高，此排水口難于泄水；右線潰口巖溶段富集大量泥砂，泥砂起到了一定的隔水作用，坍塌段無法達到水力連通性，此方案無法實現泄水降壓的目的。

（3）注漿施工要嚴格控制注漿量、漿液濃度、注漿頻率和注漿次數，并對注漿進行加筋處理，形成加筋網絡結構，增強注漿加固體抗變形能力，保證富水巖溶潰口段加固效果。